一种新型宽带鞭状套筒天线

康文臣，赵智兵

(国营第七一三厂研究所，江西九江332002)

0 引言

套筒单极子天线作为一种宽频带天线在现代化通信和遥感系统中已被广泛采用。在实际应用中，套筒单极子天线通常置于有限大地板上［1，2］，且总高度通常取工作频段下限频率所对应波长的1/4［3］。正是基于这种安置，套筒单极子天线作为一种车载天线，已经显现出它特有的结构简单、重量相对较轻、方向图稳定和带宽较宽［4］等优点，其适用范围也逐渐从短波、超短波天线发展到微波频段［5］。但是在短波、超短波频段内，为了让天线实现宽频段可靠增益的要求，天线的套筒直径尺寸通常较大［6］，或者将天线的振子部分加粗，这给天线带来2个缺点:一是总重量加大，不便携带;二是不便于安装，需要和相应大小的地面配合。这也是套筒天线相对单极子天线的一个缺点，因此在保障宽频带阻抗带宽以及相当可靠增益的前提下，研究如何减少套筒半径和振子半径相当有必要。在传统的套筒单极子天线辐射振子外加共轴套［7］，或做成双套筒结构［8］，或多级粗细不同振子串连形式［9－12］，这些结构都可以有效地展宽阻抗带宽。

本文采用3层套筒单极子辐射体的模型，在满足阻抗带宽和增益等指标要求下，有效减少了天线的半径，使得天线更易鞭状化，便于加载到各种载体。地板的大小会对天线的辐射特性和阻抗特性产生影响，可以在天线的底部增加扼流圈，以减少天线对地板的依赖程度。

1 天线结构与设计

传统套筒天线的结构如图1所示，在普通单极子天线的外面罩上一个接地的金属圆筒，能够极大地改善单极子的工作特性。

图1 传统套筒天线结构

在该套筒天线结构中，L为上套筒长度，S为下套筒长度，D为下套筒直径，d为上套筒直径，套筒天线采用同轴线馈电。这些结构参数的选取是否恰当以及馈电点的位置都会影响到天线工作特性和工作频带范围，当D/d=3、L/S=2.25时，套筒天线水平方向辐射性能最佳。但该结构在实际应用时存在以下2个缺点:

①地面位置对套筒带宽影响较大，如果天线使用环境需要架高，则带宽受限;

②下套筒的直径过大，导致某些场合不适用(如背附式、手持式)。

为规避上述缺点，需要开发出一种小直径、易鞭状化、受地面影响不大的套筒天线形式，以实现宽带水平辐射。本文提出的新型宽带鞭状套筒天线采用3层套筒形式实现，其结构如图2所示。

图2 新型鞭状套筒天线结构

天线由内导体、上/下外套筒、内套筒、介质垫片、高频短路片和馈电端口组成，该结构具有首创性。在该套筒天线结构中上/下套筒直径相等，上套筒顶面短路，底面开路，与介质相连接，下套筒顶面开路与介质相连接，底面与内套筒外表面相连。上/下套筒是天线的主要辐射体，长度指标直接影响天线的谐振频率，粗细指标对天线的带宽影响较大。当上/下套筒长度比例在1.25:1时套筒宽带效果最好，且地面对天线带宽等性能影响可忽略。图2中的高频短路片主要起抑制高频反向电流作用，使得天线在高频端水平方向有一定的增益。它在一定位置将下层外套筒和内套筒相连接，当频率变高时，天线辐射体上将会出现电压波腹(反向电流)，短路片会在一定的频率范围内抑制这种波腹点。内套筒和内导体构成传输线，起宽带阻抗匹配的作用，同时和下层外套筒在2个位置构成短路，起压低高频波瓣的作用。

若不计入各种非理想因素造成的损耗，该鞭状套筒天线的等效电路结构如图3所示。馈入能量通过2级套筒阻抗变换(等效成π型网络)接入辐射体，并同时和短路片、上套筒并联。

图3 天线等效电路

图3中，由于天线工作频带比较宽，短路片/上套筒必须近似等效成电感和电容的并联(随频率的3阶近似);辐射体电阻为外套筒的等效辐射电阻，由于能量是在谐振的过程中发射的，因此为并联关系;短路片与辐射体形成的附加电容在高频段时，外套筒上的电流通过短路片接地，因此和套筒表面电感是串联关系，在低频段附加电容值减小，影响变弱，符合实际情况。

从电路分析的角度，2级π型网络实现了馈电端口阻抗实部和辐射电阻R之间的匹配，短路片、上套筒以及天线本身都各自形成并联谐振电路，确保各谐振点之间的小频率间隔，就能够通过3频谐振实现天线的宽带匹配。

但是，天线的匹配带宽变大并不一定意味着天线的水平增益变高，当频率变高时，由于反向电流的出现，必然导致天线波束指向的变化，如果要使天线的水平方向在一个较宽的频带内保持一定增益，则短路片的位置至关重要。实际上，短路片加载的套筒构成2个套筒天线，随着频率的变化，电流发生自组织改变，保证了天线在很宽的频带内的水平增益。

2 天线性能测量与分析

依据上述理论分析，设计了一副工作频率在220～600 MHz的鞭状套筒天线，全频段范围内天线的水平方向增益要求大于0 dBi。依据图2所示的天线结构，内导体的半径、内套筒的长度和半径可以通过天线能量馈入端口的输入阻抗必须和同轴线特性阻抗50 Ω相匹配来确定。影响天线性能关键性结构参数如下:上/下套筒长度L1、L2，介质垫片长度L3以及高频短路片位置L4。借助电磁仿真软件，通过优化调节，可以得到当L1=285 mm、L2=335 mm、L3=60 mm和L4=160 mm时，天线总长度为680 mm，直径为20 mm，天线电性能满足设计要求。在天线加工的过程中，套筒采用铜管，内导体采用铜棒，先将内导体焊接好，再在上套筒上打定位装置，确保内导体和上套筒的相对位置固定，再套入介质棒。下套筒采用和上套筒同样的定位方法制作，实物如图4所示。

