一種小型化短波對數周期天線設計

李東虎 任曉飛 李 虎

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2.中國電波傳播研究所，山東 青島266107）

引 言

對數周期天線作為一種非頻變寬帶天線，被廣泛應用在通信、雷達、電子對抗等領域.常規(guī)對數周期天線設計方法比較成熟［1-3］，目前也已出現(xiàn)多種形式的對數周期天線產品.但是常規(guī)的短波對數周期天線占地面積非常大，工作在3～30MHz頻段的對數周期通常有60m寬60m長這樣的龐大尺寸.在雷達或電子偵察領域，往往需要天線能夠放置在特制轉臺上轉動，以實現(xiàn)全方位通信、偵察，顯然常規(guī)的短波對數周期天線因其龐大的尺寸而無能為力.因此短波天線的小型化工作具有很重要的意義.

針對實際需求，設計出了一種小型轉動燕尾對數周期天線，天線工作在3～30MHz，縱向長度25 m，橫向長度24m.這種小型化對數周期天線采用感性加載與L型加載結合的方式，實現(xiàn)天線結構的橫向尺寸縮小，采用大τ小σ方式縮小天線結構縱向長度，經過理論仿真計算與實際測試，該天線在短波全波段電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）小于2.3，天線典型增益為8dBi，能夠承受1kW功率，通信距離可達到2 000km.

1 天線工作原理

對數周期天線作為一種非頻變寬帶天線，其依靠諧振振子的自相似性，可以獲得很寬的頻帶寬度，理論上只要天線尺寸足夠大，就可以獲得任意寬的頻帶.但是實際中往往天線的尺寸會受到各種限制，需要對天線進行小型化設計.

燕尾型對數周期天線由于其結構的特殊性，所有振子基本呈“V”型結構，天線結構緊湊，比相同工作頻率的對數周期天線橫向寬度要小，便于天線整體結構轉動.其電氣工作原理與一般對數周期偶極子天線的工作原理相同，即存在傳輸區(qū)、輻射區(qū)、非諧振區(qū)，天線電氣性能不變的頻率滿足

式中τ是對數周期天線的比例因子.

一般燕尾型對數周期天線的結構示意圖如圖1所示.

圖1 燕尾型對數周期天線示意圖

從圖1可以看到，燕尾型對數周期天線中每個振子與集合線夾角均不相同，一般為了縮短橫向長度，最長振子與集合的夾角最小，其余后面逐漸變大.為了保證天線電氣性能的非頻變特性，振子與集合線的夾角也必須按照比例因子逐漸變化，具體的比例關系為

式中：αn為第n個振子與集合夾角；αn＋1為第n＋1個振子與集合線的夾角.這個比例關系構成了燕尾型對數周期天線各個振子自相似的核心.振子長度與振子間距的比例同一般對數周期偶極子天線相同，天線通過各個振子的自相似結構構成非頻變特性.

2 天線參數設計

2.1 天線體參數

為了大幅度縮小對數周期天線的縱向長度，必須合理地分配τ與σ參數.當τ與σ分配不合適時，天線的非頻變性會遭到破壞，在振子全尺寸情況下都不能滿足要求.高性能的小型化對數周期天線設計思路是：首先設計出合適的τ與σ參數，將天線的縱向尺寸縮小至實際需要的空間，此時振子在全尺寸情況工作，必須滿足電性能要求；其次，進行天線的橫向尺寸縮小，將振子尺寸縮小至實際需要的空間內；最后進行感性加載設計，以便振子長度縮小后依然能夠諧振，且諧振頻率不變.

小型化轉動對數周期設計目標是8dBi天線增益，在工作3～30MHz工作頻率電壓駐波比不大于2.5.依據這兩個設計目標，通過指標分析及對結構尺寸的考慮，多次通過模型優(yōu)化，最終確定對數周期天線參數選擇為：τ＝0.81，σ＝0.048，α1＝52.46°，天線面共14對振子，架高20m，整個天線結構尺寸控制在25m以內，為24m（橫向）×25m（縱向）.

