于子瑤，吳華寧

（海軍工程大學電子工程學院,湖北，武漢，430000）

0 引言

對數(shù)周期天線是近年來發(fā)展起來的一種具有極為優(yōu)良電特性的寬頻帶天線，它的用途是極其廣泛的，可以保證寬頻帶和通信范圍遠覆蓋[3]。在受限的地域面積范圍內(nèi)往往很難容納占地龐大的對數(shù)周期天線，例如工作于短波頻段通常有尺寸為60m×60m 的對數(shù)周期天線。因此天線小型化的研究方向一直被研究者所關(guān)注。

基于此，本文設(shè)計了一種小型化的對數(shù)周期天線，工作在短波3～30MHz 頻段，尺寸為22.85m×17.8m。采用彎折振子和尾部附加枝節(jié)以及加載電感對橫向尺寸進行優(yōu)化，設(shè)計之初選用大τ小σ的組合對縱向尺寸進行限制[4]，經(jīng)過FEKO 軟件的仿真，該天線全頻段駐波比小于2.5，主用頻段平均增益為10dBi，波束寬度大于80°。

1 天線參數(shù)設(shè)計與仿真

1.1 主用頻段天線設(shè)計與仿真

對數(shù)周期天線的簡化模型如圖1 所示，其按一定比例關(guān)系排列而成。當對數(shù)周期天線在工作頻帶時，與波長對應(yīng)的振子(ln≈λ/2)形成有效的輻射區(qū),其前后形成引向區(qū)和反射區(qū)，從而使得天線具有良好的阻抗特性和均衡的前向增益。

圖1 LPDA 簡化模型

結(jié)合分析和實際需求，設(shè)計了工作在主用頻段6～30MHz 的LPDA 天線，具體設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 LPDA 設(shè)計參數(shù)

考慮天線的小型化，用FEKO 軟件對天線振子不同彎折角度下的特性進行仿真，取振子半徑為0.003m，材料為銅。選取夾角因子為0.88，第一對振子夾角 取值如下：10°、20°、30°和40°。

圖2 給出了不同彎折角度下的天線性能圖。圖2（a）給出了對數(shù)周期天線的增益隨頻率變換曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，彎折角度的大小對低頻段增益影響較大，彎折角度越大，低頻增益下降越多。

圖2（b）給出了不同彎折角度下對數(shù)周期天線的駐波比隨頻率變換曲線（參考電阻為200Ohm）。可以發(fā)現(xiàn)，彎折角度的大小對低頻段駐波有一定影響，彎折角度越大，低頻駐波變化越大。

圖2（c）給出了不同彎折角度下對數(shù)周期天線的波束寬度隨頻率變換曲線。從圖中可知，低頻段角度越大，波束寬度越寬，而在高頻段，呈現(xiàn)交錯的趨勢，考慮高頻段所有頻點最小波束寬度，30°的夾角最優(yōu)。

圖2 不同夾角θ 下的天線性能

1.2 低頻段天線設(shè)計與仿真

在上述主用頻段天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過仿真優(yōu)化，確定增加2 對振子拓寬低頻段帶寬至3MHz，加載電阻阻值為95Ohm，延長尾部傳輸線長度為5m，附加枝節(jié)段長度為2m，這樣保證了對數(shù)周期天線的全頻段駐波比、增益和波束寬度等特性達到最優(yōu)。

下面討論加載電感對天線性能的影響。在每個振子根部加一個電感，共加四組八個，選取電感為5μH，電感因子取值如下：0.2、0.3、0.4、0.5 和0.6。

圖3 給出了不同電感因子下的天線性能圖。圖3（a）給出了天線駐波曲線圖?？梢钥闯?，電感因子越小，低頻段駐波越好。

圖3（b）給出了不同電感因子下的天線增益曲線圖?？梢钥闯觯煌姼幸蜃訉μ炀€增益影響較小。低頻段電感因子越大，增益越小；對于高頻段不同的電感因子，增益有稍微的波動。

圖3（c）給出了不同電感因子下的天線波束寬度曲線圖?？梢钥闯觯哳l段不同電感因子下的天線波束寬度較一致，中間頻段和最高頻段處稍有波動，但全頻段波束寬度均良好。

圖3 不同電感因子下的天線性能

2 天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合上述設(shè)計，增加支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計：橫梁長34m，大致架設(shè)在傳輸線中心位置。橫梁采用金屬鐵制結(jié)構(gòu)，架設(shè)方向與振子平行，勢必導(dǎo)致上面出現(xiàn)較大的感應(yīng)電流，導(dǎo)致天線性能惡化。如圖4 所示，加支撐結(jié)構(gòu)后，天線的駐波比發(fā)生了突變。

圖4 加支撐結(jié)構(gòu)前后天線駐波變化圖

圖5 加支撐結(jié)構(gòu)后振子上的電流分布

從圖5 中的電流分布可知，橫向的支撐結(jié)構(gòu)上感應(yīng)了較強的電流，導(dǎo)致天線駐波比變差。為消除這種影響，采用在橫向支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置斷點。為優(yōu)化設(shè)計，共需在橫向支撐結(jié)構(gòu)兩側(cè)各設(shè)置兩個斷點，對稱分布，斷點位于橫向支撐結(jié)構(gòu)中心為±2m 和±10m 的位置。

圖6 給出了完整結(jié)構(gòu)的對數(shù)周期天線模型。

圖6 支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的對數(shù)周期天線模型

圖7 給出了天線完整結(jié)構(gòu)的駐波比曲線，在短波全頻段天線駐波均不超過2.5。

圖8 給出了天線的增益仿真結(jié)果，結(jié)果表明：天線在主用頻段具有平均增益10dBi，天線在低頻段增益較低，這是因為天線大幅壓縮了縱向尺寸，其在低頻工作時，輻射區(qū)內(nèi)有效輻射振子少的緣故。

圖9 給出了不同頻率下H 面方向圖，可以看出，波束寬度均在80°以上。

圖7 對數(shù)周期天線駐波比

圖8 對數(shù)周期天線增益

圖9 水平面方向圖

3 結(jié)語

本文通過用彎折偶極子的方式來增大電流路徑從而降低諧振頻率出發(fā)(此處表示結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究起點)，以加載電容或電感的方式，拓展了工作頻率至短波全頻段，設(shè)計出了一種小型化的對數(shù)周期接收天線。天線長度僅22.85m，平均增益可達10dBi。仿真和研究結(jié)果表明，天線可以在有限的場地范圍內(nèi)，實現(xiàn)短波寬頻帶和遠距離通信，有效地實現(xiàn)資源集約化。