一種分段的超短波對數(shù)周期天線設(shè)計與實驗

唐金彪，李相強，崔玉國，喬小斌

（1.西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031；2.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266107）

0 引言

超短波是指頻率為30～300 MHz 的電磁波，其廣泛地應(yīng)用于廣播、移動通信、雷達和戰(zhàn)術(shù)通信中[1-4]。超短波的主要傳播方式為視距傳播，這種傳播方式要求天線具有較高方向性和增益。對數(shù)周期天線是一種經(jīng)典的非頻變天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作頻帶寬、增益高以及定向性好等特點[5-6]，廣泛地應(yīng)用于各種通信領(lǐng)域。傳統(tǒng)的對數(shù)周期天線設(shè)計方法已經(jīng)很成熟[7-9]，基本是根據(jù)增益與τ（比例因子）和σ（間距因子）的關(guān)系曲線找出最佳的τ和σ，再根據(jù)工作帶寬通過公式計算出各個振子的長度與間距。這樣設(shè)計出的對數(shù)周期天線雖然能夠在工作頻帶內(nèi)獲得可觀的電性能，但是天線的集合線長度往往過長，不利于天線的實際使用[10]。在設(shè)計時需要通過優(yōu)化τ和σ使天線的集合線長度滿足實際的需要[11]。

國內(nèi)外學(xué)者在短波、超短波以及微波波段對對數(shù)周期天線進行了廣泛研究[12-15]。傳統(tǒng)的對數(shù)周期天線的尺寸一般較大，為了減小對數(shù)周期天線的尺寸，使其能夠更加廣泛地運用，對數(shù)周期天線的小型化顯得尤為重要。對數(shù)周期天線的小型化包含對橫向和縱向的小型化?，F(xiàn)有的對數(shù)周期天線小型化的研究主要集中于對稱振子上，通過對振子結(jié)構(gòu)進行頂端加載、彎曲螺旋、傾斜振子等技術(shù)[16-20]，以實現(xiàn)對數(shù)周期天線在橫向上的小型化；而對數(shù)周期天線在縱向尺寸上的小型化主要是通過增大τ減小σ，以實現(xiàn)集合線的長度變小。但是只通過增大τ減小σ會讓帶寬和增益變得難以調(diào)整，不能很好地調(diào)整天線的集合線長度與增益。以上針對天線在橫向上的小型化方法在頻率高的波段，例如在微波波段均適用，而在低頻頻段，如超短波頻段，上述通過改變振子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對數(shù)周期天線在橫向上的小型化技術(shù)將會使天線結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，不利于天線的移動、快速布設(shè)。因此，本文中為了滿足各項指標，在增大τ減小σ基礎(chǔ)上提出了分段設(shè)計，采用兩組τ和σ以實現(xiàn)縱向長度和增益的可控。

綜上所述，為了滿足實際需求，本文設(shè)計了一種用于超短波接收的對數(shù)周期天線。天線尺寸為4.9 m（橫向）×7.0 m（縱向），工作于30～70 MHz，理論仿真與實驗表明，該天線在工作頻率范圍內(nèi)駐波比小于1.5，相對阻抗帶寬為80%，典型增益大于8 dBi。

1 天線的基本結(jié)構(gòu)

對數(shù)周期天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)

對數(shù)周期天線由N對對稱振子組成，在結(jié)構(gòu)上具有以下特點：

1）相鄰振子的長度滿足比例因子τ：

2）前后振子之間的間距滿足間隔因子σ：

因為振子的長度按τ變化，當頻率改變時，相應(yīng)的諧振振子在集合線上的位置發(fā)生改變，始終保證有長度為12 波長的振子進行輻射，因而對數(shù)周期天線可以實現(xiàn)寬頻帶工作。對數(shù)周期天線的饋電在最短振子方向，其輻射方向由長振子指向短振子方向。

2 分段對數(shù)周期天線設(shè)計

2.1 天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際需求和實際指標（集合線尺寸小于7 m，工作頻率為30～70 MHz，增益大于8 dBi）設(shè)計一款對數(shù)周期天線。為了滿足這樣的指標需求，若采用單一的τ和σ，天線的長度、增益和帶寬將難以同時滿足要求。為了使天線的各項指標滿足需求，本文采用兩組τ和σ的方式對對數(shù)周期天線進行分段設(shè)計。

