一種低剖面小型天線的電磁特性分析

歐陽耀果 劉云 劉旭東

摘要：某型高精度定位系統(tǒng)基于擴頻體制展開設計，在中短波段工作，具有精度高，抗干擾能力強，工作范圍大等特點。系統(tǒng)中存在天線體積過大，難于安裝以及維護的難點。文中提出了一種基于雙Hilbert分形設計的小型天線。同時針對艦船電磁環(huán)境惡劣，天線受影響較大的問題，對細導線、同軸線等進行天線建模并分析。結果表明，文中天線高度僅13cm，可以諧振在1.5～10MHz頻段，實現了全向接收，能夠滿足中短波段導航系統(tǒng)要求。

Abstract： Maritime radio navigation system which is belonged to the spread system， working in the MW and SW section， is provided with high positioning accuracy， wide coverage and good security. However， the antenna is so large that hard to be installed. This paper proposes a new-designed double-Hilbert fractal antenna. Also， because of the abominable electromagnetic condition on the ship， this paper builds on the model of this antenna based on several pivotal techniques which belongs to the FDTD， coaxial line analysis， etc. The results show that the antenna whose height is only 13cm can work in 1.5～10MHz band with the characteristics of omni-direction， meets requirements of the navigation system working in the MW and SW band.

關鍵詞：無線電導航;船用天線;雙Hilbert分形;FDTD

Key words： radio navigation;marine antenna;double-Hilbert fractal;FDTD

中圖分類號：TN82? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）21-0222-02

0? 引言

某型高精度定位系統(tǒng)工作在中短波段，具有精度高，抗干擾能力強，工作范圍大等特點[1]。該頻段信號波長大，天線尺寸需大于信號波長的1/4[2]，天線體積過大，難于安裝及維護成為了技術難點。同時，系統(tǒng)平臺天線林立，電磁環(huán)境惡劣[3]，天線的接收特性會受到較大影響。FDTD是分析天線特性的有效數值方法之一。該方法能夠在特定頻帶內通過一次計算完成針對天線特性的分析，在天線結構復雜，工作環(huán)境惡劣的條件下具有更高的估計精度及更加優(yōu)良的性能[4]。為此，本文設計了一種雙Hilbert分形的小型天線，構建了天線模型;進行了天線電磁特性分析。結果表明，文中天線高度僅為13cm，能夠諧振在1.5～10MHz的中短波段，適合于工程應用。

1? 基于雙Hilbert分形的天線結構

文中天線屬電小天線范疇，存在輻射效率低的問題。Hilbert分形天線具有良好自相似特性，在有限空間內可以有效加大天線輻射電阻，提高天線增益及效率，天線模型如圖1。天線主要技術指標設計為：尺寸為26cm×13cm;材料為半徑0.5mm的銅線;Hilbert分形階數為6階;電長度約為8.2m。

2? 基于FDTD方法的天線建模及特性分析

2.1 細導線算法

對細導線進行建模是天線特性估計精度的理論基礎。令細導線截面直徑為r，近場近似1/r變化。天線位于yoz面內，目標導線沿Z軸方向分布，場由貫穿細導線橫截面的四個離散網格決定。此時，穿過細導線截面的一個離散網格y方向電場強度及x方向磁場強度為：

根據經典FDTD，下一時間步x軸磁場分量為：

由圖1，細導線由拐點構成。場分布由其夾角內外磁場決定。對其分析可參照中小環(huán)天線的角點進行解算。設含拐點細導線沿z軸和y軸放置，夾角內的場分量由下式：

拐點夾角外磁場分量可由下式表示：

遞推以上過程可得圖1結構天線的場分布數學模型。

2.2 天線分析

根據安培環(huán)路定理，天線饋電點電流的時域形式可寫為：

因激勵電壓為先驗信息，則在某頻段內，輸入阻抗Z可表示為：

當場穩(wěn)定后，通過近—遠場變換即可系統(tǒng)遠場參數。

3? 天線仿真結果及分析

系統(tǒng)主要指標如第一小節(jié)，其它條件設定如下：①激勵源：如式（6）的Gauss脈沖;②掃頻范圍：1.5～10MHz;③網格結構：漸變離散網格，最小網格寬度？姿/40;④吸收邊界：PML，8。

仿真結果見圖2、圖3。

對圖2、圖3進行分析，可得以下結論：①天線可在1.5～10MHz頻帶諧振，回波損耗低于-15dB;②帶內天線駐波比低于1.5;③天線全向接收，其中E面方向圖120度存在一定凹陷;H面方向圖則圓度較好。

4? 結論

本文提出并設計了一種雙Hilbert分形的小型接收天線，解決了天線難以安裝及維護的技術難點。采用FDTD方法建立了天線數學模型。結果表明，文中天線高13cm，長26cm，能夠工作在1.5～10MHz頻段，具有體積小、低輪廓、全向性特點。

參考文獻：

[1]潘威炎.長波超長波極長波傳播[M].電子科技大學出版社，2004.

[2]Warren L. Stutzman，Gary A. Thiele 著.天線理論與設計[M].二版.朱守正，安同一，譯.人民郵電出版社，2006.

[3]維施可夫，M.B.編著.船舶通信天線[M].船用通信天線翻譯組，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1983.

[4]葛德彪，閆玉波.電磁波時域有限差分方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[5]Niruth Prombutr， Prayoot Akkarackthalin. Model of Hilbert Curve Fractal Antenna Fed by Coplanar Waveguide for Multi-band Wireless Communications [J]. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2007.