殷興輝 趙秋穎

(1.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 蘭州 732750)

引 言

對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)是一種與頻率無(wú)關(guān)的寬頻帶天線(xiàn)，具有成本低、增益高的特點(diǎn)[1].它被提出以后，在短波、超短波、微波等波段的通信、測(cè)向、探索、電子對(duì)抗等方面獲得了廣泛的應(yīng)用[2]，在這些應(yīng)用中對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)都要無(wú)失真地輻射接收短脈沖信號(hào)[3].理論上設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，要根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的性能要求，由等方向增益與天線(xiàn)比例常數(shù)τ和天線(xiàn)間隔常數(shù)σ的關(guān)系曲線(xiàn)得到對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而得到天線(xiàn)的初始結(jié)構(gòu)[4-5].天線(xiàn)最長(zhǎng)振子和最短振子的長(zhǎng)度由天線(xiàn)頻率確定.對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的振子位置呈對(duì)數(shù)分布，每根振子的工作頻率在一個(gè)對(duì)數(shù)周期范圍內(nèi)變化.

對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟為[5]：首先確定合適的參數(shù)τ和σ，τ值主要影響天線(xiàn)的增益和偶極子數(shù)N.增大τ值可以提高增益和方向性系數(shù)，但偶極子數(shù)目增多，結(jié)構(gòu)龐大，σ值主要影響天線(xiàn)長(zhǎng)度.然后計(jì)算各振子的長(zhǎng)度和振子間距.對(duì)于理想的對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)，振子的直徑應(yīng)該滿(mǎn)足周期性的結(jié)構(gòu)要求，這樣，所有單元振子的特性阻抗才會(huì)相等.但實(shí)際工程中振子的數(shù)目分成直徑不同的幾組，通常選取一個(gè)中間值，采用這一中間值用對(duì)稱(chēng)振子的平均特性阻抗計(jì)算集合線(xiàn)兩饋管的間距.集合線(xiàn)的間距是影響天線(xiàn)電性能的一個(gè)重要因素，特別是對(duì)駐波的變化比較敏感[6].由于設(shè)計(jì)間距時(shí)選取的是一個(gè)中間近似值，因此，實(shí)際測(cè)試的駐波性能并不能滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，必須進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，最后由實(shí)驗(yàn)確定集合線(xiàn)兩饋管的間距.對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的饋電點(diǎn)位置和饋管長(zhǎng)度，目前未見(jiàn)文獻(xiàn)具體討論，文獻(xiàn)[7]提到“考慮到對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的振子位置為對(duì)數(shù)分布，每根振子工作頻率在一個(gè)對(duì)數(shù)周期范圍內(nèi)變化，為保證最短振子的工作區(qū)不受影響，考慮將天線(xiàn)最短振子前推一次，以此來(lái)決定饋電點(diǎn)位置”，但已有文獻(xiàn)沒(méi)有給出具體分析與計(jì)算.

本文提出通過(guò)仿真優(yōu)化饋管間距、饋電點(diǎn)位置和饋管長(zhǎng)度三個(gè)特征參數(shù)(如圖1所示)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)駐波比和回波損耗的最佳化，從而大大改善天線(xiàn)的電性能.在已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上具體分析計(jì)算對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)這三個(gè)特征參數(shù)，由大量的仿真分析數(shù)據(jù)，獲得對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)這三個(gè)特征參數(shù)的變化規(guī)律.

圖1 對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)饋電圖

對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)采用同軸線(xiàn)在短振子端饋電，同軸線(xiàn)的內(nèi)導(dǎo)體從下饋管伸出，直接連接到上饋管進(jìn)行饋電，如圖1所示.圖中D為饋管的間距，d為單管的直徑，當(dāng)饋管使用方管時(shí)，d為單管的邊長(zhǎng)，H為實(shí)際饋電點(diǎn)到最短振子的長(zhǎng)度，M為饋管前端到最短振子的長(zhǎng)度，其變化表示饋管長(zhǎng)度的變化.