對指標和天線結(jié)構(gòu)綜合考慮，取τ1=0.922、σ1=0.067、τ2=0.937、σ2=0.067，其中振子數(shù)量為20對，綜合考慮帶寬、增益以及天線長度，取中間處的振子作為分段，建立如圖2 所示的天線模型。

圖2 本文天線結(jié)構(gòu)

在基本的τ和σ下，滿足集合線所需長度，分析其匹配特性。采用基于時域有限差分的電磁仿真軟件對圖2 所示的天線進行仿真分析。圖3中虛線為集合線平行的VSWR，從結(jié)果來看天線駐波比在42.5 MHz和61 MHz附近出現(xiàn)尖峰，天線的阻抗匹配特性有待優(yōu)化。

圖3 集合線有無夾角時天線的VSWR

為了使天線的阻抗變化平穩(wěn)，將天線集合線張開，形成一個夾角φ，對φ取0.3°進行仿真，其駐波比結(jié)果如圖3 中實線所示。其結(jié)果表明通過集合線形成一定的夾角可以有效地消除集合線平行時VSWR 曲線中的尖峰，改善天線的阻抗匹配特性。圖4 為集合線夾角的改變對增益的影響，可以看出集合線夾角的變化對增益幾乎沒有影響。

圖4 集合線有無夾角時天線的增益

為了更好地體現(xiàn)兩組τ和σ可以方便地調(diào)整天線的增益和長度。現(xiàn)對兩組τ和σ進行仿真分析，其對應(yīng)的結(jié)果如圖5～圖8 所示。從圖5 和圖6 中可以看出τ1和σ1主要影響低頻段的增益，對高頻段的增益影響較小。圖7 和圖8中τ2和σ2則主要影響高頻段的增益，對低頻段的增益影響較小。因此通過采用兩組τ和σ的方式可以方便地調(diào)整天線的增益和長度。本設(shè)計中對于高頻和低頻的增益要兼顧，且需考慮天線的總長度，因此本文中取位于中間位置的振子作為分段點。

圖5 τ1 對增益和長度的影響

圖6 σ1 對增益和長度的影響

圖7 τ2 對增益和長度的影響

圖8 σ2 對增益和長度的影響

2.2 天線最終參數(shù)

經(jīng)過仿真與優(yōu)化，天線的最終參數(shù)如表1所示，其中N表示對稱振子的對數(shù)，D表示對稱振子的直徑，S為集合線的間距，W為集合線的寬度，L1為最長端振子的長度。

表1 對數(shù)周期天線的設(shè)計參數(shù)

利用電磁仿真軟件對設(shè)計的對數(shù)周期天線進行仿真計算，其駐波比及增益結(jié)果如圖9 所示。仿真結(jié)果表明，在30～70 MHz內(nèi)駐波比小于1.5，典型增益大于8 dBi。

圖9 對數(shù)周期天線的駐波比和增益

2.3 考慮地面影響的天線分析

天線實際架設(shè)在地面上，且天線距地面的高度不能超過3.5 m。現(xiàn)對地面和天線進行綜合仿真分析。地面參數(shù)設(shè)置為：εr=10，σ=2×10-3S/m。天線采用水平極化方式工作，集合線的中點距離地面的高度為3.5 m。當天線繞支撐點旋轉(zhuǎn)的角度為20°和40°時（以天線平行于地面為0°參考），相應(yīng)的駐波曲線如圖10 所示，相應(yīng)的垂直面輻射方向圖如圖11、圖12 所示。

圖10 天線旋轉(zhuǎn)20°和40°時的駐波比

圖11 天線旋轉(zhuǎn)角度20°時不同頻率的方向圖

圖12 天線旋轉(zhuǎn)角度40°時不同頻率的方向圖

圖11、圖12 表明：旋轉(zhuǎn)角度α固定不變時，方向圖中逐漸出現(xiàn)下陷點，并且隨著頻率的增加逐漸加深。當頻率不變時，方向圖中的下陷點向θ增大的方向移動。當旋轉(zhuǎn)角度α分別為20°和40°時，高頻方向圖在60°附近始終有一個增益下陷點。

圖11、圖12 中方向圖均出現(xiàn)增益下陷，現(xiàn)對其進行分析。當天線架設(shè)在實際地面上時，天線的遠區(qū)場為直射波和地面反射波之和。因此，天線的方向圖為天線本身的方向圖與地面鏡像形成的陣因子方向圖之積。其中陣因子方向圖可以表示為[21]：

