唐金彪，李相強(qiáng)，崔玉國(guó)，喬小斌

（1.西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031；2.中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266107）

0 引言

超短波是指頻率為30～300 MHz 的電磁波，其廣泛地應(yīng)用于廣播、移動(dòng)通信、雷達(dá)和戰(zhàn)術(shù)通信中[1-4]。超短波的主要傳播方式為視距傳播，這種傳播方式要求天線具有較高方向性和增益。對(duì)數(shù)周期天線是一種經(jīng)典的非頻變天線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作頻帶寬、增益高以及定向性好等特點(diǎn)[5-6]，廣泛地應(yīng)用于各種通信領(lǐng)域。傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很成熟[7-9]，基本是根據(jù)增益與τ（比例因子）和σ（間距因子）的關(guān)系曲線找出最佳的τ和σ，再根據(jù)工作帶寬通過(guò)公式計(jì)算出各個(gè)振子的長(zhǎng)度與間距。這樣設(shè)計(jì)出的對(duì)數(shù)周期天線雖然能夠在工作頻帶內(nèi)獲得可觀的電性能，但是天線的集合線長(zhǎng)度往往過(guò)長(zhǎng)，不利于天線的實(shí)際使用[10]。在設(shè)計(jì)時(shí)需要通過(guò)優(yōu)化τ和σ使天線的集合線長(zhǎng)度滿足實(shí)際的需要[11]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在短波、超短波以及微波波段對(duì)對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行了廣泛研究[12-15]。傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線的尺寸一般較大，為了減小對(duì)數(shù)周期天線的尺寸，使其能夠更加廣泛地運(yùn)用，對(duì)數(shù)周期天線的小型化顯得尤為重要。對(duì)數(shù)周期天線的小型化包含對(duì)橫向和縱向的小型化?，F(xiàn)有的對(duì)數(shù)周期天線小型化的研究主要集中于對(duì)稱(chēng)振子上，通過(guò)對(duì)振子結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂端加載、彎曲螺旋、傾斜振子等技術(shù)[16-20]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線在橫向上的小型化；而對(duì)數(shù)周期天線在縱向尺寸上的小型化主要是通過(guò)增大τ減小σ，以實(shí)現(xiàn)集合線的長(zhǎng)度變小。但是只通過(guò)增大τ減小σ會(huì)讓帶寬和增益變得難以調(diào)整，不能很好地調(diào)整天線的集合線長(zhǎng)度與增益。以上針對(duì)天線在橫向上的小型化方法在頻率高的波段，例如在微波波段均適用，而在低頻頻段，如超短波頻段，上述通過(guò)改變振子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線在橫向上的小型化技術(shù)將會(huì)使天線結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，不利于天線的移動(dòng)、快速布設(shè)。因此，本文中為了滿足各項(xiàng)指標(biāo)，在增大τ減小σ基礎(chǔ)上提出了分段設(shè)計(jì)，采用兩組τ和σ以實(shí)現(xiàn)縱向長(zhǎng)度和增益的可控。

綜上所述，為了滿足實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種用于超短波接收的對(duì)數(shù)周期天線。天線尺寸為4.9 m（橫向）×7.0 m（縱向），工作于30～70 MHz，理論仿真與實(shí)驗(yàn)表明，該天線在工作頻率范圍內(nèi)駐波比小于1.5，相對(duì)阻抗帶寬為80%，典型增益大于8 dBi。

1 天線的基本結(jié)構(gòu)

對(duì)數(shù)周期天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)

對(duì)數(shù)周期天線由N對(duì)對(duì)稱(chēng)振子組成，在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)：

1）相鄰振子的長(zhǎng)度滿足比例因子τ：

2）前后振子之間的間距滿足間隔因子σ：

因?yàn)檎褡拥拈L(zhǎng)度按τ變化，當(dāng)頻率改變時(shí)，相應(yīng)的諧振振子在集合線上的位置發(fā)生改變，始終保證有長(zhǎng)度為12 波長(zhǎng)的振子進(jìn)行輻射，因而對(duì)數(shù)周期天線可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作。對(duì)數(shù)周期天線的饋電在最短振子方向，其輻射方向由長(zhǎng)振子指向短振子方向。

2 分段對(duì)數(shù)周期天線設(shè)計(jì)

2.1 天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際需求和實(shí)際指標(biāo)（集合線尺寸小于7 m，工作頻率為30～70 MHz，增益大于8 dBi）設(shè)計(jì)一款對(duì)數(shù)周期天線。為了滿足這樣的指標(biāo)需求，若采用單一的τ和σ，天線的長(zhǎng)度、增益和帶寬將難以同時(shí)滿足要求。為了使天線的各項(xiàng)指標(biāo)滿足需求，本文采用兩組τ和σ的方式對(duì)對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。

