船載短波鞭狀天線的設(shè)計(jì)*

王明啟，馬佩佩，張正平

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 貴州 貴陽 550025;2.安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院 安徽 安慶 246133)

船載短波鞭狀天線的設(shè)計(jì)*

王明啟1，馬佩佩2，張正平1

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 貴州 貴陽 550025;2.安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院 安徽 安慶 246133)

在分析電小天線理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款適用于船載通信的短波鞭狀天線。天線體高度為2 m，內(nèi)徑為100 mm，利用HFSS電磁仿真軟件建立了仿真模型。通過電抗加載來改善天線低頻段阻抗特性，并在天線饋電端進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，使天線在5 MHz～15 MHz頻段內(nèi)阻抗平穩(wěn)，有效增加了帶寬；通過天線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，有效提高了天線效率，增益達(dá)到-15 dB(5 MHz～9 MHz)和-10 dB(9 MHz～15 MHz),電壓駐波比小于1.8，交叉帶寬大于500 KHz。并且其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，抗風(fēng)能力強(qiáng)，符合船載環(huán)境下天線的設(shè)計(jì)需求。

鞭狀天線 有效高度 匹配網(wǎng)絡(luò) 帶寬 駐波比

0 引 言

鞭狀天線是中短波中應(yīng)用最多的天線形式，它屬于電小天線范圍。電小天線是指天線的最小幾何尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的天線。通常，天線的最大幾何尺寸小于1/8至1/10波長(zhǎng)則歸入電小天線范疇，電小天線形式僅能采用一些最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，如對(duì)稱或不對(duì)稱偶極子，鞭狀形式[1]。由于其結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，抗風(fēng)性能好，在海面上，波的損失較小，利用垂直極化波通訊，可以達(dá)到較遠(yuǎn)的距離，且性能穩(wěn)定，干擾電平低，價(jià)格便宜，適用于船載通訊。但是其固有的效率低、頻帶窄和過壓等缺點(diǎn)，一定程度上限制了其發(fā)展。

就上述問題，文中提出一款鞭狀船載短波天線，通過匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、加頂負(fù)載[2]和加接絕緣材料，有效的增加了帶寬，提高了天線的效率。

1 天線電性能分析

1.1 寬帶化

為了實(shí)現(xiàn)鞭天線駐波比的寬帶化，必須減小天線輸入阻抗對(duì)頻率的敏感程度。在短波頻段，集總元件加載是最常用的方法。因電抗加載天線效率高，但頻帶窄，本文采用電抗加載和寬帶匹配相結(jié)合的方法[3]。

采用矩量法計(jì)算該天線的電氣性能[4]。對(duì)于線天線，可用矩量法求解電場(chǎng)積分方程

(1)

Z(z)=Zi(z-zi)

(2)

其中，Zi為加載處的集總元件阻抗，zi為加載元件的位置。

因長(zhǎng)直導(dǎo)線天線表面上的電流關(guān)于z軸對(duì)稱，可將表面電流等效為天線軸上的線電流，即用I(z)dz代替Js(r)dA'。天線體將被分為若干段，每一段上的電流可用一個(gè)多項(xiàng)式來表示，電流函數(shù)描述為

(3)

式中，zi≤z′≤zi+1，i=1,2,…,N+1為分段次序，k=1,2,…,Ni，Ni為第i段(即zi點(diǎn)和zi+1點(diǎn)之間的線段)所取電流多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)。將電流展開函數(shù)代入積分方程，用沿天線軸線的線積分代替沿天線表面的面積分，權(quán)函數(shù)用δ函數(shù)，就可得到一個(gè)矩陣方程，求解這個(gè)矩陣方程即可獲得天線上的電流分布，進(jìn)而計(jì)算出天線的輸入阻抗、電壓駐波比、增益等。

1.2 天線的效率

對(duì)鞭狀天線而言，天線的輻射效率與其有效電尺寸密切相關(guān)。隨著天線尺寸的縮減，天線的損耗會(huì)明顯變大，天線增益與尺寸之間存在矛盾，因此必須綜合權(quán)衡考慮。同時(shí)，較小的天線電尺寸，對(duì)天線駐波影響也很大。

假設(shè)有源鞭狀天線上的電流分布為

(4)

式中，Ii是天線輸入端電流；h為鞭狀天線的高度。依據(jù)有效高度定義，得

(5)

當(dāng)h/λ<0.1時(shí)

(6)

式中,k=2π/λ，λ為波長(zhǎng)，有效高度表征直立天線的輻射強(qiáng)弱，即輻射場(chǎng)強(qiáng)正比于he[5]。

2 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)天線的工作頻帶，天線的中心工作頻率為10 MHz，其對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)為30 m。當(dāng)接收天線高度為2 m，對(duì)應(yīng)其工作波長(zhǎng)的長(zhǎng)度為1/15；對(duì)應(yīng)其低頻段5 MHz，天線的高度只有其工作波長(zhǎng)的1/30，對(duì)天線的增益影響較大。綜合考慮天線結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和三防要求，在滿足增益指標(biāo)的前提下，接收天線采用高度h1為2 m的不銹鋼管，內(nèi)徑為φ為100 mm，外加防護(hù)層；底部饋電，射頻電纜從底座的通孔穿出，連接到匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配網(wǎng)絡(luò)盒體固定在底座上，底座高h(yuǎn)2為750 mm，不銹鋼材質(zhì)，連接法蘭盤半徑R為200 mm；中間加接絕緣材料高度h3為250 mm。天線的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1 左為改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)、右為改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)天線寬帶工作的要求，采用天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工作頻點(diǎn)的駐波匹配，降低天線的電壓駐波比和匹配網(wǎng)絡(luò)損耗，同時(shí)也能提高天線系統(tǒng)的增益指標(biāo)。天調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)由天調(diào)控制器和匹配電路組成。天線實(shí)際匹配電路如圖2所示。其工作原理是天調(diào)控制器根據(jù)天線的工作頻率，選擇匹配電路中相對(duì)應(yīng)開關(guān)的閉合、關(guān)斷，將天線工作頻率分為五個(gè)頻段，從而選擇不同頻段內(nèi)L、C值，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)與天線的匹配。匹配電路與固定匹配電路相比，由于它的調(diào)諧帶寬變窄，因此，天線的駐波比性能較好，網(wǎng)絡(luò)損耗相對(duì)減小。匹配網(wǎng)絡(luò)控制圖如圖3所示。

