一种新型VHF/UHF双频宽带车载全向天线

吴荣远，曾百华

(中国电子科技集团公司第七研究所，广州 510310)

0 引言

当今通信车都有多个不同频段的通信系统同车工作，即使各系统多部同频段电台可用多路耦合器的方法实现共用一副天线，各系统不同频段电台仍需自配天线。

如能提供一些能供多频段公用的超宽带天线，最大限度地减少天线数量，使能减少电台共址干扰，提高通信质量和抗毁能力。

1 双频段宽带车载全向天线设计

1.1 技术指标要求及设计分析

某通信设备需要30 MHz～110 MHz、150 MHz～225 MHz和800 MHz～880 MHz三个频段的垂直极化车载全向天线，供频谱监测、频率规划设备使用。按常规设计，须采用三副天线，但车上已有若干天线，只能提供一副天线的安装空间，需要研制一种同时覆盖这三个频段的超宽带天线。

一般双频垂直极化全向天线，均采用底馈直线阵形式［1］。这类双频天线须遵循3倍频谐振的设计原则，天线辐射单元长度一般取低端频率的0.5λ，高端频率的1.5λ。在高频端工作时，只需在天线体中部加一个倒相线圈，构成一种串联馈电型二元直线阵天线。

若采用上述方法设计 30 MHz～110 MHz、150 MHz～225 MHz和800 MHz～880 MHz三频段天线，从天线辐射原理上分析，有两种途径:(1)可设计一副底馈双频天线，在天线体中部加一个高频倒相线圈来覆盖VHF频段(30 MHz～110 MHz、150 MHz～225 MHz)，再在天线顶部加800 MHz～880 MHz天线来满足三频段覆盖。这种天线需用同轴电缆给800 MHz～880 MHz天线馈电，在天线顶部和底部都必须采取信号隔离措施，导致结构可靠性低，匹配也难以实现，不适合作车载天线使用。(2)可以把800 MHz～880 MHz天线放在30 MHz～110 MHz、150 MHz～225 MHz双频天线高频倒相线圈底部。这种天线结构优点是结构简单、可靠，缺点是800～880 MHz天线架设高度低，接收信号不理想，且难以实现三频段匹配。

1.2 天线设计

设计该采用同轴中馈天线结构形式，增加了天线带宽［4，5］，且有效地克服了一般底馈双频垂直极化全向天线低频段增益低、辐射主波瓣容易上翘的不足。这种VHF/UHF双频宽带垂直极化全向天线，具有结构简单、超宽频带、增益高的优点，在超宽带无线监测、无线通信系统中有广泛的应用前景。用FEKO软件对天线进行了仿真计算，并通过实测获得了良好的辐射方向图和电压驻波比(VSWR)，其中实测的辐射方向图与仿真值基本一致。

选天线上、下辐射体基本长度均为0.625λ225MHz。天线下辐射体的顶端加一个λ840MHz/4长的同轴扼流套;将上辐射体分为三段，最下段长度为λ840MHz/4，上两段基本长度为λ840MHz/2，在相邻两段之间各接一个λ840MHz/2电长度的倒相线圈，由此构成在VHF频段工作于对称振子模式、在UHF频段工作于串联馈电三元直线阵模式的双频超段宽带天线，天线构成如图1所示。

图1 双频段宽带车载天线构成图

天线由同轴扼流圈A、下辐射体和上辐射体组成。下辐射体由辐射体B、同轴扼流套C组成;上辐射体由辐射体D1、D2、D3和两个倒相线圈H组成。同轴扼流圈A用SFF-50-2-1同轴电缆在3个NQ-20-37x23x15磁环上绕而成。辐射体B、D1和同轴扼流套C采用Ф12x0.5黄铜管材，辐射体D2和D3采用Ф8x0.5黄铜管材，倒相线圈用Ф1的漆包线在一段Ф8的环氧纤维棒上对绕而成。

该天线构成在VHF频段近似为一个对称振子天线，在UHF频段近似为由三个半波振子组成的三元直线阵天线。

2 天线的仿真测试分析

设计方案选天线辐射体总长度约为1.25λ225MHz，在天线下辐射体顶端放置一个λ 840 MHz/4长同轴扼流套;将上辐射体分为三段，最下段为λ840MHz/4长辐射体，上两段为λ840MHz/2长的辐射体，三段辐射体之间各串接一个电长度约λ840MHz/2，线圈直径为Ф8的倒相线圈。利用FEKO软件对两个倒相线圈的长度、圈数进行优化，使得天线在800 MHz～880 MHz频率范围内尽量保持在水平面辐射最大、增益最高，并在此前提下来满足30 MHz～225 MHz频率范围内辐射能量在水平面保持最大。