對(duì)指標(biāo)和天線結(jié)構(gòu)綜合考慮，取τ1=0.922、σ1=0.067、τ2=0.937、σ2=0.067，其中振子數(shù)量為20對(duì)，綜合考慮帶寬、增益以及天線長(zhǎng)度，取中間處的振子作為分段，建立如圖2 所示的天線模型。

圖2 本文天線結(jié)構(gòu)

在基本的τ和σ下，滿足集合線所需長(zhǎng)度，分析其匹配特性。采用基于時(shí)域有限差分的電磁仿真軟件對(duì)圖2 所示的天線進(jìn)行仿真分析。圖3中虛線為集合線平行的VSWR，從結(jié)果來(lái)看天線駐波比在42.5 MHz和61 MHz附近出現(xiàn)尖峰，天線的阻抗匹配特性有待優(yōu)化。

圖3 集合線有無(wú)夾角時(shí)天線的VSWR

為了使天線的阻抗變化平穩(wěn)，將天線集合線張開(kāi)，形成一個(gè)夾角φ，對(duì)φ取0.3°進(jìn)行仿真，其駐波比結(jié)果如圖3 中實(shí)線所示。其結(jié)果表明通過(guò)集合線形成一定的夾角可以有效地消除集合線平行時(shí)VSWR 曲線中的尖峰，改善天線的阻抗匹配特性。圖4 為集合線夾角的改變對(duì)增益的影響，可以看出集合線夾角的變化對(duì)增益幾乎沒(méi)有影響。

圖4 集合線有無(wú)夾角時(shí)天線的增益

為了更好地體現(xiàn)兩組τ和σ可以方便地調(diào)整天線的增益和長(zhǎng)度。現(xiàn)對(duì)兩組τ和σ進(jìn)行仿真分析，其對(duì)應(yīng)的結(jié)果如圖5～圖8 所示。從圖5 和圖6 中可以看出τ1和σ1主要影響低頻段的增益，對(duì)高頻段的增益影響較小。圖7 和圖8中τ2和σ2則主要影響高頻段的增益，對(duì)低頻段的增益影響較小。因此通過(guò)采用兩組τ和σ的方式可以方便地調(diào)整天線的增益和長(zhǎng)度。本設(shè)計(jì)中對(duì)于高頻和低頻的增益要兼顧，且需考慮天線的總長(zhǎng)度，因此本文中取位于中間位置的振子作為分段點(diǎn)。

圖5 τ1 對(duì)增益和長(zhǎng)度的影響

圖6 σ1 對(duì)增益和長(zhǎng)度的影響

圖7 τ2 對(duì)增益和長(zhǎng)度的影響

圖8 σ2 對(duì)增益和長(zhǎng)度的影響

2.2 天線最終參數(shù)

經(jīng)過(guò)仿真與優(yōu)化，天線的最終參數(shù)如表1所示，其中N表示對(duì)稱(chēng)振子的對(duì)數(shù)，D表示對(duì)稱(chēng)振子的直徑，S為集合線的間距，W為集合線的寬度，L1為最長(zhǎng)端振子的長(zhǎng)度。

表1 對(duì)數(shù)周期天線的設(shè)計(jì)參數(shù)

利用電磁仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行仿真計(jì)算，其駐波比及增益結(jié)果如圖9 所示。仿真結(jié)果表明，在30～70 MHz內(nèi)駐波比小于1.5，典型增益大于8 dBi。

圖9 對(duì)數(shù)周期天線的駐波比和增益

2.3 考慮地面影響的天線分析

天線實(shí)際架設(shè)在地面上，且天線距地面的高度不能超過(guò)3.5 m?，F(xiàn)對(duì)地面和天線進(jìn)行綜合仿真分析。地面參數(shù)設(shè)置為：εr=10，σ=2×10-3S/m。天線采用水平極化方式工作，集合線的中點(diǎn)距離地面的高度為3.5 m。當(dāng)天線繞支撐點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度為20°和40°時(shí)（以天線平行于地面為0°參考），相應(yīng)的駐波曲線如圖10 所示，相應(yīng)的垂直面輻射方向圖如圖11、圖12 所示。

圖10 天線旋轉(zhuǎn)20°和40°時(shí)的駐波比

圖11 天線旋轉(zhuǎn)角度20°時(shí)不同頻率的方向圖

圖12 天線旋轉(zhuǎn)角度40°時(shí)不同頻率的方向圖

圖11、圖12 表明：旋轉(zhuǎn)角度α固定不變時(shí)，方向圖中逐漸出現(xiàn)下陷點(diǎn)，并且隨著頻率的增加逐漸加深。當(dāng)頻率不變時(shí)，方向圖中的下陷點(diǎn)向θ增大的方向移動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度α分別為20°和40°時(shí)，高頻方向圖在60°附近始終有一個(gè)增益下陷點(diǎn)。

