一種P波段寬帶端射天線設(shè)計

黃　錦，薛正輝，李偉明，任　武

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

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一種P波段寬帶端射天線設(shè)計

黃錦，薛正輝，李偉明，任武

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

摘要：設(shè)計了一種P波段的寬帶端射天線。該天線以傳統(tǒng)八木天線為基礎(chǔ)，將振子尺寸縮小為原來的一半，并將振子放置在金屬平板上，進而對天線的反射器和引向器進行改進，并通過對天線參數(shù)的仿真優(yōu)化，最終將天線的帶寬擴展到了38.4%，并保證了頻帶內(nèi)相對較高的增益。仿真結(jié)果表明，天線能夠在0.5～0.8 GHz的頻帶之內(nèi)實現(xiàn)良好端射，并保證帶內(nèi)回波損耗均在-10 dB以下，整個頻段內(nèi)天線的方向性系數(shù)均在8.6 dBi以上。

關(guān)鍵詞：P波段；平板端射天線；高增益；擴展帶寬

0引言

P波段相對于厘米波和毫米波等波段具有自身的優(yōu)勢，可以用于反隱身工作。工作在P波段的天線主要形式有碟形天線、印刷偶極子天線、印刷單極子天線以及微帶貼片天線。

八木宇田天線早起被稱為“引向天線”，是一種典型的端射天線，在超短波與微波波段應(yīng)用廣泛[1]。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、饋電方便和指向性好，有一定的增益。缺點是頻帶有限，并且一般用金屬圓柱振子做成，其體積大，重量重，制作精度有限[2]。而文中采用的端射天線類型，是實驗室十多年以來一直研究的天線類型，其各個振子尺寸也變?yōu)樵四咎炀€的一半[3]。它比八木天線輪廓更低，體積縮小將近一半并加上金屬平板[4]。

1天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文中，天線單元以平板端射天線單元為基礎(chǔ)，該天線為實驗室近年來主要研究的天線類型[5]。該天線原型在P波段，可以實現(xiàn)端射的頻段只有170 MHz左右，且其駐波比帶寬也只有96 MHz左右。因此，文中對振子的變型主要是為了擴展可以實現(xiàn)端射的帶寬和駐波比帶寬[6-7]。在反射振子和第1個引向振子上進行阻抗加載，結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)所示[8-9]。

圖1　原結(jié)構(gòu)和改進型天線單元示意圖

1.1在反射振子上進行阻抗加載

為了增強反射器的效果，使天線能夠在較低的頻率處也能夠?qū)崿F(xiàn)端射，在反射振子頂端進行阻抗加載[10]，如圖1所示。加載阻抗1采用圓柱形金屬導(dǎo)體，相當于增大了反射振子的電尺寸，能夠提高反射振子在低頻時的反射效果。

圖2所示為加載阻抗1的高度h1不同時對天線帶寬阻抗匹配和輻射特性的影響，h1取從0.07λ～0.1λ變化。圖中可以看出，加載阻抗1可以擴寬低頻的頻帶，使得天線在低頻處也可以實現(xiàn)良好端射；但是高度的變化對帶寬的影響并不大；主要影響的是中心頻率處的增益，隨著高度的逐漸增加，中心頻點處的主瓣方向性系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但相對于未經(jīng)改造的原型來說，增益下降幅度較大。且從低頻處的方向圖可以看出，通過對反射振子的改造，能夠使天線在低頻時也能正常實現(xiàn)端射。

圖2　加載阻抗1高度變化對天線帶寬和輻射特性的影響

1.2在第一個引向振子上進行阻抗加載

根據(jù)八木天線的特性可以知道，引向器陣元主要控制天線的增益，最敏感的參數(shù)則是引向器的長度。因此，在保證天線尺寸變化不大的條件下，也同樣增加圓柱形金屬(導(dǎo)體加載阻抗2)對第1個引向振子進行改進，能夠使得引向振子獲得更好的引向效果。由于負載阻抗加載在振子底部，因此振子長度也應(yīng)當進行適當?shù)目s短。

圖3表示加載阻抗2的高度h2變化時對天線輻射特性和頻帶特性的影響，取h2從0.032λ～0.087λ變化。從圖中可以看出在引向振子上加載負載后對高頻駐波比帶寬有所展寬，但效果并不突出，且加載阻抗2的高度對駐波比帶寬的影響很小；隨著h2的增大，方向性增益先減小后增大。但是從取某一高度時的天線方向圖中可以看出，在高頻時天線能夠?qū)崿F(xiàn)良好的端射。

