一種小型化超寬帶單極子短波天線設(shè)計(jì)

譙 丹，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064)

0 引言

短波能夠通過電離層反射實(shí)現(xiàn)上千至上萬千米的遠(yuǎn)距離通信，并且不像衛(wèi)星等遠(yuǎn)距離通信手段容易在戰(zhàn)爭時(shí)受到敵方攻擊，因此迄今在政府、軍事和外交領(lǐng)域起到不可或缺的作用。

短波天線作為短波通信中的核心器件，通常需要同時(shí)滿足以下條件，即，① 超寬頻帶性能：短波頻段為3～30 MHz，達(dá)到10個倍頻程，要求短波天線具有超寬帶性能，我國一些短波通信應(yīng)用甚至要求天線能夠覆蓋2～30 MHz的頻段[1]；② 小型化性能：短波波長可達(dá)十米甚至百米，造成短波天線尺寸龐大。因此，在實(shí)現(xiàn)超寬帶性能的同時(shí)，短波天線也需實(shí)現(xiàn)與其相矛盾的小型化目標(biāo)；③ 結(jié)構(gòu)簡潔:短波天線尺寸巨大，最小的尺寸一般也有數(shù)十米長，因?yàn)橐筇炀€結(jié)構(gòu)足夠簡潔，以降低加工制作和安裝架設(shè)的成本和難度；④ 輻射類型與波束仰角可調(diào):不同的通信應(yīng)用要求短波天線具有全向或定向發(fā)射/接收特性。此外，針對不同通信距離，以及電離層高度在全天不同時(shí)刻變化，要求短波天線波束指向仰角在一定程度上進(jìn)行改變[2]。這些嚴(yán)苛要求導(dǎo)致短波天線設(shè)計(jì)迄今仍是巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。

在目前國內(nèi)外研究中，現(xiàn)有短波天線以及超寬帶天線的形式較多，而大多數(shù)天線依舊無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化、超寬帶和波束指向可調(diào)節(jié)的性能，結(jié)構(gòu)并不簡潔，難以架設(shè)。如文獻(xiàn)[3]中的飛魚天線雖然具有3～30 MHz的超寬頻帶，天線長度卻長達(dá)90 m，高度高達(dá)32 m，同時(shí)還需加載吸收電阻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)[4]中的雙極天線、文獻(xiàn)[5]中的蝶形天線與文獻(xiàn)[6]中的菱形天線尺寸雖小，但只能實(shí)現(xiàn)2個倍頻程的頻帶寬度，并且不具備波束指向可調(diào)節(jié)的功能。文獻(xiàn)[7]中的對數(shù)周期天線，雖然通過加載的方式實(shí)現(xiàn)小型化與頻帶擴(kuò)展，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且無法實(shí)現(xiàn)波束指向調(diào)節(jié)。若是將傳統(tǒng)的超寬帶天線運(yùn)用于短波頻段，其設(shè)計(jì)也大多存在尺寸偏大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，例如傳統(tǒng)的Vivaldi天線[8]、雙錐天線[9]和偶極子天線[10]，電尺寸基本接近或者大于半個波長，且這樣的結(jié)構(gòu)也并不適用于在短波通信中架設(shè)。綜上所述，傳統(tǒng)的超寬帶天線和短波天線都無法同時(shí)滿足上述需求。

本文以結(jié)構(gòu)簡潔的單極子天線為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款新型的小型化超寬帶單極子短波天線。該單極子短波天線采用金屬線結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡潔；通過設(shè)計(jì)的T型饋電結(jié)構(gòu)以及分形結(jié)構(gòu)，改善和增加電流的流動路徑，從而在獲得超寬的阻抗特性的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。再通過調(diào)節(jié)天線離地高度以及其輻射振子的旋轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)了天線定向/全向輻射以及輻射波束仰角的改變。該天線能同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化和超寬帶性能，并且還具有結(jié)構(gòu)簡單、波束仰角可調(diào)、全向/定向輻射的特點(diǎn)。

1 新型單極子天線設(shè)計(jì)和性能分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)

天線的主要結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，由饋電圓盤、T型饋電結(jié)構(gòu)以及天線的輻射主體組成。T型饋電末端與50 Ω微帶轉(zhuǎn)接頭(SMA)內(nèi)導(dǎo)體直接相連接，SMA外導(dǎo)體與饋電圓盤相連。分形輻射振子為16根半徑為60 mm的金屬線(尼龍繩外套金屬圓環(huán))組成。將天線放置于無限大地上，饋電圓盤離地高度為H3，天線的輻射振子與水平面所成夾角為α。通過改變旋轉(zhuǎn)角的大小，以及離地高度便可實(shí)現(xiàn)全向/定向輻射和定向俯仰角可調(diào)特性。天線的主要參數(shù)如表1所示。

