一种结构紧凑带阻抗补偿的新型UHF套筒天线

李峰+李铁军+魏亮

摘 要： 通过采用一种新的阻抗补偿技术设计出一种新型的机载宽频带套筒天线，经仿真和实测证明采用这种阻抗补偿技术对套筒天线方向图没有明显的影响。新型UHF套筒天线与普通机载超短波天线相比具有结构紧凑、气动性佳、功率容量大、直流接地的明显优势，非常适宜于安装在高速飞机上。

关键词： 机载天线； UHF套筒天线； 阻抗补偿； VSWR

中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0089?03

A novel UHF sleeve antenna with compact structure and impedance compensation

LI Feng， LI Tie?jun， WEI Liang

（Chinese Flight Test Establishment， Xi′an 710089， China）

Abstract： A nevel airborne wideband sleeve antenna was designed with a new impedance compensation technology. The simulation and measured results prove that the impedance compensation technology will not bring a obvious influence on sleeve antenna pattern. Compared with common airborne ultrashort wave antenna， the new UHF sleeve antenna has more compact structure， better aerodynamic property， larger power capacity and more perfect DC grounding. The antenna is suitable for high?speed aircrafts.

Keywords： airborne antenna； UHF sleeve antenna； impedance compensation； VSWR

0 引 言

粗振子有较低的特性阻抗，当其采用不对称的馈电结构时可以有效展宽天线的阻抗带宽。粗振子实现不对称馈电的简单方法就在辐射体外面加上一个与之同轴的金属套筒，这就是常见的套筒天线。

Wong和King通过试验研究发现，套筒天线具有较宽的阻抗带宽，当其安装于反射面上时，在近8倍频程的范围内方向图近似为全向[1]。地板的大小往往会对天线的阻抗特性产生很大的影响[2?4]。

当套筒单极天线带有地线时，天线的输入阻抗变化趋于平缓，通过调节地线的参数可以有效地控制输入阻抗的变化，对展宽阻抗带宽是有利的[5]。

常见套筒天线的结构如图1所示。其主要结构参数有：上辐射体长度[l，]套筒长度[L=L1+L2，]上辐射体直径[d]和套筒直径[D。]理论和实验表明，对天线电特性起决定作用的参数是套筒单极子的总长度[L+l]及上辐射体长度与套筒长度之比[6][lL。]

1 一种新型的UHF套筒天线

如图2所示为一种新型套筒天线的结构示意图，其中[H]为馈电柱高度，[R1]为短路螺栓半径，[R2]为圆柱套筒底部内径，[R3]为圆柱套筒顶部内径。可以看出天线基本结构为套筒天线结构，天线高度为240 mm。

图1 常见套筒单极天线结构

通过接地金属螺杆的阻抗补偿可以使天线具有更宽的阻抗带宽[7]。适当调整[H、][R1、][R2、][R3]等参数可以使天线达到更好的阻抗匹配。

图3为仿真得到的没有提供阻抗补偿时天线电压驻波比与提供阻抗补偿时天线电压驻波比的比较。

当套筒天线附加阻抗补偿后，天线低频段的较大容抗得到补偿，天线阻抗匹配明显优化。由图3可以看出，带阻抗补偿的新型套筒天线在225～400 MHz电压驻波比小于3，而不带阻抗补偿的原型套筒天线在250 MHz以下时电压驻波比在10以上。