图4 鞭状套筒天线实物

由于天线工作频率比较低，水平增益在户外两楼顶之间进行测量，采用和半波振子对比测试的方法，半波振子天线采用可伸缩抽拉结构实现，保证不同测试频点的天线都为标准半波长度(增益为2.15 dBi)，将不同频段套筒天线测试数据和标准半波天线相比，天线水平方向增益的仿真值和测量值如图5所示，在工作频段内二者吻合较好。驻波比测试采用矢量网络分析仪，天线驻波比的仿真与实际测量值如图6和图7所示。由于加工精度问题，驻波比测量数据和仿真数据有些差别，但实际应用中，这样的驻波是可以接受的。

图5 天线水平增益仿真值与测量值

图6 天线驻波仿真值

图7 天线驻波实测值

天线在工作带宽内几个典型频点上的方向特性如图8所示，可见在400 MHz以下频段方向特性没有裂瓣，400 MHz以上方向图有裂瓣，水平方向增益会略有下降。但在220～600 MHz频段内，天线的水平增益均在0 dBi以上，最高增益出现在330 MHz和570 MHz，达到2.5 dBi。

图8 典型频率处的方向图

在图2所示的鞭状套筒天线图中，上/下套筒长度L1、L2，介质垫片长度L3以及高频短路片位置L4是影响该天线性能指标最为敏感和最为重要的参数。介质垫片的长度L3和天线的谐振频率关系不大，只影响整体匹配性能，存在最优值。保持天线总长度L1+L2+L3=680 mm以及介质垫片长度L3=60 mm不变，改变上/下套筒长度比例K=L1/L3，得出的驻波特性如图9所示;改变短路片的位置L4，得出的驻波图如图10所示;改变上套筒的长度L1，而其他参数保持不变，得出的驻波图如图11所示。

图9 不同套筒长度比驻波图

图10 不同短路片位置驻波图

图11 不同上套筒长度驻波图

从图9、图10和图11中可以得到各结构参数变化对天线性能的影响如下:

①上/下套筒长度比例的变化，对天线中间频段驻波性能影响较小，而对于高频段和低频段，影响较大。说明天线是由多个谐振频率点组成的宽带天线，且上、下套筒各自有谐振点(这也可以说明地面对天线性能影响变小)。

②短路片位置对高频影响较大，对低频影响较小，这说明下套筒对高频能量辐射效率较高。此外从图10中可以明显看出上套筒、下套筒和短路片3个位置所决定的3个谐振频率。

③当上套筒的长度L1变大时，这个谐振频率向低频移动，说明上套筒不仅决定低频辐射效率，而且对高频辐射效率也有贡献。

3 结束语

传统套筒单极子天线因具有良好的宽频带特性而得到较为广泛的应用。在保持其基本电性能不变的情况下，提出了一种新型3层套筒天线结构形式，结合该天线的等效电路分析了该结构的可行性，设计了一副工作频率范围在220～600 MHz鞭状套筒天线。测量结果表明，天线在工作频段内匹配良好且在水平方向增益高于0 dBi，且该天线具有对地不敏感、套筒半径小和易于鞭状化等优点，适合超短波背负和车载环境使用。

［1］ TAGUCHI M，EGASHIRA S，TANAKA K．Sleeve Antenna with Ground Wires［J］．IEEE Trans on Antennas and Propagation，1991，39(1):1 －7．

［2］ 温 刚，张 云．套筒单极子天线的理论计算方法［C］∥宁波:2007年全国微波毫米波会议，2007:14－17．

［3］ WANG B，KWON H M．PN Code Acquisition Using Smart Antenna for Spread-spectrum Wireless Communications［J］．IEEE Trans on Vehicular Technology，2003，52(1):142－149．

［4］ YANG Xiao-dong，LI Ying-song，LI Qu-tang，et al．Analysis and Experimental Invertigation on a Novel Wideband Sleeve Dipole Array Antenna［J］．International Journal of Electronics and Communications Letters，2011，65(4):373－376．

［5］ DONG T，CHEN Y P．Novel Design of Ultra-wideband Printed Double-sleeve Monopole Antenna［J］．Progress in Electromagnetics Research Letters，2009，l(9):165 －173．

［6］ SHEN Zhong-xiang，QIAN Chen．A Broadband Double Sleeve Monopole Antenna［C］∥Microwave Conference 2000 Asia-pacific．Sydney，2000:1 461 －1 464．

［7］ THOMAS K G，LENIN N，SREENIVASAN M．Wide-band Dual Sleeve Antenna［J］．IEEE Trans on Antennas and Propagation，2006，54(3):1 034 －1 037．

［8］ 张健鑫，傅 光．改进型套筒单极子天线的设计［C］∥成都:2009年全国天线年会，2009:1 088－1 092．

［9］ 卢 昭，傅 光．一种改进型套筒单极子天线的研究［J］．电子科技，2007(3):5 －12．

［10］王 磊，傅 光，陈 俊．一种新颖的套简单极子天线［J］．电子科技，2008(9):17 －19．

［11］纪奕才，田步宁，孙保华，等．VHF宽带小型化套筒天线的优化设计［J］．电波科学学报，2003，18(6):659－662．

［12］周 斌，刘其中，纪奕才，等．新型套筒天线的研究与应用［J］．电波科学学报，2006，21(5):746－749．