(a) 天線結(jié)構(gòu)3D圖

(b) 天線平面結(jié)構(gòu)圖1 天線結(jié)構(gòu)和尺寸Fig.1 Antenna structure VSWR

表1 天線的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 仿真阻抗帶寬

VSWR仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知，天線在3～30 MHz頻段內(nèi)可滿足VSWR<2.5(10個倍頻程)，呈現(xiàn)出良好的超寬帶特性。

圖2 VSWR仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of VSWR

1.3 全向/定向輻射仿真方向圖

確定天線基本結(jié)構(gòu)后，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角α以及離地高度H3，即可實(shí)現(xiàn)頻帶內(nèi)全向或定向輻射特性。在工程應(yīng)用中，可采用3根玻璃鋼材質(zhì)的升降桿對天線進(jìn)行支撐，以此達(dá)到以上參數(shù)的實(shí)際調(diào)整，且不會對天線本身性能造成影響。

當(dāng)天線輻射體不傾斜，即α=90°時(shí)，天線即可實(shí)現(xiàn)全向輻射特性，其全向輻射歸一化3D方向圖如圖3所示。若需實(shí)現(xiàn)定向輻射，可通過調(diào)整相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一定程度上不同頻點(diǎn)時(shí)的波束指向仰角變化。表2為部分頻率對應(yīng)俯仰角的結(jié)構(gòu)參數(shù)。天線部分頻點(diǎn)的定向仿真歸一化方向圖如圖4所示。

表2 不同頻率對應(yīng)俯仰角的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 全向輻射歸一化3D方向圖Fig.3 Omnidirectional radiation 3D pattern

(a) f=3 MHz，波束仰角=0°

(b) f=5 MHz，波束仰角=-6°

(c) f=10 MHz，波束仰角=50°

(d) f=20 MHz，波束仰角=-20°

2 天線縮比樣品制作和測試

由于短波天線尺寸巨大，加工成本過高，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，對天線進(jìn)行縮比加工。將天線縮小300倍，頻段調(diào)整至微波頻段，選取其中1 GHz時(shí)的定向輻射情況進(jìn)行縮比加工驗(yàn)證，此時(shí)α=30°，H3=21.80 mm，仿真波束仰角為60°。

由于微波頻段時(shí)該天線的尺寸僅有77 mm大小，并不適合加工金屬線結(jié)構(gòu)，因此使用相應(yīng)形狀的金屬面代替。為了模擬離地架設(shè)情況，使用邊長為250 mm的正方形銅箔置于天線下方，中間使用泡沫板隔開。為了精準(zhǔn)固定輻射振子角度，本文采用3D打印技術(shù)制作了支撐結(jié)構(gòu)，再根據(jù)輻射振子的形狀進(jìn)行銅箔粘貼。饋電圓盤部分則采用介電常數(shù)為2.2的單面附銅的PCB材料。通過將二者組裝起來，從而得到一個完整的單極子天線樣品。制作完成后的單極子天線如圖5所示。

圖5 天線實(shí)物Fig.5 Antenna prototype

2.1 阻抗帶寬

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工好的單極子天線進(jìn)行VSWR曲線測試，如圖6所示。

圖6 VSWR的仿真與實(shí)測對比Fig.6 Comparison between simulation and measurement of VSWR

由圖6可以看出，使用面結(jié)構(gòu)替代線結(jié)構(gòu)造成的性能差異不大。金屬面結(jié)構(gòu)的仿真與實(shí)測結(jié)果雖然存在一定的差別，但基本吻合，天線在1～10 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)VSWR<2.5(10個倍頻程)，呈現(xiàn)出良好的超寬帶特性。

2.2 方向圖

利用微波暗室對該小型化超寬帶單極子天線的H面方向圖進(jìn)行測試。圖7展示了該天線的H面仿真和實(shí)測方向圖對比。從圖形來看，其特定頻點(diǎn)1 GHz時(shí)的波束仰角角度仿真與實(shí)測基本一致，且定向增益可達(dá)4.69 dBi，其余頻點(diǎn)的仿真與實(shí)測結(jié)果也基本吻合?？梢娫搯螛O子天線在特定頻點(diǎn)具有良好的定向輻射特性。

(a) 1 GHz

(b) 4 GHz

(c) 10 GHz

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型小型化超寬帶單極子短波天線。該天線采用金屬線結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡潔；通過分形結(jié)構(gòu)以及T型饋電結(jié)構(gòu)，使得該天線實(shí)現(xiàn)了超寬工作頻帶和小型化特性；并且該天線能夠?qū)崿F(xiàn)全向或定向輻射，同時(shí)能通過調(diào)整輻射振子的旋轉(zhuǎn)角和離地高度，實(shí)現(xiàn)波束輻射仰角調(diào)節(jié)在實(shí)現(xiàn)小型化和超寬帶性能的同時(shí)，還具有結(jié)構(gòu)簡單、全向/定向輻射、波束仰角可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，在短波通信中具有重要應(yīng)用價(jià)值。