1 特征參數(shù)對(duì)電性能影響的理論分析

對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的主要電性能指標(biāo)為駐波比.理論上，對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)可以等效為一單端口網(wǎng)絡(luò)，可以看成是天線(xiàn)陣網(wǎng)絡(luò)和集合線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)[5]，而天線(xiàn)陣網(wǎng)絡(luò)又可以看作是若干對(duì)稱(chēng)振子的組合.因此，可以通過(guò)分析對(duì)稱(chēng)振子來(lái)分析對(duì)數(shù)周期天線(xiàn).

對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)饋電點(diǎn)處從下饋管伸出的內(nèi)導(dǎo)體可以等效于導(dǎo)線(xiàn)，而單導(dǎo)線(xiàn)又可以等效為一電感模型[7]，設(shè)其阻抗值為ZL=jωL.當(dāng)饋管靠得太近時(shí)，其上的電流幅度相等、相位相反，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)互相抵消.從下饋管伸出并連接到上饋管的內(nèi)導(dǎo)體部分在高頻時(shí)引起波束向上饋管偏轉(zhuǎn)，這樣會(huì)限制天線(xiàn)的高頻特性，所以，對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)兩饋管的間距D取值不能太小[5].

第i根對(duì)稱(chēng)振子的平均特性阻抗Za為

(1)

式中：Li為第i根振子的總長(zhǎng)度；a為第i根振子的半徑.

集合線(xiàn)未加載，且雙管為平行線(xiàn)時(shí)的特性阻抗Z0為

(2)

集合線(xiàn)加載后，雙管平行線(xiàn)的特性阻抗ZC為

(3)

饋線(xiàn)的特性阻抗應(yīng)等于集合線(xiàn)加載后的平均特性阻抗ZC.

由式(1)～(3)可知，特征參數(shù)D影響集合線(xiàn)的特性阻抗，從而直接影響?zhàn)伨€(xiàn)的輸入駐波比.

2 特征參數(shù)對(duì)電性能影響的仿真分析

2.1 頻率0.015～0.12 GHz的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

天線(xiàn)比例常數(shù)為τ=0.78，天線(xiàn)間隔常數(shù)為σ=0.14，共14根振子，饋管采用方管，因?yàn)轲伖苓呴L(zhǎng)要比最粗的振子直徑大，取邊長(zhǎng)值d=240 mm，最短振子的長(zhǎng)度為L(zhǎng)min=479 mm.理論仿真得到的不同特征參數(shù)D、H、M值對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)駐波比如圖2所示.

圖2 0.015～0.12 GHz天線(xiàn)駐波比圖

圖2表明，天線(xiàn)駐波比達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，饋管間距D=343 mm對(duì)應(yīng)饋管邊長(zhǎng)d的1.429倍，饋電點(diǎn)位置H=134 mm對(duì)應(yīng)最短振子長(zhǎng)度的2σ倍(H=2σLmin)，饋管長(zhǎng)度M=150 mm對(duì)應(yīng)饋電點(diǎn)位置H的1.119倍.天線(xiàn)駐波比在0.015～0.12 GHz的整個(gè)工作頻段，降至2以下.

2.2 頻率0.05～0.5 GHz的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

天線(xiàn)比例常數(shù)為τ=0.78，天線(xiàn)間隔常數(shù)為σ=0.14，共15根振子，取饋管邊長(zhǎng)值d=90 mm，最短振子的長(zhǎng)度為L(zhǎng)min=112 mm.理論仿真得到的不同特征參數(shù)D、H、M值對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)駐波比如圖3所示.

圖3 0.05～0.5 GHz天線(xiàn)駐波比圖

圖3表明，天線(xiàn)駐波比達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，饋管間距D=126 mm對(duì)應(yīng)饋管邊長(zhǎng)d的1.4倍，饋電點(diǎn)位置H=31 mm對(duì)應(yīng)最短振子長(zhǎng)度的2σ倍(H=2σLmin)，饋管長(zhǎng)度M=35 mm對(duì)應(yīng)饋電點(diǎn)位置H的1.167倍.天線(xiàn)駐波比在0.05～0.5 GHz的整個(gè)工作頻段，降至2以下.

