应急通信跨段中继套筒单极子天线设计

徐卫华，朱守正

(1.楚雄师范学院物电系，云南 楚雄 675000;2.华东师范大学信息科学技术学院，上海 200241)

引言

在森林防火巡逻和应急通信中，为了增强抗谐波干扰能力，经常使用V/U跨段中继构成通信系统;在业余无线电爱好者 (HAM)中，也存在数量不少的V/U跨段中继台，以及大量V/U双段双守的电台。这些通信系统中的车载和移动终端所使用的V/U双段天线，通常是鞭状直立天线。为了获得双段特性和阻抗匹配，鞭状天线通常需要在单极子天线的基础上增加阻抗匹配网络或者进行中间段的加载;为了获得足够的增益，还必须增加天线的长度。例如，现有品牌天线 (DIAMOND:NR－770R)的长度为1.02m，这样的高度显然不利于车载和移动。若上述V/U双段天线采用套筒天线，则总长度将降低。但是地板的尺寸对天线的输入阻抗和辐射方向图有很大影响;并且地板半径通常取不到一个波长到数个波长，［1—3］很大的地板成为不利因素，如文献设计了一付工作于200－700MHz频段的套筒单极子天线，地板为3.0m×3.0m的铝板。［4］因此如何减小地板甚至在某些情况下取消套筒以外的地板就变得很有意义。［5—6］

1 天线设计

1.1 天线结构

对单极子天线提高馈电点并附加套筒即构成套筒单极子天线 (如图1)。该天线具有超过一个倍频程的带宽，总长度通常取为工作频段下限频率所对应波长的1/4。［7］在文献中，提出了在天线底部增加套套筒取消地板的方案，但需要增加阻抗匹配网络。［8］特别注意的是，文献提出:套筒天线还具有双频带特性，即虽然在频段内某些频率上驻波值较大，但在高低两个频率之间具有较低的驻波值。［9］

综上所述，如果直接取消套筒以外的地板，利用套筒天线的双频带特性，使其驻波比较低的双频带刚好在我们预期的V/U频段内，并且其它指标也能满足需要，则可得到一个结构简单的U/V双段无地套筒单极子天线。

设计目标:在V/U应急通信频段 (V段:144.100MHz－145.000MHz;U段:433.000 MHz－433.500MHz)内VSWR＜2。

1.2 原理

图1 套筒单极子天线结构图Fig.1 Sleeve monopole antenna structure

从馈电点看进去，形成两个馈电网络:一个是长度为l2的同轴线变换网络，同轴线外导体为套筒的上半部分 (相对于馈电点)，内导体为辐射振子的延伸部分，其特性阻抗为Z01。一个是长度为l1的电抗网络，它的外导体为套筒的下半部分，内导体为同轴传输线的延伸，其特性阻抗为Z02。

馈电点的输入阻抗等效于上述两个网络阻抗的串联，其输入阻抗为

式中ZA是天线阻抗，它是辐射振子和套筒的辐射阻抗，β为相移常数。适当选取l1、l2、a、b等参数，天线阻抗通过内部结构网络的阻抗变换，即可在相当的频带内实现与主馈线的良好匹配。

一般认为套筒天线的辐射与阻抗特性主要取决于H/D、b/a、l2/l1，H/D 的最佳取值是 3。［7］

在取消地板并尽量减小套筒半径的原则下，根据文献的天线参数，［7，9］结合工程实际，采用型号为SFT－50－2－1的半刚单芯电缆作为同轴传输线，采用Q/YTG06－2001(B型)外经为55mm的铜管为套筒，初步选择参数如表1所示。

表1 套筒天线参数选择Tab.1 Sleeve antenna parameter selection

2 参数优化结果及天线性能分析

2.1 参数优化

用HFSS的参数扫描分析功能对套筒高度D进行优化。根据“小表多排因素，分批走着瞧，在有苗头出着重加密，在过稀处适当加密”的正交优化基本原理，［10］首先进行粗扫。所得电压驻波比曲线如图2(选择了3个典型值)。

图2 不同套筒高度对应的VSWR曲线Fig.2 Different sleeve heights versus VSWR curve

图3 D＝386mm时的VSWR曲线Fig.3 VSWR versus frequency for D=386mm case

从图3可知，取消地板以后，套筒单极子天线的宽频带特性变差，但是随着套筒高度的增加，出现显著的多频带特性。当D=386mm时，其驻波比较低的双频带刚好在我们预期的V/U频段内。优化参数如表2。

表2 套筒天线优化参数Tab.2 Sleeve antenna optimization parameters

图4 D=386mm时的E面增益方向图Fig.4 E－plane gain pattern for D=386mm case

2.2 天线性能分析

从图3可知，VSWR小于2的频率范围是V段:127MHz－149MHz，带宽22MHz;U段:417 MHz－450MHz，带宽33MHz。满足设计要求。

由图4可知，低频段天线方向图没有出现副瓣，最大辐射方向出现在θ=92°的位置上。高频段天线方向图出现分裂，最大辐射方向出现在θ=52°和θ=126°的位置上。

3 结论

通过HFSS软件仿真，研究了套筒单极子天线在无地板时的频率特性。结果表明，取消地板以后，套筒天线的宽频带特性变差，但是出现了显著的多频带特性。本文提出了一个无地板的套筒天线设计，并进行工程上的尺寸优化，套筒和同轴电缆均为标准尺寸，便于批量生产。仿真结果表明其在应急通信跨段中继的V/U双段能够满足所需的频带宽度，并且具有很好的辐射特性。由于取消了地板，该天线的横向尺度大为减小，便于车载和移动使用。为套筒天线的多频段应用提出了一个新的实例。

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