對數(shù)周期天線特征參數(shù)對電性能的影響分析

殷興輝 趙秋穎

(1.河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 蘭州 732750)

引 言

對數(shù)周期天線是一種與頻率無關(guān)的寬頻帶天線，具有成本低、增益高的特點[1].它被提出以后，在短波、超短波、微波等波段的通信、測向、探索、電子對抗等方面獲得了廣泛的應(yīng)用[2]，在這些應(yīng)用中對數(shù)周期天線都要無失真地輻射接收短脈沖信號[3].理論上設(shè)計對數(shù)周期天線，要根據(jù)實際工程應(yīng)用的性能要求，由等方向增益與天線比例常數(shù)τ和天線間隔常數(shù)σ的關(guān)系曲線得到對數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而得到天線的初始結(jié)構(gòu)[4-5].天線最長振子和最短振子的長度由天線頻率確定.對數(shù)周期天線的振子位置呈對數(shù)分布，每根振子的工作頻率在一個對數(shù)周期范圍內(nèi)變化.

對數(shù)周期天線的傳統(tǒng)設(shè)計步驟為[5]：首先確定合適的參數(shù)τ和σ，τ值主要影響天線的增益和偶極子數(shù)N.增大τ值可以提高增益和方向性系數(shù)，但偶極子數(shù)目增多，結(jié)構(gòu)龐大，σ值主要影響天線長度.然后計算各振子的長度和振子間距.對于理想的對數(shù)周期結(jié)構(gòu)，振子的直徑應(yīng)該滿足周期性的結(jié)構(gòu)要求，這樣，所有單元振子的特性阻抗才會相等.但實際工程中振子的數(shù)目分成直徑不同的幾組，通常選取一個中間值，采用這一中間值用對稱振子的平均特性阻抗計算集合線兩饋管的間距.集合線的間距是影響天線電性能的一個重要因素，特別是對駐波的變化比較敏感[6].由于設(shè)計間距時選取的是一個中間近似值，因此，實際測試的駐波性能并不能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，必須進(jìn)行反復(fù)實驗調(diào)整，最后由實驗確定集合線兩饋管的間距.對數(shù)周期天線的饋電點位置和饋管長度，目前未見文獻(xiàn)具體討論，文獻(xiàn)[7]提到“考慮到對數(shù)周期天線的振子位置為對數(shù)分布，每根振子工作頻率在一個對數(shù)周期范圍內(nèi)變化，為保證最短振子的工作區(qū)不受影響，考慮將天線最短振子前推一次，以此來決定饋電點位置”，但已有文獻(xiàn)沒有給出具體分析與計算.

本文提出通過仿真優(yōu)化饋管間距、饋電點位置和饋管長度三個特征參數(shù)(如圖1所示)，實現(xiàn)對數(shù)周期天線駐波比和回波損耗的最佳化，從而大大改善天線的電性能.在已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上具體分析計算對數(shù)周期天線這三個特征參數(shù)，由大量的仿真分析數(shù)據(jù)，獲得對數(shù)周期天線這三個特征參數(shù)的變化規(guī)律.

圖1 對數(shù)周期天線饋電圖

對數(shù)周期天線采用同軸線在短振子端饋電，同軸線的內(nèi)導(dǎo)體從下饋管伸出，直接連接到上饋管進(jìn)行饋電，如圖1所示.圖中D為饋管的間距，d為單管的直徑，當(dāng)饋管使用方管時，d為單管的邊長，H為實際饋電點到最短振子的長度，M為饋管前端到最短振子的長度，其變化表示饋管長度的變化.

1 特征參數(shù)對電性能影響的理論分析

對數(shù)周期天線的主要電性能指標(biāo)為駐波比.理論上，對數(shù)周期天線可以等效為一單端口網(wǎng)絡(luò)，可以看成是天線陣網(wǎng)絡(luò)和集合線網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)[5]，而天線陣網(wǎng)絡(luò)又可以看作是若干對稱振子的組合.因此，可以通過分析對稱振子來分析對數(shù)周期天線.

對數(shù)周期天線饋電點處從下饋管伸出的內(nèi)導(dǎo)體可以等效于導(dǎo)線，而單導(dǎo)線又可以等效為一電感模型[7]，設(shè)其阻抗值為ZL=jωL.當(dāng)饋管靠得太近時，其上的電流幅度相等、相位相反，遠(yuǎn)場區(qū)互相抵消.從下饋管伸出并連接到上饋管的內(nèi)導(dǎo)體部分在高頻時引起波束向上饋管偏轉(zhuǎn)，這樣會限制天線的高頻特性，所以，對數(shù)周期天線兩饋管的間距D取值不能太小[5].

第i根對稱振子的平均特性阻抗Za為

(1)

式中：Li為第i根振子的總長度；a為第i根振子的半徑.

集合線未加載，且雙管為平行線時的特性阻抗Z0為

(2)

集合線加載后，雙管平行線的特性阻抗ZC為

(3)

饋線的特性阻抗應(yīng)等于集合線加載后的平均特性阻抗ZC.

由式(1)～(3)可知，特征參數(shù)D影響集合線的特性阻抗，從而直接影響?zhàn)伨€的輸入駐波比.

