寬帶小型化超短波刀型天線(xiàn)設(shè)計(jì)?

曹永恒 李文華

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）（2.西安電子科技大學(xué) 西安 710071）

1 引言

船舶遠(yuǎn)洋通信的發(fā)展，對(duì)艦船的超短波通信提出越來(lái)越高的要求，要求天線(xiàn)集成化、小型化和平面化，可將天線(xiàn)嵌入、集成到上層建筑中，實(shí)現(xiàn)與船舶的一體化和隱身設(shè)計(jì)。通常情況下用于艦載超短波頻段的通信天線(xiàn)形式為振子天線(xiàn)，如分支振子、折合振子、盤(pán)錐振子等，這種天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是天線(xiàn)尺寸較大。為了便于安裝和確保天線(xiàn)的魯棒性和低RCS（雷達(dá)散射截面積），有必要對(duì)其進(jìn)行小型化。此外傳統(tǒng)的振子天線(xiàn)帶寬較窄，難以滿(mǎn)足實(shí)際艦船多信道開(kāi)通的通信要求，所以要對(duì)其進(jìn)行寬帶化設(shè)計(jì)。目前實(shí)現(xiàn)寬頻帶、小型化的手段大多為曲流技術(shù)、加載技術(shù)及引入漸變結(jié)構(gòu)等［6～12］，但是對(duì)工作在30MHz～88MHz的超短波天線(xiàn)而言，其對(duì)低頻段的改善效果并不明顯，難以同時(shí)滿(mǎn)足寬帶和小型化的要求。

本文設(shè)計(jì)了一種具有小型化、寬頻帶的超短波刀型天線(xiàn)。通過(guò)在天線(xiàn)表面開(kāi)多條引流縫隙延長(zhǎng)電流路徑，實(shí)現(xiàn)了小型化。除此之外，通過(guò)引入斷流縫隙、加載集總元件以及π型匹配網(wǎng)絡(luò)展寬天線(xiàn)帶寬，使天線(xiàn)能在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)全頻段S11＜-5dB的阻抗匹配。天線(xiàn)的全向性能也較好，水平方向增益在-10dBi左右。最后制作天線(xiàn)縮比模型進(jìn)行實(shí)測(cè)，經(jīng)對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果有較高一致性。

2 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

刀型天線(xiàn)看作單極子天線(xiàn)的變形，天線(xiàn)與地面有一個(gè)傾角［13］，傾角的大小會(huì)影響天線(xiàn)的增益以及帶寬。

在超短波頻段內(nèi)，天線(xiàn)與金屬材質(zhì)的船體結(jié)構(gòu)相距在0.1個(gè)波長(zhǎng)以?xún)?nèi)，天線(xiàn)周?chē)碾姶怒h(huán)境對(duì)天線(xiàn)方向圖影響很大，所以要將船體的結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)，再進(jìn)行整體仿真研究。在設(shè)計(jì)超短波天線(xiàn)之前，需要根據(jù)超短波天線(xiàn)實(shí)際安裝的空間環(huán)境來(lái)進(jìn)行建模。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，這里采用金屬地板來(lái)模擬實(shí)際船體。此外，為了滿(mǎn)足艦載電子設(shè)備要求，將饋電點(diǎn)置于天線(xiàn)底部，有利于降低能量在同軸線(xiàn)纜中的傳輸損耗以及減小對(duì)船體內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)的影響，從而提高天線(xiàn)的效率。所設(shè)計(jì)的刀型天線(xiàn)如圖1（a）所示，其中La=45.5cm，Lb=51.9cm，H=64.9 cm，θ1=52°。

圖1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及反射系數(shù)

圖1（b）給出天線(xiàn)的反射系數(shù)。由圖1（b）可知，由于天線(xiàn)尺寸的限制，天線(xiàn)在低頻段不能有效諧振，反射系數(shù)接近于0，只有部分高頻段的反射系數(shù)低于-5dB（對(duì)應(yīng)VSWR=3.5）。圖2（a）給出原天線(xiàn)在50MHz頻率處的電流分布，可以看出電流方向沿斜邊向下，因此可以通過(guò)采用曲流技術(shù)，延長(zhǎng)電流的有效路徑，從而擴(kuò)展天線(xiàn)帶寬。