图2 新型套筒天线结构

图3 阻抗补偿后天线电压驻波比

由仿真得到的接地金属螺杆的半径对天线阻抗匹配的影响如图4所示。

图4 [R1]对天线阻抗匹配的影响

由图4可以看出，金属螺杆半径[R1]对天线阻抗匹配有很大的影响，当[R1]为4 mm时，天线的阻抗匹配达到最佳，此时225～400 MHz天线电压驻波比小于3。

馈电柱高度[H]对天线阻抗的影响如图5所示。

由图5可以看出，当馈电柱高度为227 mm时天线的阻抗匹配最佳（图中粗实线），天线在全频段内电压驻波比小于3。

馈电柱高度降低时约260 MHz处VSWR升高，馈电柱高度增大时330 MHz附近VSWR升高。

图5 馈电柱高度[H]的参数分析

圆柱套筒底部内径[R2]对天线阻抗匹配的影响如图6所示。

图6 [R2]的参数分析

由图6可以看出，圆柱套筒底部内径对天线电压驻波比基本无影响，因此在不影响天线电性能的情况下[R2]可以选取较大值。

圆柱套筒顶部内径[R3]对天线阻抗匹配的影响如图7所示。

图7 [R3]的参数分析

从图7可以看出[R3]为2.5 mm时天线阻抗匹配最佳，全频段内天线电压驻波比小于3。

[R3]增大时，天线250 MHz附近电压驻波比增大，[R3]减小时，天线320 MHz附近电压驻波比增大。

由以上参数分析可以得到天线结构的最优尺寸。即[H=]227 mm，[R1=]4 mm，[R2=]3 mm，[R3=]2.5 mm时天线的阻抗匹配达到最优状态。

此时天线电压驻波比曲线如图8所示。天线增益及方向图如图9～图12所示。

图8 天线电压驻波比

图9 225 MHz天线方向图

图10 300 MHz天线方向图

图11 350 MHz天线方向图

图12 400 MHz天线方向图

注：图9～图12中标记1为水平面方向图增益最大值，标记2为水平面方向图增益最小值。

2 实测结果

用AV3620V矢量网络分析仪实测天线电压驻波比如图13所示。由图13可以看出，天线在工作频段内电压驻波比小于2.5，阻抗匹配良好。

图13 实测天线电压驻波比

在微波暗室内实测天线方向图如图14所示，测试金属反射面尺寸为Φ1 m。

图14 实测天线方向图

由天线实测方向图可以看出，附加阻抗补偿后的套筒天线方向图与普通套筒天线相同，都为近似全向。可见，附加阻抗补偿不改变套筒天线的方向图特性。

同时由图14可以看出作为一种全向天线，本天线的增益较高，工作频段内增益在0.5 dBi以上，其中300 MHz时增益达到2.2 dBi。

3 结 论

本文提出了一种对普通套筒天线进行阻抗补偿的新方法。通过在普通套筒天线上下套筒之间连接金属螺杆，使得天线在工作频段低端的较大容抗得到补偿，天线阻抗匹配明显优化。同时通过仿真和实测证明这种对套筒天线进行阻抗补偿的新方法不影响天线的增益及方向图。因此，这种阻抗补偿的方法可以应用于各种套筒单极天线。

参考文献

[1] WONG J L， KING H E. An experimental study of a balun?fed open sleeve dipole in front of a metallic reflector [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1972， 20： 201?208.

[2] 郭景丽，贺秀莲，刘其中.有限圆盘地面上套筒单极子天线[J].西安电子科技大学学报，2004（3）：417?421.

[3] GUO Jing?li， JI Yi?cai， LIU Qi?zhong. Sleeve monopole antennas at the center of a circular ground plane [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2003， 38（4）： 341?343.

[4] SHEN Zhong?xiang， ACPHIE R H M. Rigorous evaluation of the input impedance of a sleeve monopole by modal?expansion method [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1996，44（12）： 1584?1591.

[5] TAGUCHI Mitsuo， EGASHIRA Shigeru， TANAKA Kagumasa. Sleeve antenna with ground wires [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1991， 39（1）： 1?7.

[6] 王元坤.线天线的宽频带技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.

[7] VOLAKIS John L. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2009.

图6 [R2]的参数分析

由图6可以看出，圆柱套筒底部内径对天线电压驻波比基本无影响，因此在不影响天线电性能的情况下[R2]可以选取较大值。

圆柱套筒顶部内径[R3]对天线阻抗匹配的影响如图7所示。

图7 [R3]的参数分析

从图7可以看出[R3]为2.5 mm时天线阻抗匹配最佳，全频段内天线电压驻波比小于3。

[R3]增大时，天线250 MHz附近电压驻波比增大，[R3]减小时，天线320 MHz附近电压驻波比增大。

由以上参数分析可以得到天线结构的最优尺寸。即[H=]227 mm，[R1=]4 mm，[R2=]3 mm，[R3=]2.5 mm时天线的阻抗匹配达到最优状态。

此时天线电压驻波比曲线如图8所示。天线增益及方向图如图9～图12所示。

图8 天线电压驻波比

图9 225 MHz天线方向图

图10 300 MHz天线方向图

图11 350 MHz天线方向图

图12 400 MHz天线方向图

注：图9～图12中标记1为水平面方向图增益最大值，标记2为水平面方向图增益最小值。

2 实测结果

用AV3620V矢量网络分析仪实测天线电压驻波比如图13所示。由图13可以看出，天线在工作频段内电压驻波比小于2.5，阻抗匹配良好。

图13 实测天线电压驻波比

在微波暗室内实测天线方向图如图14所示，测试金属反射面尺寸为Φ1 m。

图14 实测天线方向图

由天线实测方向图可以看出，附加阻抗补偿后的套筒天线方向图与普通套筒天线相同，都为近似全向。可见，附加阻抗补偿不改变套筒天线的方向图特性。

同时由图14可以看出作为一种全向天线，本天线的增益较高，工作频段内增益在0.5 dBi以上，其中300 MHz时增益达到2.2 dBi。

3 结 论

本文提出了一种对普通套筒天线进行阻抗补偿的新方法。通过在普通套筒天线上下套筒之间连接金属螺杆，使得天线在工作频段低端的较大容抗得到补偿，天线阻抗匹配明显优化。同时通过仿真和实测证明这种对套筒天线进行阻抗补偿的新方法不影响天线的增益及方向图。因此，这种阻抗补偿的方法可以应用于各种套筒单极天线。

参考文献

[1] WONG J L， KING H E. An experimental study of a balun?fed open sleeve dipole in front of a metallic reflector [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1972， 20： 201?208.

