關(guān) 羽，曹衛(wèi)平，2，謝 锎

( 1．桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004;2．桂林電子科技大學(xué) 認(rèn)知無線電與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

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基于VHF頻段的彎折面頂加載天線設(shè)計

關(guān) 羽1，曹衛(wèi)平1，2，謝 锎1

( 1．桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004;2．桂林電子科技大學(xué) 認(rèn)知無線電與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

為了提高機(jī)載單極子天線的終端匹配性能，實(shí)現(xiàn)天線的小型化，設(shè)計了一種VHF頻段頂加載與彎折面式的機(jī)載刀型天線。采用頂載技術(shù)與彎折線理論構(gòu)建天線結(jié)構(gòu)模型，并且運(yùn)用遺傳算法和數(shù)值優(yōu)化等方法對天線電性能進(jìn)行分析。仿真分析與實(shí)物測試結(jié)果表明，在105～265 MHz頻段范圍內(nèi)滿足S11≤10 dB，達(dá)到相對帶寬86.5%，為工程設(shè)計提供了良好的理論依據(jù)。

機(jī)載天線；頂加載；彎折線；寬帶

0 引言

現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)的發(fā)展日新月異[1]，對天線小型化、高增益的要求也越來越高。在眾多的天線形式中，單極子天線因具有結(jié)構(gòu)簡單，饋電方式容易實(shí)現(xiàn)，橫向剖面尺寸小和全向輻射特性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故得到了廣泛的運(yùn)用[2]。依據(jù)單機(jī)天線原理，結(jié)合加載技術(shù)，匹配技術(shù)等可以拓展天線帶寬[3]。但傳統(tǒng)的運(yùn)用于飛行器環(huán)境下單極子機(jī)載天線[4]，由于終端匹配不理想以或彎折線技術(shù)的有限運(yùn)用[5]，無法在保證天線在小型化時獲取寬帶寬。文獻(xiàn)[6]結(jié)合折合振子理論，有利于天線小型化，但天線帶寬只有10%。為改善匹配和天線的小型化，提高天線增益，文獻(xiàn)[7]改進(jìn)單極子機(jī)載天線結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有耗或無耗加載技術(shù)，有效地減小了天線的剖面尺寸，拓展了天線帶寬，類似的結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)[8-9]得到運(yùn)用。為此，結(jié)合彎折線與頂加載單極子技術(shù)，運(yùn)用彎折面天線結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種適用于機(jī)載VHF頻段通信的寬帶小型化天線。

1 單極子加載與彎折線理論分析

1.1 頂加載單極子天線的理論分析

作為天線小型化的重要技術(shù)之一[10]，頂加載技術(shù)在現(xiàn)代天線設(shè)計中被廣泛使用。其主要方式是在短單極子振子天線頂部或末端加金屬圓片、金屬小球發(fā)散狀葉片來進(jìn)行頂部加載[11]。通過改變天線上的電流分布，降低天線的諧振頻率。為實(shí)現(xiàn)小型化的目的，頂加載是一種簡單實(shí)用的方法。金屬球或圓片對地存在著分布電容，這就使得天線頂部或末端不再是電流波節(jié)點(diǎn)，從而提高了單極子天線的輻射能力。

假設(shè)頂部加載的靜態(tài)電容為C0，此電容部分可以等效為長h′的一線段，即

(1)

式中，ρA為天線的特性阻抗；β為天線電流波的相位常數(shù)。設(shè)天線的表面電流分布成正弦分布，即

(2)

式中，h0=h+h′，h為天線的實(shí)際高度；z為天線上任意一點(diǎn)到饋電點(diǎn)的距離。因此得到有關(guān)輸入電流I0的有效高度為：

(3)

針對電小天線范圍，此時h0遠(yuǎn)小于中心頻率對應(yīng)的波長，則式(3)可簡化為：

(4)

對于式(4)中，由于h/h0<1，所以hc>0.5h，這說明了對于頂部加載的單極子天線，其有效高度更大。由于天線頂端不再是開路，電流波腹點(diǎn)的位置上移，天線表面電流沿線分布較為均勻。

1.2 彎折線單極子天線的理論分析

對于細(xì)線單極子天線，設(shè)高度為h，此時單極子天線的等效自感Ls為：

(5)

式中，d為單極子天線的直徑。

當(dāng)單極子天線的高度與工作頻率滿足h≈0.24λ，即單極子天線處于諧振狀態(tài)，此時單極子天線的等效自感與諧振頻率之間滿足下列關(guān)系：

(6)

式中 ，λ為單極子天線的諧振波長。

簡單結(jié)構(gòu)的彎折線天線的諧振頻率可以近似的由電感電路模型計算得到[12]。此處單一的彎折結(jié)構(gòu)等效為一個電感，如圖1所示。運(yùn)用傳輸線等效理論，可以確定彎折結(jié)構(gòu)的等效電感。每個彎折結(jié)構(gòu)的特性阻抗為：

(7)

式中，s為彎折結(jié)構(gòu)的總想長度。每一個彎折結(jié)構(gòu)的等效電感LM，通過其輸入阻抗可以確定，即

(8)

式中，l為彎折結(jié)構(gòu)的橫向長度；ω為角頻率。

因此，得到高度為h的彎折線天線的電感L為：

L=Ls+NLM。

(9)