设计完成的天线水平面仿真增益曲线如图2所示，天线垂直面辐射方向图的仿真值和实测值分别如图3～图8所示。天线的水平面辐射方向性是由天线自身结构决定的。增益最高的200 MHz和860 MHz的水平面辐射方向图仿真结果，如图9所示。可见天线具有很好的水平面全向辐射特性。在UHF频段800 MHz时天线辐射方向图主瓣稍有下倾(见图6)，在880 MHz时天线辐射方向图主瓣稍有上翘(见图8)，充分体现了中馈天线和串馈天线的辐射特性的差异性，一般串馈天线最佳辐射特性带宽不大于±5%f0。

图2 双频段宽带车载天线水平面增益仿真图(dBi)

图3 双频段宽带车载天线30 MHz方向图

该天线设计关键点在于，如何选择天线上、下辐射体基本长度，来满足30 MHz～225 MHz频带内辐射方向图主波瓣保持在水平面辐射最大，使天线增益达到最佳值;如何优化上辐射体的两个倒相线圈的长度和圈数来保证800～880 MHz频带内天线辐射方向图主波瓣基本保持在水平面辐射最大，使天线增益达到最高。

设计时须注意的是:(1)天线辐射体长度选得太长时，在30 MHz～225 MHz高频端，天线辐射方向图会出现裂瓣现象，反之在低频端天线阻抗实部很小、虚部很大，不易匹配。(2)由于天线频带太宽，天线下辐射体的同轴扼流套只能满足800 MHz～880 MHz频段扼流要求;30 MHz～225 MHz频段的天线是靠加在天线底部的同轴扼流圈A来完成天线底部扼流的，用它来满足天线辐射方向性要求。

从图3～图8可以看出，仿真方向图和实测方向图形状、天线增益基本相同，证明该优化设计方法是可行的。图10、图11表明天线在VHF频段内(30 MHz～225 MHz)VSWR≤3.5，UHF频段内(800 MHz～900 MHz)VSWR≤2。这些测试结果表明此天线在30 MHz～225 MHz、800 MHz～880 MHz实现了双频段超宽带性能。

该天线是一种底部配有减震弹簧，供在车顶安装在天线倒伏装置上使用的双频段垂直极化水平面全向车载天线，其外形如图12所示。

3 结语

本天线在一副30 MHz～225 MHz超宽带中馈车载天线结构上进行改进，采用在天线下辐射体顶端加一个λ840MHz/4同轴扼流套，把上辐射体分为三段，在两段间各加一个电长度为λ840MHz/2倒相线圈的方法，实现了天线的VHF/UHF双频段超宽带工作特性。该结构改善了天线的辐射性能，能保证工作频率范围内天线在水平面上辐射能量最大，增加了天线在水平方向的增益。在30 MHz～225 MHz频带内天线水平面增益为1.5～4.5 dBi，在800 MHz～880 MHz频带内天线水平面增益大于6 dBi。该天线具有良好的匹配特性，在30 MHz～225 MHz频带内 VSWR≤3.5，在800 MHz～900 MHz频带内VSWR≤2。

该天线已批量投入使用，是一种较为理想的VHF/UHF复合型超宽带垂直极化车载全向天线。用此设计方法可设计其他VHF/UHF超宽频带垂直极化全向天线。

［1］李庆浩，郑会利，校欢庆.一种双频宽带天线设计［J］.电子科技，2008(9):18-20.

［2］WERNER P L，WERNER D H.Design Synthesis of Miniature Multiband Monopole Antennas with Application to Ground-based and Vehicular Communication Systems［C］//IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2005(4):104-106.

［3］I-FONG CHEN.Bandwidth Enchancement of a Coupled Meander-line-feed High Gain Whip Antenna［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2007，55(11):3078-3082.

［4］吴勇兴.VHF宽带中馈天线［J］.电子技术应用，1989(12):24-27.

［5］汤杰.一种新型VHF全向高增益天线［J］.科技通报，1985(06):51-52.