在同時保證帶寬和增益的基礎(chǔ)上，取h1=0.065λ和h2=0.035 λ。

圖3　加載阻抗2高度變化時對天線輻射特性和頻帶特性的影響

影響帶寬和輻射特性的因素除了高度以外，還有加載阻抗半徑的變化也可以對天線帶寬的影響[11-12]。

圖4為加載阻抗1和加載阻抗2半徑變化時對天線帶寬的影響。加載阻抗圓柱的半徑取從0.02λ～0.06λ之間變化，隨著阻抗半徑的增加，天線駐波比帶寬卻隨之增大，方向性系數(shù)也隨之減小且幅度較大。在保證方向性系數(shù)的情況下取阻抗半徑盡可能小，因此取半徑為0.027個波長。

圖4　加載阻抗半徑r2變化對頻帶特性和輻射特性的影響

1.3耦合振子半徑對頻帶特性的影響

在此天線單元中，耦合振子的半徑也是考慮的因素之一。因此，在優(yōu)化過程中，取耦合陣子半徑從5～10 mm之間變化。從圖5中可以明顯看出，隨著振子半徑的增加，天線帶寬有明顯減小且回波損耗明顯增大。而且中心頻率出的方向圖變化曲線也顯示出，隨著耦合陣子半徑的尺寸增大，天線中心頻率處的方向性系數(shù)呈線性減小。因此在保證天線增益的情況下，為了盡量擴展天線帶寬，選擇了半徑較小的耦合陣子。

圖5　耦合陣子半徑變化對天線駐波比帶寬的影響

2仿真結(jié)果

以平板八木天線的模型為基礎(chǔ)，在反射振子和第一個引向振子上同時加載阻抗，加之上述對單元的掃參優(yōu)化，最終確定了天線的最佳尺寸：加載阻抗半徑r2=0.027λ，加載阻抗1的h1=0.065λ，加載阻抗2的h2=0.035λ，耦合振子半徑取0.009λ。該天線在保證了端射的基礎(chǔ)之上，盡量避免減小增益的情況下，將天線原有14.1%的駐波比帶寬擴展到了38.4%，且實現(xiàn)良好端射的帶寬從原有的0.57～0.76 GHz擴展到了0.5～0.8 GHz，在整個工作帶寬之內(nèi)，并且該天線單元的方向性系數(shù)都能保證在8.6 dBi以上。仿真結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果與未對反射振子和第1個引向振子進行改造時的結(jié)果進行對比如表1所示。

圖6　改進型天線單元的頻帶特性和輻射特性曲線

對比參數(shù)中心頻率方向性系數(shù)/D(dBi)中心頻率/SLL(dB)上邊頻/MHz下邊頻/MHz駐波比相對帶寬實現(xiàn)端射的頻帶寬度/MHz原有天線單元11.5-12.360269414.1%570～740改進型天線單元9.17-9.755480038.4%500～800

從圖6中可以看出，對天線單元進行阻抗加載后，無論是天線的駐波比帶寬還是工作帶寬都有很大程度的擴寬，但是卻犧牲了一定的增益。雖然文中僅給出中心頻率處的副瓣電平，但從整個頻帶方向圖可以看出，主瓣增益壓縮使得副瓣增大，但是依舊能夠保留了平板端射天線單元自身的優(yōu)點。

3結(jié)束語

本文設(shè)計了一種P波段的高增益寬帶端射天線單元，在八木天線單元的基礎(chǔ)之上，對振子形式進行了改造，實現(xiàn)了0.5～0.8 GHz頻帶內(nèi)的端射，相對帶寬從擴展了將近30%左右，達到了最終的38.4%，且其方向性系數(shù)均在8.6 dBi以上。該改進以天線犧牲天線增益為代價，擴展了天線的帶寬。

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Design of a Broadband End-fire Antenna at P Band

HUANG Jin,XUE Zheng-hui,LI Wei-ming,REN Wu

(School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Abstract：In his paper,a broadband beam end-fire antenna at P-band is designed.On the basis of traditional yagi antenna,this antenna can minimize the original dipole to half of its former size.It also places the monopoles on the metal plate to improve the reflector and directors of this antenna moreover.This antenna successfully expands the bandwidth to 38.4% at the sacrifice of deterioration of pattern through the simulation optimization of antenna parameters,which at the same time ensure the high gain in the relatively frequency band.Simulation results indicate that the antenna can implement good radiation between the frequency band of 0.5 GHz and 0.8GHz,ensure the return loss to be under -10dB,and the direction coefficient of the plate end-fire antenna in the whole band are above 8.6 dBi.

Key words：P-band；plate end-fire antenna；high gain；broadband beam

中圖分類號：TN821+.8

文獻標志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-63-3

作者簡介：黃錦(1989—)，女，碩士研究生，主要研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)，電磁場與微波技術(shù)。薛正輝(1970—)，男，副教授，主要研究方向：電磁場與微波技術(shù)。

收稿日期：2016-01-08

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.17

引用格式：黃錦，薛正輝，李偉明，等.一種P波段寬帶端射天線設(shè)計[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):63-65.