圖11、圖12 中方向圖均出現(xiàn)增益下陷，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行分析。當(dāng)天線架設(shè)在實(shí)際地面上時(shí)，天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為直射波和地面反射波之和。因此，天線的方向圖為天線本身的方向圖與地面鏡像形成的陣因子方向圖之積。其中陣因子方向圖可以表示為[21]：

式中Γ=|Γ|ejφ。對(duì)于水平極化，實(shí)際地面反射系數(shù)為：

將地面參數(shù)（εr=10，σ=2×10-3S/m）代入式（4）。以α=20°頻率為70 MHz 為例。此時(shí)天線的最大電流分布在第13 對(duì)振子附近，以第13 對(duì)振子確定天線高度約為0.99λ。使用Matlab 畫(huà)出地面鏡像形成的陣因子方向圖，如圖13 所示。

從圖13 中可以清晰地得知陣因子方向圖在30°左右出現(xiàn)下陷。因此在圖11 和圖12 中出現(xiàn)的增益下陷是由天線與地面之間的鏡像陣因子造成的，當(dāng)輻射區(qū)的高度與波長(zhǎng)滿足0.99λ時(shí)，天線方向圖中均會(huì)出現(xiàn)增益零點(diǎn)。同時(shí)可以推斷，當(dāng)高度發(fā)生變化時(shí)，陣因子方向圖也會(huì)隨之發(fā)生改變，其增益下陷點(diǎn)也會(huì)改變。在本設(shè)計(jì)中α分別為20°和40°可以滿足使用要求。

3 對(duì)數(shù)周期天線測(cè)試

對(duì)前文設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。選取天線旋轉(zhuǎn)角度為20°和40°，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，20°狀態(tài)下的測(cè)試頻率選為30 MHz 和50 MHz，40°狀態(tài)下的測(cè)試頻率選為60 MHz。天線架設(shè)在地面上，如圖14 所示。

圖14 對(duì)數(shù)周期天線架設(shè)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試駐波，超短波寬帶發(fā)射機(jī)進(jìn)行功率放大，無(wú)人機(jī)搭載選頻輻射分析儀測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)。其中無(wú)人機(jī)搭載選頻輻射分析儀按照規(guī)劃好的飛行軌道飛行，同時(shí)選頻輻射分析儀實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理得到天線的方向圖。通過(guò)將選頻輻射分析儀測(cè)量的電平值進(jìn)行計(jì)算，得到天線的輻射增益。

式中：Pr為由探頭接收數(shù)據(jù)和探頭性能曲線計(jì)算得到的探頭接收電平值，單位為dBm；Lbf為自由空間衰減損耗，單位為dB；Lc為測(cè)試系統(tǒng)中的電纜和接頭損耗，單位為dB；Pt為信號(hào)源輸出功率電平值，單位為dBm；Gr為接收探頭增益，單位為dB。

圖15 為仿真與測(cè)試的駐波比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在工作頻率范圍內(nèi)，天線駐波比小于1.5，與理論仿真結(jié)果基本吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)良好匹配。

圖15 對(duì)數(shù)周期天線的仿真與測(cè)試駐波比

圖16 和圖17 分別為對(duì)數(shù)周期天線在30 MHz、50 MHz、60 MHz 頻點(diǎn)的垂直面方向圖和水平面方向圖，其中30 MHz 和50 MHz 對(duì)應(yīng)天線旋轉(zhuǎn)角度為20°，60 MHz 對(duì)應(yīng)天線旋轉(zhuǎn)角度為40°。從圖中可知，仿真與測(cè)試的方向圖基本符合。

圖17 天線在30 MHz、50 MHz、60 MHz 下的水平面方向圖

表2 為對(duì)數(shù)周期天線的測(cè)試增益結(jié)果與仿真增益結(jié)果。從表2 可知，實(shí)際測(cè)試增益結(jié)果與理論仿真增益結(jié)果基本吻合，差約0.8 dBi，這可能是天線加工誤差、測(cè)試設(shè)備誤差以及測(cè)試環(huán)境等原因造成的。

表2 對(duì)數(shù)周期天線的最大輻射增益

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了對(duì)數(shù)周期天線的基本原理和結(jié)構(gòu)，然后采用兩組τ和σ設(shè)計(jì)了一種用于超短波接收的對(duì)數(shù)周期天線，使天線的電氣性能在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求下控制天線的長(zhǎng)度在7 m 以?xún)?nèi)。將設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行加工與測(cè)試，駐波比的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，在工作頻帶內(nèi)，駐波比小于1.5，天線在垂直面和水平面的測(cè)試方向圖和理論仿真方向圖基本一致。本文設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)周期天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、帶寬寬以及電氣性能好等特點(diǎn)，具有一定的機(jī)動(dòng)能力，可滿足實(shí)際場(chǎng)景中對(duì)超短波天線的應(yīng)用需求。

注：本文通訊作者為李相強(qiáng)。