圖2 開(kāi)引流縫隙對(duì)天線(xiàn)性能的影響

這里采用開(kāi)引流縫隙的方式實(shí)現(xiàn)曲流。圖2（b）給出引流縫隙的位置以及電流分布。易知，在引流縫隙影響下，電流方向由初始的沿尾翼兩側(cè)縱向向下，變?yōu)槔@開(kāi)縫隙向下，有效延長(zhǎng)了天線(xiàn)的電流路徑。此外，圖2（c）表明開(kāi)引流縫隙能夠增強(qiáng)天線(xiàn)在高頻段的諧振特性，同時(shí)適當(dāng)展寬高頻段帶寬，駐波比小于3.5的頻段范圍由原先的67.46MHz～81.40MHz改善為68.79MHz～88MHz，這也印證了開(kāi)引流縫隙展寬帶寬的有效性。

然而，這種拓寬帶寬的效果并不明顯，原因是天線(xiàn)的阻抗特性較差，尤其是在低頻段。圖3（b）虛線(xiàn)部分給出天線(xiàn)開(kāi)引流縫隙后的阻抗特性曲線(xiàn)，可以看出由于天線(xiàn)尺寸的限制，天線(xiàn)在低頻段阻抗實(shí)部較小，虛部較大且為容性，隨著頻率的升高容值逐漸增大，在70MHz以后阻抗虛部變?yōu)楦行?，并逐漸增大。因此，通過(guò)在天線(xiàn)電流路徑上開(kāi)斷流縫隙引入寄生電容，相當(dāng)于容性加載，使得天線(xiàn)阻抗在全頻段呈容性，從而改善天線(xiàn)在高頻段的阻抗特性。

圖3（a）所示為天線(xiàn)表面開(kāi)斷流縫隙后的電流分布，電流先沿曲流路徑向下，再沿?cái)嗔骺p隙兩側(cè)向下流動(dòng)。圖3（b）給出天線(xiàn)表面開(kāi)斷流縫隙對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗的影響。

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圖3 開(kāi)斷流縫隙對(duì)天線(xiàn)性能的影響

圖3（b）表明天線(xiàn)表面開(kāi)斷流縫隙減小了阻抗虛部，有效地改善了天線(xiàn)在高頻段的阻抗特性，同時(shí)有利于帶寬進(jìn)一步展寬和實(shí)現(xiàn)匹配。

盡管對(duì)天線(xiàn)表面進(jìn)行開(kāi)縫僅能改善高頻段天線(xiàn)的帶寬，但其對(duì)低頻段的改善并不明顯，體現(xiàn)在輸入阻抗上，即實(shí)部依然較小，而虛部較大，匹配特性較差，能量無(wú)法有效輻射。所以通過(guò)加載技術(shù)對(duì)阻抗進(jìn)行改善，從而拓寬天線(xiàn)帶寬。

這里采用在斷流縫隙中加載電阻和電感的方式改善阻抗特性。圖4為加載不同電阻、電感對(duì)反射系數(shù)的影響，可以看出當(dāng)電阻R1=65Ω，電感L=200nH時(shí)天線(xiàn)的諧振特性最好，同時(shí)帶寬最寬。

圖4 加載不同電阻、電感對(duì)反射系數(shù)的影響

最終得到超短波天線(xiàn)整體的結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，尺寸為 0.11λ*0.08λ（λ為中心頻率 50MHz相應(yīng)波長(zhǎng)）。模型尺寸如表1所示。

圖5 改進(jìn)后刀型天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果

表1 超短波天線(xiàn)具體尺寸（單位：mm）

觀(guān)察圖5（b）所示全波仿真的電流分布，與前文分析得到的電流分布基本一致，驗(yàn)證了電流分析的正確性。

由圖5（c）可知，加載電阻與電感后的超短波天線(xiàn)阻抗特性得到有效改善，具體表現(xiàn)為阻抗實(shí)部和虛部均增大，顯著展寬了天線(xiàn)帶寬。圖5（d）所示天線(xiàn)在水平方向上最大增益也在-10dBi左右，具有良好的水平全向性。