2.3 頻率0.1～1 GHz的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

天線(xiàn)比例常數(shù)為τ=0.78，天線(xiàn)間隔常數(shù)為σ=0.14，共15根振子，饋管邊長(zhǎng)值d=30 mm，最短振子長(zhǎng)度為L(zhǎng)min=56 mm.理論仿真得到的不同特征參數(shù)D、H、M值對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)駐波比如圖4所示.

圖4 0.1～1 GHz天線(xiàn)駐波比圖

圖4表明，天線(xiàn)駐波比達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，饋管間距D=43.5 mm對(duì)應(yīng)饋管邊長(zhǎng)d的1.45倍，饋電點(diǎn)位置H=15.68 mm對(duì)應(yīng)最短振子長(zhǎng)度的2σ倍(H=2σLmin)，饋管長(zhǎng)度M=19.58 mm對(duì)應(yīng)饋電點(diǎn)位置H的1.256倍.天線(xiàn)駐波比在整個(gè)工作頻段，降至2以下.

2.4 頻率0.2～3.2 GHz的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)

天線(xiàn)比例常數(shù)為τ=0.78，天線(xiàn)間隔常數(shù)為σ=0.14，共17根振子，饋管邊長(zhǎng)值d=6.52 mm，最短振子長(zhǎng)度為L(zhǎng)min=17.04 mm.理論仿真得到的不同特征參數(shù)D、H、M值對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)駐波比如圖5所示.

圖5 0.2～3.2 GHz天線(xiàn)駐波比圖

圖5表明，天線(xiàn)駐波比達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，饋管間距D=9.57 mm對(duì)應(yīng)饋管邊長(zhǎng)d的1.468倍，饋電點(diǎn)位置H=4.77 mm對(duì)應(yīng)最短振子長(zhǎng)度的2σ倍(H=2σLmin)，饋管長(zhǎng)度M=5.02 mm對(duì)應(yīng)饋電點(diǎn)位置H的1.053倍.駐波比在f=0.2～3.2 GHz的整個(gè)工作頻段，均能降至2以?xún)?nèi)，且在f=1.3～3.2 GHz頻段內(nèi)達(dá)到駐波比小于1.6.

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)頻率0.2～3.2 GHz對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)仿真結(jié)果，我們加工出一副試驗(yàn)用對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示.

(a) 駐波比

(b) 回波損耗圖6 0.2～3.2 GHz對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

比較圖5仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果和圖6(a)的實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：實(shí)測(cè)駐波比與理論仿真的結(jié)果基本一致，駐波比在2以下，實(shí)測(cè)值只在2.7 GHz頻率處與仿真值有所區(qū)別，該頻率處駐波比稍大于2.圖6(b)為0.2～3.2 GHz對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的實(shí)測(cè)回波損耗值，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，回波損耗值降至-10 dB以下.

實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)了理論仿真分析結(jié)論：D、H和M的改變，直接影響天線(xiàn)的駐波比變化.通過(guò)調(diào)整D、H和M值，可以明顯改善對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的駐波性能.

3 結(jié) 論

分析計(jì)算了對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的三個(gè)特征參數(shù):饋管間距、饋電點(diǎn)位置和饋管長(zhǎng)度，提出了優(yōu)化這三個(gè)特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)駐波比最佳化的方法.對(duì)四個(gè)不同頻段的天線(xiàn)進(jìn)行了理論仿真，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析結(jié)論.理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)天線(xiàn)駐波比最優(yōu)時(shí)，饋管間距與饋管邊長(zhǎng)、饋電點(diǎn)位置與饋管長(zhǎng)度有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：饋管間距為饋管邊長(zhǎng)的1.45倍，饋電點(diǎn)位置為最短振子長(zhǎng)度與天線(xiàn)間隔常數(shù)乘積的2倍，饋管端部至最短振子的長(zhǎng)度為饋電點(diǎn)位置1.15倍.這些理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果為對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的工程應(yīng)用提供了重要依據(jù)，也為最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種更有效的方法.

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