圖2 匹配電路圖

圖3 匹配網(wǎng)絡(luò)控制圖

3 天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真

為使天線性能指標(biāo)最優(yōu)，需要優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)尺寸、加載及寬帶匹配電路等參量[6]。經(jīng)優(yōu)化確定各元件的值為：L11=9 μH，L1=880 nH，C1=1000 pF，R1=100 Ω，L22=6.8 μH，L2=750 nH，C2=900 pF，R2=68 Ω，L33=3 μH，L3=700 nH，C3=750 pF，R3=75 Ω，L44=2 μH，L4=650 nH，C4=680 pF，R4=51 Ω，L55=1 μH，L5=750 nH，C5=620 pF，R5=62 Ω。

天線增益計(jì)算曲線如圖4所示，天線的駐波仿真曲線如圖5所示?？芍炀€的增益大于-15 dB，在5 MHz～15 MHz工作頻帶內(nèi)駐波小于1.8，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4 天線增益曲線

圖5 天線駐波曲線

4 天線的加工實(shí)測(cè)及改進(jìn)分析

實(shí)際制作了一副鞭狀天線進(jìn)行實(shí)測(cè)。采用有效口徑法測(cè)量，根據(jù)公式可得天線的增益G[7]

(7)

式中，Er為待測(cè)點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)，Pr為待測(cè)點(diǎn)處天線的接收電平。

因天線本身和傳輸線纜的介質(zhì)損耗，以及天線桿體與底座之間分布電容效應(yīng)的影響，實(shí)測(cè)所得增益略小于-15 dB。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

由式(5)可知，要提高天線的效率，需改善天線的傳導(dǎo)電流分布，增加有效高度。

研究發(fā)現(xiàn)，在天線頂端加載半圓形負(fù)載可增大天線頂部的輻射面積，天線與地之間的等效分布電容增大，容抗減小，使得頂端輻射電流增大，整個(gè)天線上的傳導(dǎo)電流分布變得均勻，天線的有效高度得到增加，從而提高了鞭狀天線的效率。

同時(shí)，在天線桿體與底座之間加接絕緣材料，可有效減小分布電容的影響，進(jìn)一步提高天線的效率，使增益大于-15 dB。進(jìn)過反復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定絕緣材料高度為250 mm。改進(jìn)后實(shí)測(cè)的天線增益曲線如圖4所示，天線實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 天線的實(shí)物圖

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一副船載短波鞭狀天線，通過電抗加載及寬帶匹配的方法，有效的增加了天線的帶寬。采用矩量法計(jì)算天線特性，并優(yōu)化得到天線體及匹配電路參數(shù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)初步達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。再經(jīng)過加頂負(fù)載使天線頂端輻射電流增大、在天線桿體與底座之間加接絕緣材料用以抵消天線的一部分容抗，改善天線的傳導(dǎo)電流分布，相當(dāng)于增加了天線的有效高度，進(jìn)一步提高了天線的效率。對(duì)比可知，該天線體積更小、帶寬較寬、損耗低、性能穩(wěn)定，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

由于該天線低頻分量衰減較大，對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)過于敏感，使得調(diào)試過程較為困難，并導(dǎo)致低頻部分帶寬很窄。就這一問題，后續(xù)將進(jìn)行深入研究。

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WANG Ming-qi (1988-), male, graduate student, majoring in microwave technology and modern communication.

馬佩佩(1990-)，女，學(xué)士，主要研究方向：通信新技術(shù);

MA Pei-pei (1990-),female,B.Sci., majoring in new technology of communication.

張正平(1964-)，男，教授，主要研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)，微波器件，信號(hào)處理。

ZHANG Zheng-ping(1964-),male,professor,mainly engaged in physical electronics,micravave devices and signal processing.

Shipborne Short-Wave Whip Antenna

WANG Ming-qi1,MA Pei-pei2，ZHANG Zheng-ping1

(1.College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550000,China;2.College of Physics and Electrical Engineering, Anqing Normal University, Anqing Anhui 246133,China)

Based on the theory of electrically small antenna, a short-wave whip antenna for shipborne communication is designed. Antenna is 2m in height and 100 mm in inside diameter. A simulation model is established with electromagnetic simulation software HFSS. The low-frequency band impedance characteristic of antenna is improved by reactance loading. The matching network design is implemented at antenna feed-end,thus to make the antenna impedance stable in the range of 5MHz-15MHz and effectively improve the bandwidth. By modyfying the structure, the antenna efficiency also acquires significant improvement, and the gain reaches -15dB (5MHz-9MHz) and -10dB (9MHz-15MHz), and VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) is less than 1.8 while cross bandwidth being greater than 500KHz. Moreover, the designed antenna is compact in structure, small in volume and strong in wind resistance,and thus completely meet the design requirements for shipborne environment.

whip antenna; effective height; matching network; bandwidth; VSWR

date:2014-09-27；Revised date：2015-01-30

TN713.5

A

1002-0802(2015)03-0371-04

王明啟(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：微波技術(shù)與現(xiàn)代通信;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.03.024

2014-09-27；

2015-01-30