2.2 加載設計

天線振子縮短后，在原工作頻率上會呈現(xiàn)很大容性，必須采用感性加載.天線加載有多種方式［4］，本設計根據天線面為軟結構對數周期天線的特點，充分利用邊索的空間，進行振子末端“L”型加載與振子根部加載同時加載的方式.

由于整個天線體采用軟線制作，采用根部集總加載方式.此外為了近一步降低天線Q值［5］，充分利用軟結構天線的特點，振子末端加載利用天線面邊索的一部分作為支節(jié)線，在振子末端進行L型加載，能夠充分改善振子電流分布，提高振子等效長度，同時這樣天線顯得結構緊湊、可靠性高.實際制作中，將需要進行L型加載的振子與加載枝節(jié)線直接電連接，在確定的枝節(jié)線位置處利用絕緣陶瓷將枝節(jié)線與天線邊索斷開.根據縮短振子數量，天線面共需7對振子感性加載，L型加載需要6對.具體加載結構示意圖見圖2.

經過計算以及仿真優(yōu)化后的振子根部加載參數如表1所示.

圖2 轉動對數周期天線加載結構示意圖

表1 小型燕尾對數周期天線加載參數

3 仿真與實測結果

本文設計使用FEKO 5.3版本軟件［6］對天線進行仿真計算，對天線結合實際大地參數進行一體化設計.由于短波天線的特殊性，天線增益與方向圖目前均無有效的測量方法，只能對電壓駐波比進行實際測試.圖3中實線為本文設計的天線的實測電壓駐波比，虛線為理論計算.

圖3 轉動對數周期天線電壓駐波比

從實測結果來看，天線具有良好的電壓駐波比，在短波全波段內電壓駐波比最大不超2.3，與仿真結果吻合，更夠和發(fā)射機或接收機進行良好匹配.

圖4給出了天線的增益仿真結果.仿真結果表明：天線具有8dBi典型增益，天線在低頻增益較低，有6dB的增益，這主要由于天線大幅地壓縮了縱向尺寸，天線在低頻工作時，輻射區(qū)內有效輻射振子少的原因.

圖5～7給出了典型頻率下天線水平面方向圖仿真結果.

圖4 轉動對數周期天線增益曲線

圖5 5MHz水平面方向圖

圖6 14MHz水平面方向圖

圖7 30MHz水平面方向圖

本文設計的小型化對數周期天線通過實際天波信號測試，可有效地進行2 000km通信.通過遠程控制天線轉臺，天線可在360°范圍內進行旋轉，轉速0.2轉／分，定位精度±1°，利用單付天線可實現(xiàn)全方位通信.

4 結 論

本文通過分析燕尾型對數周期天線的工作原理，采用感性加載與L型加載結合的方式，設計出了一種小型化的短波轉動對數周期天線，工作頻率可擴展至短波全波段，而天線僅有25m長，天線增益可達8dBi.實際測試與試驗表明，天線不需要很大場地，即可實現(xiàn)短波全波段、全方位通信.有效地補充了目前短波轉動對數周期天線系列.

［1］CARRELl R L.An Analysis of the Log-periodic Dipole Antenna［R］.Tenth Ann Symp on the VSWF Antenna Research and development program，1960.

［2］DE VITO G，STRACCA G B.Further comments on the design of log-periodic dipole antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，1974，22（5）：714-718.

［3］愛金堡.短波天線［M］.楊淵等譯.北京：人民郵電出版社，1965.

［4］RASHED-MOHASSEL J.A miniaturized log-periodic dipole array［C］／／Sixth Int Cof on Antennas Propagat，1989，1：403-406.

［5］YAGHJIAN A D，BEST S R.Impedance，bandwidth，Q of antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2005，53（4）：1298-1324.

［6］FEKO User’s Manual［M］.Suite 5.3.2007.