王瑞玉

摘 要：常規(guī)環(huán)天線受制于其尺寸而僅能諧振于某一固定窄帶頻點(diǎn)，因而限制其多場(chǎng)合使用。本文提出一種嵌套環(huán)天線，通過(guò)仿真與分析，指出該型環(huán)天線設(shè)計(jì)的有效性與獨(dú)特性：嵌套環(huán)的數(shù)量增加諧振點(diǎn)數(shù)，引入適當(dāng)缺口可以獲得多頻點(diǎn)和寬頻性。這為環(huán)天線的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：環(huán)天線;缺口;多頻;短波

Abstract：The conventional loop antenna is limited by its perimeter and only resonates at a certain fixed narrowband frequency point， and thus its practical application is limited. In this paper， a nested ring-loop antenna is proposed. Through simulation and analysis， the effectiveness and uniqueness of this type of loop antenna are pointed out： the nested number increases the number of resonance points， and the introduction of an appropriate gap can obtain multiple frequency points or broadband frequencies. It lays a foundation for the further application and research of the loop antenna.

Keywords： Ring antenna， notch， multi-band，shortwave

環(huán)形天線是一種閉路天線[1]，其中包括的諧振環(huán)天線有適中的輸入阻抗，對(duì)稱的方向圖和適當(dāng)?shù)姆较蛐韵禂?shù)，很多參數(shù)與直線振子極為相似，研究表明每個(gè)諧振環(huán)可等效為兩個(gè)半波振子的疊加[2]。環(huán)天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，架設(shè)靈活且工作在諧振狀態(tài)的高Q值的特點(diǎn)使得其在無(wú)線電監(jiān)測(cè)、電磁兼容測(cè)試有廣泛應(yīng)用。但環(huán)天線的缺點(diǎn)如單頻點(diǎn)、窄頻帶性較突出，因而在短波收發(fā)場(chǎng)合應(yīng)用較少。如果一副以普通環(huán)為基礎(chǔ)的天線能彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，就可以顯著降低使用成本，擴(kuò)大環(huán)天線使用場(chǎng)合。所以，具有低成本、易制作特性的多頻環(huán)天線成為需要克服的難題。

雖然近些年引入機(jī)電結(jié)合、插入阻抗元件或網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償技術(shù)、開槽結(jié)構(gòu)等可以顯著增加短波天線的諧振點(diǎn)和擴(kuò)展工作頻帶，但整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，實(shí)用性較差，且難以移植到環(huán)天線上。若借助于分形結(jié)構(gòu)，引入結(jié)構(gòu)的自相似性，可以使環(huán)天線能夠在多個(gè)頻段工作。研究表明，天線的通頻帶由嵌套環(huán)數(shù)量大小控制，且各諧振頻點(diǎn)與相應(yīng)輻射單元的尺寸密切相關(guān)[3]。因此本文提出一種簡(jiǎn)易的嵌套環(huán)天線結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實(shí)際情況可自行調(diào)整嵌套環(huán)大小和缺口位置、數(shù)量，可有效引入多頻點(diǎn)和寬頻性，克服單環(huán)天線的缺點(diǎn)，為其廣泛應(yīng)用奠定了研究基礎(chǔ)。

具體天線結(jié)構(gòu)如圖1所示：

選定一個(gè)外環(huán)半徑3.5m，內(nèi)環(huán)3.49米，口徑0.01米的銅環(huán)天線為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，下面展示嵌套環(huán)數(shù)量以及缺口位置對(duì)天線性能的影響。

當(dāng)一個(gè)普通單環(huán)天線，其半徑長(zhǎng)度為2.5米，3米，3.5米時(shí)，其天線反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，普通單環(huán)天線為單一諧振頻率，半徑為3.5、3米、2.5米時(shí)，諧振點(diǎn)為14.3MHz、17Mhz、20MHz，反射系數(shù)為-17dB附近。隨著半徑的減小，環(huán)天線發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象;而當(dāng)普通單環(huán)天線分別引入半徑為3米、2.5米的嵌套環(huán)時(shí)，其天線反射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖3所示：

從圖3可知，普通單環(huán)天線為單一諧振頻率，此時(shí)諧振點(diǎn)為14.3Mhz，反射系數(shù)-17dB;當(dāng)嵌套進(jìn)3米形成雙環(huán)天線時(shí)，以-10dB為界，有明顯的雙頻段，第一諧振點(diǎn)為14.6MHz，反射系數(shù)為-27.61db，第二諧振點(diǎn)為18.2Mhz，反射系數(shù)為-17.86dB;當(dāng)嵌套進(jìn)2.5米和3米形成三環(huán)天線時(shí)，以-10dB為界，有明顯的三頻段，第一諧振點(diǎn)為15.2MHz，反射系數(shù)-17.89dB，第二諧振點(diǎn)為18.50Mhz，反射系數(shù)為-23.44dB，第三諧振點(diǎn)為22.70MHz，反射系數(shù)為-12.75dB。三環(huán)嵌套天線諧振點(diǎn)近似于三個(gè)不同尺寸的環(huán)天線各自獨(dú)立諧振頻率，從三環(huán)天線三個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的表面電流也可以看出，如圖4所示。

圖4所示三個(gè)表面電流圖分別對(duì)應(yīng)從低頻到高頻的三環(huán)諧振頻率，在每個(gè)環(huán)間距為0.5米的情況下，三環(huán)嵌套天線效果近似于三個(gè)獨(dú)立環(huán)天線諧振頻率。因?yàn)樘炀€的部分結(jié)構(gòu)之間間距較小，環(huán)與環(huán)之間會(huì)產(chǎn)生互耦，所以3個(gè)環(huán)之間并不獨(dú)立，因而諧振點(diǎn)不完全符合三個(gè)獨(dú)立環(huán)天線頻率。當(dāng)嵌套環(huán)大小變化時(shí)，也就是環(huán)之間間距變動(dòng)時(shí)，在一定范圍內(nèi)，其諧振點(diǎn)是可以控制的。以雙環(huán)嵌套為例，如圖5所示。

圖5所示雙環(huán)嵌套，當(dāng)內(nèi)環(huán)從3.2米減小到2.6米時(shí)，雙環(huán)天線的高頻頻點(diǎn)發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，說(shuō)明嵌套環(huán)天線可以根據(jù)環(huán)大小變化來(lái)調(diào)整實(shí)際需要的頻點(diǎn)。

文獻(xiàn)說(shuō)明了當(dāng)環(huán)天線引入缺口，可有效分割出不同的電流模式，引入不同的諧振頻率，且缺口的大小并不會(huì)導(dǎo)致頻率明顯的偏移[4]。以外側(cè)大銅環(huán)天線圓心為頂點(diǎn)，以圓心到饋線端中心為圓弧起始線，旋轉(zhuǎn)a的角度確定缺口位置，為簡(jiǎn)潔結(jié)果說(shuō)明，只摘出a角度為90度和120度兩個(gè)角度說(shuō)明缺口環(huán)天線的特性，其結(jié)構(gòu)和反射系數(shù)如圖6、7所示。

常規(guī)環(huán)天線僅能諧振于某一固定窄帶頻點(diǎn)，但借助于嵌套結(jié)構(gòu)和引入缺口，可以有效擴(kuò)展其頻帶和增加頻點(diǎn)。本文通過(guò)仿真與分析，證實(shí)了該結(jié)構(gòu)的有效性與獨(dú)特性：嵌套環(huán)的數(shù)量增加諧振點(diǎn)數(shù)，引入適當(dāng)缺口可以獲得多頻點(diǎn)和寬頻性。此研究結(jié)果可能為環(huán)天線的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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