一種雙模式短波對數(shù)周期天線設(shè)計

李虎 任曉飛 蔡志遠 袁英光

（中國電波傳播研究所，青島 266107）

引 言

對數(shù)周期天線因其寬頻帶、高增益、良好的定向性在實際中被廣泛應(yīng)用于通信和雷達系統(tǒng)中[1-3]. 在短波通信應(yīng)用領(lǐng)域中，為進一步提升系統(tǒng)增益，增加通信距離，常常使用多副對數(shù)周期天線進行組陣合成接收. 眾多學(xué)者也對對數(shù)周期天線組陣性能進行了充分的研究. 文獻[4]采用矩量法對對數(shù)周期偶極天線扇形陣進行理論分析. 文獻[5]研究了在平面布陣時對數(shù)周期天線陣波束形成的最優(yōu)激勵. 文獻[6]討論了短波對數(shù)周期天線扇形陣列或圓形陣列盲波束合成算法. 文獻[7]討論了短波對數(shù)周期天線圓形陣列的空域極化特性. 文獻[8]研究了短波雙層對數(shù)周期天線扇形陣陣元夾角與合成增益的關(guān)系. 在現(xiàn)有大部分研究中，對數(shù)周期天線組陣方式均以水平面布陣方式為主. 這些研究為提高陣列增益和壓窄水平面波束寬度提供了有意義的方法.

然而在短波信號傳輸中，由于電離層分層結(jié)構(gòu)的特點，短波信號傳輸具有多模式傳播的特性[9].從F2層反射與從E層反射具有不同的射線仰角，同一層不同的反射次數(shù)其來波射線仰角也具有不同的分布. 為了實現(xiàn)大的縱深范圍覆蓋，天線需要考慮不同仰角上的特性. 根據(jù)ITU建議，遠距離覆蓋天線需要更低的仰角，近距離覆蓋天線需要高仰角輻射特性[10]. 傳統(tǒng)短波天線依靠不同的架設(shè)高度，根據(jù)離地高度與仰角對應(yīng)關(guān)系[11]，來確定合理的仰角分布，天線只能具有單一的仰角工作模式. 對于具有不同仰角模式工作的短波對數(shù)周期天線尚未見公開報道.

本文針對不同來波射線仰角接收，提出了一種雙模式工作的短波對數(shù)周期天線. 天線在垂直方向分為上下兩層結(jié)構(gòu)，每層為一個獨立的水平極化對數(shù)周期天線. 在兩個天線端口進行等幅同相饋電和反相饋電，能夠形成低仰角工作模式和高仰角工作模式. 在對雙模式工作的天線機理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計和安裝了雙模式短波對數(shù)周期天線. 理論仿真和實際測試表明：新設(shè)計的天線在6～30 MHz頻帶內(nèi)，兩種仰角模式下電壓駐波比(voltage standing wave ratio, VSWR)均小于2.5，低角模式仰角為20°，增益可達12 dBi; 高角模式仰角為44°～60°，增益可達10 dBi.天線具有良好的接收效果.

1 雙層對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)

雙層對數(shù)周期天線由2副相同的水平對數(shù)周期天線在垂直方向上分層排布. 為了保持天線離地高度的電尺寸近似不變，水平對數(shù)周期天線斜向架設(shè)，與地面形成一定的傾角. 其中，下層對數(shù)周期天線與地面之間傾角為 β，上層天線與地面夾角為δ，對數(shù)周期天線集合線縱向長度為L，如圖1所示.

圖1 雙層對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure of double layer log-periodic antennas

每層對數(shù)周期天線工作原理服從對數(shù)周期天線非頻變特性，尺度因子 τ和間隔因子 σ服從以下關(guān)系[12]：

式中：ln為從長振子向短振子方向看的第n個振子長度；dn為 第n個振子間距.

將水平對數(shù)周期天線在垂直面進行陣列設(shè)計，利用天線分層特點，可以針對來波仰角特點對天線垂直面方向圖進行設(shè)計，使得天線可以根據(jù)不同仰角分布的情況進行模式匹配工作.

