儀表著陸系統(tǒng)對數(shù)周期天線的小型化設(shè)計(jì)

張龍裔

摘要：儀表著陸系統(tǒng)中航向天線主要采用標(biāo)準(zhǔn)化的對數(shù)周期天線，本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種能有效減小對數(shù)周期天線縱向尺寸的方法。首先利用螺旋天線設(shè)計(jì)對數(shù)周期天線，然后根據(jù)低頻螺旋天線的長度和間隔因子重新計(jì)算螺旋天線單元之間的間距，最后按計(jì)算得到的間距重新排列螺旋天線單元。從仿真結(jié)果看出，所設(shè)計(jì)的小型化對數(shù)周期天線具有較好的阻抗性能，而且在108-112 MHz頻段內(nèi)天線的增益為6.88±0.1 dBi，同時(shí)天線橫向和縱向尺寸與傳統(tǒng)對數(shù)周期天線相比分別減小了31.56%和30.73%。

關(guān)鍵詞： 對數(shù)周期天線；小型化天線；螺旋天線

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0198-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design of Miniaturized Log-Periodic Antenna in Instrument Landing System

ZHANG long-yi

（ATMB Application Technology Laboratory， Guangzhou 510405， China）

Abstract： The LOC antenna of Instrument Landing System is mainly using standardized Log-Periodic Antenna.This paper proposed an efficient method to reduce the longitudinal size of a log-periodic antenna based on previous researches. First by using helical antennas to design a log-periodic antenna. Then recalculate the space between helical antenna elements according to the length of the helical antenna working at lower frequency and the spacing factor .At last rearrange the helical antenna elements by using these parameters. The simulated results show that the antenna has good impedance performance and the gain is about 6.88±0.1 dBi from 108 to 112 MHz. Moreover， compared with the conventional log-periodic antenna， the transverse and longitudinal sizes of the proposed antenna are reduced about 31.56% and 30.73%， respectively。

Key words： Log-periodic antenna； miniaturized antenna； helical antenna

1 引言

對數(shù)周期天線是一種性能優(yōu)良的超寬帶非頻變天線。典型的對數(shù)周期天線是采用直偶極子陣列周期排列而成，這種天線成為對數(shù)周期振子天線LPDA（Log-Periodic Dipole Antennas）。由于對數(shù)周期振子天線具有工作頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、增益高、加工方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測向、通信、電子對抗等方面。在航空領(lǐng)域，儀表著陸系統(tǒng)航向天線采用的就是典型的對數(shù)周期天線。在短波和微波頻段，在許多工程實(shí)踐中，都有場地和架設(shè)條件的限制，由于傳統(tǒng)的對數(shù)周期振子天線尺寸較大，限制了它的使用。

自從20世紀(jì)50年代對數(shù)周期天線問世以來，研究人員就如何減小天線的尺寸做了大量的研究。文獻(xiàn)[1]中介紹了一種采用多個(gè)工作在法向模的螺旋天線[1]代替直偶極子天線設(shè)計(jì)而成的螺旋對數(shù)周期天線。由于螺旋天線可以極大地減小天線高度，所以這種螺旋對數(shù)周期天線具有比傳統(tǒng)天線更小的尺寸。對偶極子天線進(jìn)行加載[2]，也是常用的減小對數(shù)周期天線尺寸的方法。有些研究人員通過把偶極子臂進(jìn)行彎曲處理來減小對數(shù)周期天線的尺寸，這種方法稱為彎曲偶極子法[3]。分形結(jié)構(gòu)由其特殊性能也被廣泛地應(yīng)用到對數(shù)周期天線的小型化設(shè)計(jì)中[4-6]。雖然對數(shù)周期天線的小型化做了很多研究，但是這些研究基本是通過減小偶極子是尺寸來減小對數(shù)周期天線的橫向尺寸。由于采用這些方法設(shè)計(jì)的天線，偶極子與偶極子之間的間距不變，所以對數(shù)周期天線的縱向大小沒有變化。即這些小型化方法只是減小了對數(shù)周期天線的橫向尺寸，無法減小其縱向尺寸。文獻(xiàn)[7]通過增大對數(shù)周期天線的張角[7]來減小天線的縱向尺寸，但是張角變大時(shí)會引起天線增益的降低，同時(shí)天線駐波比也會增大。

本文在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上提出了一種可以大幅度減小對數(shù)周期縱向尺寸的設(shè)計(jì)方法。在螺旋對數(shù)周期天線的基礎(chǔ)上，利用低頻螺旋天線的長度和間隔因子

重新計(jì)算各螺旋天線單元之間的間距，并按此間距重新排列螺旋天線單元。仿真結(jié)果表明天線在108-112 MHz頻段的增益為6.88±0.1 dBi，同時(shí)天線橫向和縱向尺寸與傳統(tǒng)對數(shù)周期天線相比分別減小了31.56%和30.73%。

2 對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)和基本原理

傳統(tǒng)的對數(shù)周期振子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由N個(gè)平行排列的偶極子單元組成的。從低頻到高頻偶極子的長度分別為L1，L2，L3，……，LN。偶極子之間的間距分別d1，d2，d3，……，dN-1。

3.1 傳統(tǒng)對數(shù)周期天線

當(dāng)采用傳統(tǒng)的七單元對數(shù)周期天線設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，此時(shí)我們稱其為天線1。它是由七個(gè)平行排列的偶極子組成的，天線上下兩層金屬平面的間距為h。偶極子臂的寬度均為W=60 mm。由三維電磁場仿真軟件仿真得到工作在97 MHz的偶極子長度L1=1350 mm，根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算得出其它偶極子單元的長度分別為L2=1237.95 mm、L3=1135.2 mm、L4=1040.98 mm、L5=954.58 mm、L6=875.35 mm、L7=802.69 mm、偶極子之間的間距分別d1=456.3 mm、d2=418.43 mm、d3=383.7 mm、d4=351.85 mm、d5=322.65 mm、d6=295.87 mm。此時(shí)天線的整體大小為2288.8 mm×1350 mm×10mm。為了使天線獲得較好的匹配，采用漸變帶狀線進(jìn)行饋電，饋線的起始和結(jié)尾端寬度分別為Ws=42 mm，We= 20 mm。