[2] 郭景丽，贺秀莲，刘其中.有限圆盘地面上套筒单极子天线[J].西安电子科技大学学报，2004（3）：417?421.

[3] GUO Jing?li， JI Yi?cai， LIU Qi?zhong. Sleeve monopole antennas at the center of a circular ground plane [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2003， 38（4）： 341?343.

[4] SHEN Zhong?xiang， ACPHIE R H M. Rigorous evaluation of the input impedance of a sleeve monopole by modal?expansion method [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1996，44（12）： 1584?1591.

[5] TAGUCHI Mitsuo， EGASHIRA Shigeru， TANAKA Kagumasa. Sleeve antenna with ground wires [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1991， 39（1）： 1?7.

[6] 王元坤.线天线的宽频带技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.

[7] VOLAKIS John L. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2009.

图6 [R2]的参数分析

由图6可以看出，圆柱套筒底部内径对天线电压驻波比基本无影响，因此在不影响天线电性能的情况下[R2]可以选取较大值。

圆柱套筒顶部内径[R3]对天线阻抗匹配的影响如图7所示。

图7 [R3]的参数分析

从图7可以看出[R3]为2.5 mm时天线阻抗匹配最佳，全频段内天线电压驻波比小于3。

[R3]增大时，天线250 MHz附近电压驻波比增大，[R3]减小时，天线320 MHz附近电压驻波比增大。

由以上参数分析可以得到天线结构的最优尺寸。即[H=]227 mm，[R1=]4 mm，[R2=]3 mm，[R3=]2.5 mm时天线的阻抗匹配达到最优状态。

此时天线电压驻波比曲线如图8所示。天线增益及方向图如图9～图12所示。

图8 天线电压驻波比

图9 225 MHz天线方向图

图10 300 MHz天线方向图

图11 350 MHz天线方向图

图12 400 MHz天线方向图

注：图9～图12中标记1为水平面方向图增益最大值，标记2为水平面方向图增益最小值。

2 实测结果

用AV3620V矢量网络分析仪实测天线电压驻波比如图13所示。由图13可以看出，天线在工作频段内电压驻波比小于2.5，阻抗匹配良好。

图13 实测天线电压驻波比

在微波暗室内实测天线方向图如图14所示，测试金属反射面尺寸为Φ1 m。

图14 实测天线方向图

由天线实测方向图可以看出，附加阻抗补偿后的套筒天线方向图与普通套筒天线相同，都为近似全向。可见，附加阻抗补偿不改变套筒天线的方向图特性。

同时由图14可以看出作为一种全向天线，本天线的增益较高，工作频段内增益在0.5 dBi以上，其中300 MHz时增益达到2.2 dBi。

3 结 论

本文提出了一种对普通套筒天线进行阻抗补偿的新方法。通过在普通套筒天线上下套筒之间连接金属螺杆，使得天线在工作频段低端的较大容抗得到补偿，天线阻抗匹配明显优化。同时通过仿真和实测证明这种对套筒天线进行阻抗补偿的新方法不影响天线的增益及方向图。因此，这种阻抗补偿的方法可以应用于各种套筒单极天线。

参考文献

[1] WONG J L， KING H E. An experimental study of a balun?fed open sleeve dipole in front of a metallic reflector [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1972， 20： 201?208.

[2] 郭景丽，贺秀莲，刘其中.有限圆盘地面上套筒单极子天线[J].西安电子科技大学学报，2004（3）：417?421.

[3] GUO Jing?li， JI Yi?cai， LIU Qi?zhong. Sleeve monopole antennas at the center of a circular ground plane [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2003， 38（4）： 341?343.

[4] SHEN Zhong?xiang， ACPHIE R H M. Rigorous evaluation of the input impedance of a sleeve monopole by modal?expansion method [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1996，44（12）： 1584?1591.

[5] TAGUCHI Mitsuo， EGASHIRA Shigeru， TANAKA Kagumasa. Sleeve antenna with ground wires [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagation， 1991， 39（1）： 1?7.

[6] 王元坤.线天线的宽频带技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.

[7] VOLAKIS John L. Antenna engineering handbook [M]. New York： McGraw?Hill， 2009.