2 地面上雙層天線雙模式工作機理

對數(shù)周期偶極子天線是由N個偶極子依據(jù)一定的周期規(guī)律排列而成. 不失一般性，我們利用水平對稱振子進行理論分析，如圖2所示. 考慮地面上雙層天線在最大輻射方位面內(nèi)即 φ=0時其垂直面輻射特性. 由于地面反射效應(yīng)，天線在空間中的輻射場為直達波與反射波之和.

圖2 雙層天線地面反射示意圖Fig. 2 Diagram of double layer antennas on ground reflection

天線遠區(qū)輻射場為上下兩層天線的輻射場的疊加，有

式中：E1d、E1r和E2d、E2r分別為天線1和2的直達波場和經(jīng)地面反射后的反射波場.

對于天線1的直達波場，考慮遠場相位歸算于統(tǒng)一坐標系原點后[13]，有

式中： |I1|為 天線1端口激勵的電流幅度；ξ1為激勵電流相位；l為水平對稱振子長度；H1為天線距坐標原點距離；Δ為垂直面仰角.

作為一般性分析，在短波頻段，地面可以近似看作無限大的電壁. 對地面上的水平振子而言，其與地面呈負鏡像關(guān)系，利用鏡像原理，經(jīng)地面反射后天線1的輻射場近似為

振子2的遠區(qū)輻射場為

當天線1和2等幅饋電時，忽略陣元間耦合，總的輻射場為

式中：d=H2?H1， 為兩層天線的間距； δξ=ξ1?ξ2為兩層天線的激勵相位差. 當?shù)孛鏋槔硐肓紝?dǎo)體時，反射系數(shù)為?1，式(7)嚴格成立.

取H1=d/2，式(7)轉(zhuǎn)化為

式(8)反映了地面上水平雙層天線在最大輻射方位上垂直面場強幅度分布與兩層天線間距及激勵相位差之間的關(guān)系. 其垂直面方向圖為

當兩層天線等幅同相激勵時，即 δξ=0，利用歐拉公式，對式(9)合并化簡為

當?shù)确聪嗉顣r，即 δξ=π，有

圖3給出了不同間距d情況下，地面上雙層天線同相饋電與反相饋電時的垂直面方向圖.

從圖3計算結(jié)果看，當d=0.5λ，兩層天線同相饋電時，垂直面最大輻射仰角為23°，呈現(xiàn)低仰角區(qū)域覆蓋；而反相饋電時，最大輻射仰角在90°，且朝向天頂區(qū)域，呈現(xiàn)高仰角區(qū)域覆蓋. 以上情況可以用二元陣理論定性解釋. 反相饋電時，天線1的激勵電流相位比天線2超前180°，當來波在天頂方向時，由于波程差，天線1又比天線相位滯后了180°. 因此在天頂方向形成等幅同相疊加，具有最大值. 同相饋電時，理論上仰角為0°時，二者之間波程差也為0°，應(yīng)該具有最大值. 但由于地面的負鏡像反射，波束上翹，導(dǎo)致垂直面波束集中在低仰角區(qū)域.

圖3 不同d時雙層天線垂直面方向圖Fig. 3 Vertical pattern of a double layer antenna on the ground with different distances d

3 雙模式對數(shù)周期天線設(shè)計

3.1 雙模式對數(shù)周期天線設(shè)計

上一節(jié)中理論分析了地面上雙層天線的雙模式輻射特性，對數(shù)周期天線由若干個偶極子按照一定規(guī)律排列而成. 當利用兩層水平對數(shù)周期天線在垂直方向進行組陣時，構(gòu)成雙模式對數(shù)周期天線，同樣具備這種特性.

在雙模式對數(shù)周期天線具體設(shè)計中，通過優(yōu)化兩層天線的高度，可以獲得期望的雙模式輻射仰角分布. 通過合理設(shè)計尺度因子和間隔因子保證天線在需要的工作頻段內(nèi)正常工作.

根據(jù)工作頻段要求，兼顧雙層對數(shù)周期天線之間的耦合效應(yīng)，選擇單元對數(shù)周期天線的尺度因子τ=0.92， 間隔因子 σ=0.1， 振子數(shù)目N=26，集合線長度L=56.6m. 為保證短波對數(shù)周期天線垂直面輻射仰角不劇烈變化，天線采用斜架方式，雙層對數(shù)周期天線模型側(cè)視圖如圖4所示. 下層對數(shù)周期天線低頻振子高度H2=23 m，高頻振子離地高度H4=4 m，地面傾斜角為19.6°. 上層天線低頻振子離地高度H1=36.8 m，高頻振子離地高度H3=8 m，地面傾角為30.6°.