2 特征參數(shù)對電性能影響的仿真分析

2.1 頻率0.015～0.12 GHz的對數(shù)周期天線

天線比例常數(shù)為τ=0.78，天線間隔常數(shù)為σ=0.14，共14根振子，饋管采用方管，因為饋管邊長要比最粗的振子直徑大，取邊長值d=240 mm，最短振子的長度為Lmin=479 mm.理論仿真得到的不同特征參數(shù)D、H、M值對應(yīng)的天線駐波比如圖2所示.

圖2 0.015～0.12 GHz天線駐波比圖

圖2表明，天線駐波比達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時，饋管間距D=343 mm對應(yīng)饋管邊長d的1.429倍，饋電點位置H=134 mm對應(yīng)最短振子長度的2σ倍(H=2σLmin)，饋管長度M=150 mm對應(yīng)饋電點位置H的1.119倍.天線駐波比在0.015～0.12 GHz的整個工作頻段，降至2以下.

2.2 頻率0.05～0.5 GHz的對數(shù)周期天線

天線比例常數(shù)為τ=0.78，天線間隔常數(shù)為σ=0.14，共15根振子，取饋管邊長值d=90 mm，最短振子的長度為Lmin=112 mm.理論仿真得到的不同特征參數(shù)D、H、M值對應(yīng)的天線駐波比如圖3所示.

圖3 0.05～0.5 GHz天線駐波比圖

圖3表明，天線駐波比達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時，饋管間距D=126 mm對應(yīng)饋管邊長d的1.4倍，饋電點位置H=31 mm對應(yīng)最短振子長度的2σ倍(H=2σLmin)，饋管長度M=35 mm對應(yīng)饋電點位置H的1.167倍.天線駐波比在0.05～0.5 GHz的整個工作頻段，降至2以下.

2.3 頻率0.1～1 GHz的對數(shù)周期天線

天線比例常數(shù)為τ=0.78，天線間隔常數(shù)為σ=0.14，共15根振子，饋管邊長值d=30 mm，最短振子長度為Lmin=56 mm.理論仿真得到的不同特征參數(shù)D、H、M值對應(yīng)的天線駐波比如圖4所示.

圖4 0.1～1 GHz天線駐波比圖

圖4表明，天線駐波比達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時，饋管間距D=43.5 mm對應(yīng)饋管邊長d的1.45倍，饋電點位置H=15.68 mm對應(yīng)最短振子長度的2σ倍(H=2σLmin)，饋管長度M=19.58 mm對應(yīng)饋電點位置H的1.256倍.天線駐波比在整個工作頻段，降至2以下.

2.4 頻率0.2～3.2 GHz的對數(shù)周期天線

天線比例常數(shù)為τ=0.78，天線間隔常數(shù)為σ=0.14，共17根振子，饋管邊長值d=6.52 mm，最短振子長度為Lmin=17.04 mm.理論仿真得到的不同特征參數(shù)D、H、M值對應(yīng)的天線駐波比如圖5所示.

圖5 0.2～3.2 GHz天線駐波比圖

圖5表明，天線駐波比達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時，饋管間距D=9.57 mm對應(yīng)饋管邊長d的1.468倍，饋電點位置H=4.77 mm對應(yīng)最短振子長度的2σ倍(H=2σLmin)，饋管長度M=5.02 mm對應(yīng)饋電點位置H的1.053倍.駐波比在f=0.2～3.2 GHz的整個工作頻段，均能降至2以內(nèi)，且在f=1.3～3.2 GHz頻段內(nèi)達(dá)到駐波比小于1.6.

2.5 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)頻率0.2～3.2 GHz對數(shù)周期天線仿真結(jié)果，我們加工出一副試驗用對數(shù)周期天線，實測結(jié)果如圖6所示.

(a) 駐波比

(b) 回波損耗圖6 0.2～3.2 GHz對數(shù)周期天線實測曲線

比較圖5仿真優(yōu)化設(shè)計結(jié)果和圖6(a)的實測結(jié)果可以看出：實測駐波比與理論仿真的結(jié)果基本一致，駐波比在2以下，實測值只在2.7 GHz頻率處與仿真值有所區(qū)別，該頻率處駐波比稍大于2.圖6(b)為0.2～3.2 GHz對數(shù)周期天線的實測回波損耗值，實測結(jié)果表明，回波損耗值降至-10 dB以下.

實測結(jié)果證實了理論仿真分析結(jié)論：D、H和M的改變，直接影響天線的駐波比變化.通過調(diào)整D、H和M值，可以明顯改善對數(shù)周期天線的駐波性能.

3 結(jié) 論

分析計算了對數(shù)周期天線的三個特征參數(shù):饋管間距、饋電點位置和饋管長度，提出了優(yōu)化這三個特征參數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)周期天線駐波比最佳化的方法.對四個不同頻段的天線進(jìn)行了理論仿真，并進(jìn)行了相應(yīng)的實驗測試，實驗驗證了理論分析結(jié)論.理論與實驗結(jié)果表明，當(dāng)天線駐波比最優(yōu)時，饋管間距與饋管邊長、饋電點位置與饋管長度有以下對應(yīng)關(guān)系：饋管間距為饋管邊長的1.45倍，饋電點位置為最短振子長度與天線間隔常數(shù)乘積的2倍，饋管端部至最短振子的長度為饋電點位置1.15倍.這些理論分析與實驗結(jié)果為對數(shù)周期天線的工程應(yīng)用提供了重要依據(jù)，也為最優(yōu)化設(shè)計提供了一種更有效的方法.

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