3 寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如上所述，對(duì)天線(xiàn)表面開(kāi)縫以及加載技術(shù)有效地展寬了天線(xiàn)的帶寬，但是從圖7虛線(xiàn)部分可以看出，在超短波天線(xiàn)的工作頻段30MHz～88MHz內(nèi)仍未實(shí)現(xiàn)完全匹配，所以需要采用加載寬帶匹配。

網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)寬頻帶的阻抗匹配。這里我們采用π型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配，圖6給出匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

圖6 寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的傳輸矩陣為

利用傳輸參數(shù)A和散射參數(shù)S之間的關(guān)系

可以由天線(xiàn)輸入端的S參數(shù)反推出與之對(duì)應(yīng)的A參數(shù)。

由A矩陣的級(jí)聯(lián)性質(zhì)可知，整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)輸入端的A矩陣為

通過(guò)上述理論計(jì)算，結(jié)合S參數(shù)和A參數(shù)轉(zhuǎn)換式，即可得出天線(xiàn)系統(tǒng)整體的S參數(shù)。天線(xiàn)在全頻段內(nèi)滿(mǎn)足阻抗匹配的情況下，可得最優(yōu)電路參數(shù)值：L1=249.8nH，L2=152.8nH，C1=66.3pF。匹配前后天線(xiàn)反射系數(shù)對(duì)比曲線(xiàn)如圖7所示，與未加寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)相比，該天線(xiàn)系統(tǒng)在全頻段具有良好的匹配特性。具體表現(xiàn)為在30MHz～88MHz頻段內(nèi)反射系數(shù)低于-5dB（對(duì)應(yīng)VSWR=3.5），近似低于-10dB（對(duì)應(yīng)VSWR=1.92）。

圖7 寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線(xiàn)反射系數(shù)的影響

4 實(shí)測(cè)分析

由于該超短波天線(xiàn)物理尺寸較大且頻段較低，在當(dāng)前條件下天線(xiàn)的加工和測(cè)試都有一定難度，因此我們考慮采用加工天線(xiàn)縮比模型對(duì)原天線(xiàn)進(jìn)行下一步的測(cè)試驗(yàn)證。根據(jù)經(jīng)典Maxwell理論，一種電磁結(jié)構(gòu)在某一給定的頻率f時(shí)所具有的性質(zhì)將和該結(jié)構(gòu)所有的物理尺寸均以1/n的比例縮小后，在nf頻率時(shí)的性質(zhì)近似相同，此即為電磁縮比測(cè)量理論的原理。加工的天線(xiàn)縮比模型如圖8所示，此時(shí)加載的電阻R1=65Ω，電感L=200nH。

圖8 超短波天線(xiàn)10.5倍縮比模型實(shí)物圖

對(duì)寬帶超短波天線(xiàn)縮比模型進(jìn)行寬帶匹配，采用外加匹配電路板的形式對(duì)縮比超短波天線(xiàn)模型進(jìn)行饋電，并在微波暗室進(jìn)行測(cè)試，縮比天線(xiàn)模型測(cè)試場(chǎng)景如圖9所示。

圖9 測(cè)試環(huán)境

圖10中顯示了天線(xiàn)縮比模型加載π型匹配網(wǎng)絡(luò)前后的反射系數(shù)變化情況。與仿真結(jié)果相比，實(shí)測(cè)結(jié)果在頻率為300MHz左右匹配后的反射系數(shù)較好，在頻率為400MHz左右的部分頻段較差，整體來(lái)看天線(xiàn)縮比模型全頻段基本滿(mǎn)足VSWR<3.5，天線(xiàn)阻抗帶寬得到明顯改善，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的有效性。

圖10 匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線(xiàn)反射系數(shù)的影響

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種寬頻帶、小型化的超短波刀型天線(xiàn)。首先對(duì)天線(xiàn)表面開(kāi)多條引流縫隙實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的小型化。此外，通過(guò)開(kāi)斷流縫隙、加載集總元件以及π型匹配網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)在30MHz～88MHz的阻抗匹配（VSWR<3.5），水平方向增益在-10dBi左右。最后對(duì)該天線(xiàn)加工了縮比模型并進(jìn)行測(cè)試，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。