式中Γ=|Γ|ejφ。對于水平極化，實際地面反射系數(shù)為：

將地面參數(shù)（εr=10，σ=2×10-3S/m）代入式（4）。以α=20°頻率為70 MHz 為例。此時天線的最大電流分布在第13 對振子附近，以第13 對振子確定天線高度約為0.99λ。使用Matlab 畫出地面鏡像形成的陣因子方向圖，如圖13 所示。

從圖13 中可以清晰地得知陣因子方向圖在30°左右出現(xiàn)下陷。因此在圖11 和圖12 中出現(xiàn)的增益下陷是由天線與地面之間的鏡像陣因子造成的，當輻射區(qū)的高度與波長滿足0.99λ時，天線方向圖中均會出現(xiàn)增益零點。同時可以推斷，當高度發(fā)生變化時，陣因子方向圖也會隨之發(fā)生改變，其增益下陷點也會改變。在本設(shè)計中α分別為20°和40°可以滿足使用要求。

3 對數(shù)周期天線測試

對前文設(shè)計的天線進行實驗測試。選取天線旋轉(zhuǎn)角度為20°和40°，根據(jù)現(xiàn)場測試情況，20°狀態(tài)下的測試頻率選為30 MHz 和50 MHz，40°狀態(tài)下的測試頻率選為60 MHz。天線架設(shè)在地面上，如圖14 所示。

圖14 對數(shù)周期天線架設(shè)

實驗測量時使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試駐波，超短波寬帶發(fā)射機進行功率放大，無人機搭載選頻輻射分析儀測量場強。其中無人機搭載選頻輻射分析儀按照規(guī)劃好的飛行軌道飛行，同時選頻輻射分析儀實時采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理得到天線的方向圖。通過將選頻輻射分析儀測量的電平值進行計算，得到天線的輻射增益。

式中：Pr為由探頭接收數(shù)據(jù)和探頭性能曲線計算得到的探頭接收電平值，單位為dBm；Lbf為自由空間衰減損耗，單位為dB；Lc為測試系統(tǒng)中的電纜和接頭損耗，單位為dB；Pt為信號源輸出功率電平值，單位為dBm；Gr為接收探頭增益，單位為dB。

圖15 為仿真與測試的駐波比，其實驗結(jié)果表明，在工作頻率范圍內(nèi)，天線駐波比小于1.5，與理論仿真結(jié)果基本吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)良好匹配。

圖15 對數(shù)周期天線的仿真與測試駐波比

圖16 和圖17 分別為對數(shù)周期天線在30 MHz、50 MHz、60 MHz 頻點的垂直面方向圖和水平面方向圖，其中30 MHz 和50 MHz 對應(yīng)天線旋轉(zhuǎn)角度為20°，60 MHz 對應(yīng)天線旋轉(zhuǎn)角度為40°。從圖中可知，仿真與測試的方向圖基本符合。

圖17 天線在30 MHz、50 MHz、60 MHz 下的水平面方向圖

表2 為對數(shù)周期天線的測試增益結(jié)果與仿真增益結(jié)果。從表2 可知，實際測試增益結(jié)果與理論仿真增益結(jié)果基本吻合，差約0.8 dBi，這可能是天線加工誤差、測試設(shè)備誤差以及測試環(huán)境等原因造成的。

表2 對數(shù)周期天線的最大輻射增益

4 結(jié)語

本文首先介紹了對數(shù)周期天線的基本原理和結(jié)構(gòu)，然后采用兩組τ和σ設(shè)計了一種用于超短波接收的對數(shù)周期天線，使天線的電氣性能在滿足設(shè)計指標的要求下控制天線的長度在7 m 以內(nèi)。將設(shè)計的對數(shù)周期天線進行加工與測試，駐波比的測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，在工作頻帶內(nèi)，駐波比小于1.5，天線在垂直面和水平面的測試方向圖和理論仿真方向圖基本一致。本文設(shè)計的對數(shù)周期天線具有結(jié)構(gòu)簡單、帶寬寬以及電氣性能好等特點，具有一定的機動能力，可滿足實際場景中對超短波天線的應(yīng)用需求。

注：本文通訊作者為李相強。