圖4 雙層對數(shù)周期天線模型側(cè)視圖Fig. 4 Side view of double layer log-periodic antenna model

利用FEKO仿真軟件，計算得到雙模式對數(shù)周期天線在低仰角和高仰角兩種不同模式下的VSWR和垂直面增益方向圖，如圖5和圖6所示. 雙模式對數(shù)周期天線天線具有良好的VSWR，高仰角模式下VSWR略大，但不超過2.5. 設(shè)計的天線在垂直面表現(xiàn)出良好的輻射特性，高仰角模式和低仰角模式分別明顯覆蓋不同的仰角.

圖5 兩種模式下雙層對數(shù)周期天線VSWRFig. 5 VSWR of the double layer log-periodic antennas in two modes

圖6 不同頻率下雙層對數(shù)周期天線垂直面增益方向圖Fig. 6 Vertical gain patterns of double layer log-periodic antenna at different frequencies

由于雙模式對數(shù)周期天線是在垂直面內(nèi)進行組陣，并沒有影響水平面波束特性，其水平面方向圖依然保持了單元對數(shù)周期天線良好的定向特性，如圖7所示. 表1給出了設(shè)計的雙模式對數(shù)周期天線的輻射特性.

圖7 最大仰角處水平面方向圖Fig. 7 Horizontal pattern at maximum elevation

表1 雙模式對數(shù)周期天線輻射特性Tab. 1 Radiation characteristics of the dual mode logperiodic antennas

從仿真的結(jié)果可以看到，雙模式對數(shù)周期天線能夠同時兼顧低仰角模式和高仰角模式. 低仰角模式主仰角20°左右，高仰角為44°～62°分布. 高仰角模式下的增益比低仰角模式增益低2～3 dBi. 在實際應(yīng)用中，高仰角模式針對近距離通信使用. 此外，雙模式對數(shù)周期天線無論是低角模還是高角模，均在垂直面具有單一的波束，這對短波信號多徑分離接收起到良好的作用.

3.2 雙模式對數(shù)周期天線測試

根據(jù)前文的理論設(shè)計，進行天線實物安裝和測試，并應(yīng)用到某短波通信系統(tǒng)中. 實際中利用電橋?qū)⑸舷聝蓪犹炀€進行連接，形成雙端口輸出. 在測試中，針對雙模式工作下的天線VSWR進行實際測試.經(jīng)過測試，雙模式對數(shù)周期天線表現(xiàn)出良好的駐波特性，VSWR曲線如圖8所示.

圖8 雙模式對數(shù)周期天線實測VSWRFig. 8 Measured VSWR of the dual mode log-periodic antennas

從測試結(jié)果看：低仰角模式下實測VSWR大部分都小于1.5；高仰角模式下實測VSWR略高，大部分小于2.0，最大不超過2.5. 這一規(guī)律與理論仿真規(guī)律基本一致. 經(jīng)過實際通信測試，雙模式對數(shù)周期天線通信效果良好，使用靈活，可對遠中近距離進行有效通信，提升了現(xiàn)有對數(shù)周期天線的覆蓋能力.

4 結(jié) 論

本文通過在垂直方向上將兩層水平極化對數(shù)周期天線進行疊加，提出了一種雙模式短波對數(shù)周期天線. 利用同相饋電和反相饋電兩種激勵模式，實現(xiàn)了低仰角模式和高仰角模式兩種輻射模式. 利用這兩種工作模式，可有針對性地進行短波通信距離的覆蓋，更好地適應(yīng)短波信號傳輸特性，將天線設(shè)計與電離層傳播特性緊密結(jié)合在一起. 設(shè)計的雙模式短波對數(shù)周期天線經(jīng)過仿真和實際實測，具有良好特性，低仰角模式仰角分布20°左右，典型增益達12 dBi；高仰角模式仰角分布44°～60°，典型增益達10 dBi.兩種模式下，天線VSWR小于2.5. 雙模式水平極化對數(shù)周期天線的研究，可有效改善傳統(tǒng)對數(shù)周期天線信號覆蓋能力，同時為下一步短波信號多徑分離研究奠定基礎(chǔ).