一種寬帶短波線天線設(shè)計(jì)研究

胡軍龍 張琪春

（1.中國人民解放軍海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心 北京市 100071）（2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

短波天線具有靈活機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、高抗毀性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于全球廣播、雷達(dá)以及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中[1-3]，在上述應(yīng)用領(lǐng)域中，天線是導(dǎo)波空間電磁波的轉(zhuǎn)換裝置，天線性能直接決定系統(tǒng)整體性能，因此短波天線是決定短波通信效果至關(guān)重要的因素[4]。在一些衛(wèi)星通信工程應(yīng)用中，雷達(dá)天線安裝空間受限使得對(duì)新型短波線天線的設(shè)計(jì)提出了迫切需求。

本天線設(shè)計(jì)方案的背景為某航天探測項(xiàng)目，根據(jù)科學(xué)探測任務(wù)的需求，雷達(dá)必須工作在2 倍頻的短波頻段，由于航天器的安裝空間和承受的重量十分有限，天線必須具備輕質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)和易展開的能力，所以適宜采用線天線形式，同時(shí)為了盡量提高天線的輻射效率，在天線的安裝范圍內(nèi)，天線的長度應(yīng)盡量長，在天線的安裝和展開空間受限的情況下，如何選取天線類型，利用有限空間布置天線是天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的L 形短波線天線相對(duì)直線形線天線具有尺寸小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)具備易展開、可靠性強(qiáng)高等特點(diǎn)。

2 短波天線設(shè)計(jì)

采用直線形線天線的天線形式，極限長度僅為0.13λ（λ 為f0對(duì)應(yīng)的自由空間波長），會(huì)導(dǎo)致天線實(shí)際工作頻率明顯大于規(guī)定工作頻率。為了降低天線諧振頻率，充分利用二維空間，并考慮到天線結(jié)構(gòu)展開的可行性，可以采用L 形線天線的結(jié)構(gòu)形式，增加電流的路徑，以達(dá)到縮減天線尺寸和提高天線效率的目的。

本文設(shè)計(jì)了一短波頻段、L 形線天線，天線工作在f0~2f0，相對(duì)帶寬為66%，利用全波仿真軟件FEKO 對(duì)天線進(jìn)行仿真，并與直線形天線的性能做比較，直線形和L 形線天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1：兩種線天線結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

圖2 給出了不同形狀線天線阻抗的仿真曲線，由圖可看出與直線形線天線相比，L 形線天線的輸入電阻較高，中心頻率處的輸入電抗接近零，在低頻和中心頻率處具有更高的效率。

圖2：不同形狀線天線阻抗的仿真曲線

為了展寬帶寬，同時(shí)減小加載集總網(wǎng)絡(luò)引起的損耗，可在L 形線天線靠近饋線位置或者天線末端的位置進(jìn)行加載，經(jīng)過反復(fù)比較，采用RLC 并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，并考慮到天線在航天器上的安裝狀態(tài)，在天線底部和饋線之間插入無耗寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。

為使設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，限制構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的電路元件不超過6 個(gè)，對(duì)于6 個(gè)元件以內(nèi)的LC 網(wǎng)絡(luò)可分為T 型和 型兩種基本結(jié)構(gòu)形式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)支節(jié)做如下約定：

（1）短路不作并聯(lián)支路；

（2）開路不作串聯(lián)支路；

（3）LC 串聯(lián)不作并聯(lián)支路；

（4）LC 并聯(lián)不作串聯(lián)支路。

結(jié)合商用全波仿真軟件FEKO（德語FEldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache 的縮寫）和ADS（英語Advanced Design System 的縮寫），對(duì)天線尺寸、加載點(diǎn)位置、RLC 網(wǎng)絡(luò)以及匹配網(wǎng)絡(luò)的元器件值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到天線結(jié)構(gòu)和匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)優(yōu)化過程如下：

（1）利用FEKO 對(duì)天線進(jìn)行仿真，得到天線的阻抗特性；

（2）將天線的阻抗特性導(dǎo)入ADS 中，利用匹配模塊和實(shí)頻法，對(duì)天線的阻抗進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)參數(shù)值。

天線尺寸和駐波的仿真結(jié)果分別如圖3、圖4 所示，天線駐波在整個(gè)頻帶內(nèi)均小于3.2，與沒匹配前相比，天線效率得到極大提高。寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5 所示。

圖3：優(yōu)化后天線的結(jié)構(gòu)尺寸

圖4：優(yōu)化后天線駐波的仿真曲線

圖5：寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)

天線中頻處的增益為0.35dBi，此增益包含RLC 中的電阻的損耗，但不包括電感、電容以及匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗，RLC 中電感和電容損耗預(yù)估值為0.8dB，匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗預(yù)估值為1.2dB，所以天線實(shí)際增益約為-1.65dB，符合預(yù)先設(shè)計(jì)要求。

本論文涉及到3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）天線結(jié)構(gòu)選擇：根據(jù)探測衛(wèi)星預(yù)留給天線的空間，短波段直線形單極子天線的極限長度不滿足工作頻率要求，需要改變天線結(jié)構(gòu)使天線諧振頻率降低，基于此，本論文設(shè)計(jì)出了充分利用兩維空間的短波段L 形單極子天線，相比相同天線包絡(luò)的直線形單極子天線，L 形單極子天線電長度更長，天線的諧振頻率更低，有利于天線帶寬的展寬。

其它結(jié)構(gòu)形式的單極子天線可能具有更好的電性能，但會(huì)大幅度增加天線展開的難度，綜合考慮天線電性能和展開機(jī)制的可實(shí)現(xiàn)性，采用L 形單極子天線。

（2）擴(kuò)展帶寬設(shè)計(jì)：L 形單極子天線不可能達(dá)到2:1 以上的帶寬，必須采取措施來增加天線帶寬，對(duì)天線加載電路可使帶寬展寬?？紤]到實(shí)際的天線工作狀態(tài)，要求加載電路后的天線結(jié)構(gòu)不影響天線展開。加載電路的L 形單極子天線的帶寬距離目標(biāo)仍有一定差距，為了進(jìn)一步展寬帶寬，還需設(shè)計(jì)寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步展寬帶寬。

（3）天線的實(shí)現(xiàn)：L 形單極子天線采用直徑3mm 的金屬軟導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)，并將固定長度的金屬軟導(dǎo)線置于分節(jié)的硬介質(zhì)套筒內(nèi)。當(dāng)天線結(jié)構(gòu)展開時(shí)，介質(zhì)套筒一節(jié)一節(jié)的展開，每節(jié)之間通過卡槽鎖死，軟導(dǎo)線外伸的一端接在L 形介質(zhì)套筒的最末端，所以套筒外伸展開形成L 形時(shí)，其內(nèi)的軟導(dǎo)線也逐漸拉直，直至形成L 形。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種短波段、L 形線天線，相對(duì)工作帶寬可達(dá)66%，相對(duì)傳統(tǒng)直線形線天線，具有尺寸小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并兼具易展開、可靠性高等特點(diǎn)，在地面雷達(dá)和衛(wèi)星通信領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

下一步可考慮利用有耗RLC 匹配網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)一步提高L 形天線的寬帶特性，即將無耗LC 匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化到極限的情況下串聯(lián)一組電阻網(wǎng)絡(luò)。