3.2 螺旋對數(shù)周期天線

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，當(dāng)采用螺旋天線代替圖2中的偶極子天線時(shí)，可以得到橫向小型化螺旋對數(shù)周期天線如圖3所示，我們稱這款天線為天線2。該天線中螺旋天線之間的間距與圖2中偶極子單元直接的間距相同。

螺旋天線的尺寸由三個(gè)參數(shù)決定，即螺旋半徑R，螺旋間距P和螺旋圈數(shù)Nh。這里我們選取R=30 mm，P=100 mm。通過仿真我們的得出當(dāng)螺旋天線的螺線長度等于偶極子長度時(shí)，螺旋天線的工作頻率要高于偶極子天線長度，所以我們需要增大螺旋天線的圈數(shù)。經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，得出螺旋天線的圈數(shù)由以下公式計(jì)算即可滿足要求：

式中Nhn表示第n個(gè)偶極子單元所對應(yīng)的螺旋天線的圈數(shù)，Ln表示第n個(gè)偶極子單元的長度。因此我們可以計(jì)算出每個(gè)螺旋天線的圈數(shù)分別為：Nh1= 4.62、Nh2= 4.24、Nh3= 3.89、Nh4= 3.57、Nh5= 3.27、Nh6= 3、Nh7= 2.75。此時(shí)所設(shè)計(jì)的螺旋對數(shù)周期天線整體大小為2288.8 mm×924 mm×130mm。可以看出此時(shí)天線2的縱向長度與天線1相同，都為2288.8 mm，但是橫向長度卻比天線1減小了31.56%。

3.3 小型化對數(shù)周期天線

我們在天線2的基礎(chǔ)上提出了一種進(jìn)一步縮小天線縱向尺寸的方法。該方法設(shè)計(jì)的小型化對數(shù)周期天線與天線2中螺旋天線尺寸相同，不同的是螺旋天線之間的間距。具體做法是：以最低頻率螺旋天線的長度L12為基準(zhǔn)，通過公式（2）和公式（3）重新計(jì)算各螺旋線之間的間距，即：

mm×130mm，縱向長度減小了30.73%。

3.4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證天線的性能，我們對著三款天線進(jìn)行了仿真分析。仿真得到的天線反射系數(shù)對比結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，天線1在102-120 MHz頻段范圍內(nèi)，反射系數(shù)均小于-15 dB，表面天線具有較好的阻抗匹配性能。天線2在98-112 MHz以及118-127 MHz 頻段內(nèi)，反射系數(shù)均小于-15 dB。由于直接采用天線1的饋線寬度，所以阻抗相對天線1來說有所變差。但是通過優(yōu)化饋線寬度Ws和We，天線2可以在需要的頻段內(nèi)得到更好的匹配。天線3在102-116 MHz以及128-133 MHz頻段內(nèi)反射系數(shù)小于-15 dB。所以在儀表著陸系統(tǒng)航向天線所需要的頻段108-112 MHz內(nèi)，所設(shè)計(jì)的天線具有較好的阻抗性能。從這幅圖還我們可以看出，天線3和天線2的反射系數(shù)曲線趨勢相同，只是頻率有所偏移。因此可以認(rèn)為我們所提出的小型化對數(shù)周期天線并不影響天線的阻抗性能。

圖6給出了三款天線的增益對比圖。從圖中可以看出，天線1增益大于9 dBi，在108-112 MHz頻段內(nèi)，增益為9.8±0.2 dBi。天線2和天線3增益相當(dāng)，但是都小于天線1的增益，這是因?yàn)樘炀€2和天線3的尺寸較小，所以天線輻射口徑減小，增益降低。這是小型化天線均具有的特征。天線3雖然比天線2更小，但是在108-112 MHz頻段內(nèi)，增益差別小于0.25 dB。天線3增益為6.88±0.1 dBi，雖然比天線1低了3dB左右，仍然具有較大的增益。

圖7給出了天線2和天線3在頻率為110 MHz時(shí)的E面和H面方向圖。從圖中可以看出，兩款天線E面和H面方向圖基本吻合，這說明我們說設(shè)計(jì)的小型化對數(shù)周期天線（天線3）對天線的輻射性能基本沒有影響。

綜上所述我們所設(shè)計(jì)的小型化對數(shù)周期天線無論是阻抗還是輻射性能均與天線2相當(dāng)，但是縱向尺寸減小了30.73%。與儀表著陸系統(tǒng)航向天線通用的對數(shù)周期天線相比，所設(shè)計(jì)的天線3橫向尺寸減小了31.56%，縱向尺寸減小了30.73%。

4 結(jié)論

儀表著陸系統(tǒng)航向天線采用對數(shù)周期天線陣來為飛機(jī)提供航向信號，本文在傳統(tǒng)的螺旋對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的小型化對數(shù)周期天線，在減小天線縱向尺寸的同時(shí)，保持了良好的阻抗和輻射性能。從仿真結(jié)果看出，所設(shè)計(jì)的小型化對數(shù)周期天線在108-112 MHz頻段天線增益為6.88±0.1 dBi，同時(shí)天線橫向和縱向尺寸與傳統(tǒng)對數(shù)周期天線相比分別減小了31.56%和30.73%。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】