式中，Ls為天線垂直高度上的自感；LM為彎折結(jié)構(gòu)的等效電感，兩參數(shù)均可由式(6)和式(8)得到；N為彎折結(jié)構(gòu)的個數(shù)。用式(9)中的L替換式(6)中的Ls，則可以近似地得到與單極子天線高度同為h的彎折天線的諧振頻率，即

(10)

式中，λ為待求得諧振頻率波長。由于式(10)兩邊都含有未知數(shù)，因此該式為非線性方程，可以通過最優(yōu)化的方式進(jìn)行求解。

圖1 彎折線單極子天線等效的電感模型

2 單極子的頂加載與彎折線聯(lián)合仿真分析

2.1 單極子的頂加載仿真

根據(jù)以上理論分析[14]，結(jié)合文獻(xiàn)[15]計算得到頂加載橫桿的結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，對比不加載橫桿的單極子板狀天線如圖2(b)所示，得到反射系數(shù)如圖3所示。圖2(a)和圖2(b)兩天線的高度都設(shè)置為480 mm，厚度4 mm。由于圖2(a)天線頂部加載水平橫桿，橫桿長度為140 mm，從饋電點(diǎn)到達(dá)橫桿末端，電流流經(jīng)的路徑明顯大于圖2(b)天線。結(jié)合圖3分析，圖2(a)天線的第一諧振點(diǎn)在138.7 MHz，諧振處反射系數(shù)為-13.81 dB；圖2(b)天線第一諧振點(diǎn)在144.82 MHz，諧振處反射系數(shù)為-12.96 dB。在低頻范圍，加載后的圖2(a)天線由于電長度的增加，反射系數(shù)明顯小于未加載的圖2(b)天線。即頂加載的天線，其諧振頻率會降低反射系數(shù)也會減小。

圖2 單極子天線

圖3 單極子反射系數(shù)對比

2.2 單極子的頂加載聯(lián)合彎折面的仿真與實(shí)測分析

為了進(jìn)一步降低天線的諧振頻率，在橫向保持天線平板特性，和寬帶匹配特性[14]。在縱向引入彎折線思想，設(shè)計的天線如圖4所示。天線高度為480 mm，頂部水平橫桿長度為140 mm，彎折面及天線整體厚度為4 mm。彎折結(jié)構(gòu)設(shè)計中，彎折的長度與寬度均為40 mm，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，圓滑過渡轉(zhuǎn)彎部分。

圖4 彎折面與頂加載單極子天線

圖5給出了未加載、只加載水平橫桿和加載水平橫桿和彎折面結(jié)構(gòu)3種單極子天線的反射系數(shù)曲線。通過分析可以看出，彎折面與頂加載單極子天線的第一諧振點(diǎn)在132.2 MH，諧振處反射系數(shù)為-16.33 dB。相比于只加載橫桿的天線，諧振頻率降低了6.5 MHz，反射系數(shù)下降了2.52 dB。從圖6給出的實(shí)測結(jié)果可以看出，天線的諧振頻率向低端偏移。因此，彎折結(jié)構(gòu)對天線的電長度提高明顯。

對于VHF頻段，天線的縱向高度在不發(fā)生明顯變化時，諧振頻率每向低頻段偏移1 MHz就能夠使天線有效高度提高幾十甚至幾百mm。而對于VHF的低頻端，高度提升的相對值更大。頂部加載與彎折面結(jié)構(gòu)提高了天線的有效電長度，從而提高了天線的輻射電阻和效率。

圖5 3種情況單極子反射系數(shù)對比

圖6 實(shí)測結(jié)果

3 結(jié)束語

VHF通信在現(xiàn)代機(jī)載通信中發(fā)揮了重要作用。介紹了機(jī)載天線小型化的設(shè)計方法，運(yùn)用頂部加載技術(shù)，結(jié)合折彎線思想，對單極子天線進(jìn)行了仿真設(shè)計與實(shí)物測試。對比分析了頂加載橫桿、加載折彎面對天線反射系數(shù)的影響。通過實(shí)測，驗(yàn)證了設(shè)計的可行性，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。

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關(guān) 羽 男，(1988—)，碩士研究生。主要研究方向：寬帶電小天線、智能天線。

曹衛(wèi)平 男，(1971—)，博士，教授。主要研究方向：寬帶電小天線、智能天線和超電磁介質(zhì)材料的應(yīng)用。

Design of Top-loaded Antenna with Meander Surfaces Based on VHF Band

GUAN Yu1,CAO Wei-ping1，2,XIE Kai1

(1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China; 2.KeyLaboratoryofCognitiveRadioandInformationProcessing,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

A top-loaded antenna structure with meander surfaces in VHF band is designed,which can not only improve the terminal match performance of monopole airborne antenna,but also meet the miniaturization requirements.The structure of the antenna model is constructed by using the top-loaded technology and the meander line theory.And the electric performance of the antenna is analyzed by genetic algorithm and numerical optimization.The simulation and test results show that the antenna has a good radiation performance and is well matched with a 86.5% relative impedance bandwidth,withS11≤-10 dB,in the band of 105～265 MHz．It can provide a correlative theoretical basis for the engineering design.

airborne antenna;top-loaded;meander line;broadband

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.13

關(guān) 羽，曹衛(wèi)平，謝 锎.基于VHF頻段的彎折面頂加載天線設(shè)計[J].無線電工程,2016,46(12):51-53,57.

2016-08-28基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61361005，61001020，61461016)；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計劃資助項(xiàng)目(YJCXS201526)。

TN822+.4

A

1003-3106(2016)12-0051-03