基于VHF频段的弯折面顶加载天线设计

关 羽，曹卫平，2，谢 锎

( 1．桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004;2．桂林电子科技大学 认知无线电与信息处理重点实验室，广西 桂林 541004)



基于VHF频段的弯折面顶加载天线设计

关 羽1，曹卫平1，2，谢 锎1

( 1．桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004;2．桂林电子科技大学 认知无线电与信息处理重点实验室，广西 桂林 541004)

为了提高机载单极子天线的终端匹配性能，实现天线的小型化，设计了一种VHF频段顶加载与弯折面式的机载刀型天线。采用顶载技术与弯折线理论构建天线结构模型，并且运用遗传算法和数值优化等方法对天线电性能进行分析。仿真分析与实物测试结果表明，在105～265 MHz频段范围内满足S11≤10 dB，达到相对带宽86.5%，为工程设计提供了良好的理论依据。

机载天线；顶加载；弯折线；宽带

0 引言

现代航空通信系统的发展日新月异[1]，对天线小型化、高增益的要求也越来越高。在众多的天线形式中，单极子天线因具有结构简单，馈电方式容易实现，横向剖面尺寸小和全向辐射特性强等优点，故得到了广泛的运用[2]。依据单机天线原理，结合加载技术，匹配技术等可以拓展天线带宽[3]。但传统的运用于飞行器环境下单极子机载天线[4]，由于终端匹配不理想以或弯折线技术的有限运用[5]，无法在保证天线在小型化时获取宽带宽。文献[6]结合折合振子理论，有利于天线小型化，但天线带宽只有10%。为改善匹配和天线的小型化，提高天线增益，文献[7]改进单极子机载天线结构，运用有耗或无耗加载技术，有效地减小了天线的剖面尺寸，拓展了天线带宽，类似的结构在文献[8-9]得到运用。为此，结合弯折线与顶加载单极子技术，运用弯折面天线结构，设计了一种适用于机载VHF频段通信的宽带小型化天线。

1 单极子加载与弯折线理论分析

1.1 顶加载单极子天线的理论分析

作为天线小型化的重要技术之一[10]，顶加载技术在现代天线设计中被广泛使用。其主要方式是在短单极子振子天线顶部或末端加金属圆片、金属小球发散状叶片来进行顶部加载[11]。通过改变天线上的电流分布，降低天线的谐振频率。为实现小型化的目的，顶加载是一种简单实用的方法。金属球或圆片对地存在着分布电容，这就使得天线顶部或末端不再是电流波节点，从而提高了单极子天线的辐射能力。

假设顶部加载的静态电容为C0，此电容部分可以等效为长h′的一线段，即

(1)

式中，ρA为天线的特性阻抗；β为天线电流波的相位常数。设天线的表面电流分布成正弦分布，即

(2)

式中，h0=h+h′，h为天线的实际高度；z为天线上任意一点到馈电点的距离。因此得到有关输入电流I0的有效高度为：

(3)

针对电小天线范围，此时h0远小于中心频率对应的波长，则式(3)可简化为：

(4)

对于式(4)中，由于h/h0<1，所以hc>0.5h，这说明了对于顶部加载的单极子天线，其有效高度更大。由于天线顶端不再是开路，电流波腹点的位置上移，天线表面电流沿线分布较为均匀。

1.2 弯折线单极子天线的理论分析

对于细线单极子天线，设高度为h，此时单极子天线的等效自感Ls为：

(5)

式中，d为单极子天线的直径。

当单极子天线的高度与工作频率满足h≈0.24λ，即单极子天线处于谐振状态，此时单极子天线的等效自感与谐振频率之间满足下列关系：

(6)

式中 ，λ为单极子天线的谐振波长。

简单结构的弯折线天线的谐振频率可以近似的由电感电路模型计算得到[12]。此处单一的弯折结构等效为一个电感，如图1所示。运用传输线等效理论，可以确定弯折结构的等效电感。每个弯折结构的特性阻抗为：

(7)

式中，s为弯折结构的总想长度。每一个弯折结构的等效电感LM，通过其输入阻抗可以确定，即

(8)

式中，l为弯折结构的横向长度；ω为角频率。

因此，得到高度为h的弯折线天线的电感L为：

L=Ls+NLM。

(9)

式中，Ls为天线垂直高度上的自感；LM为弯折结构的等效电感，两参数均可由式(6)和式(8)得到；N为弯折结构的个数。用式(9)中的L替换式(6)中的Ls，则可以近似地得到与单极子天线高度同为h的弯折天线的谐振频率，即

(10)

式中，λ为待求得谐振频率波长。由于式(10)两边都含有未知数，因此该式为非线性方程，可以通过最优化的方式进行求解。

图1 弯折线单极子天线等效的电感模型

2 单极子的顶加载与弯折线联合仿真分析

2.1 单极子的顶加载仿真

根据以上理论分析[14]，结合文献[15]计算得到顶加载横杆的结构如图2(a)所示，对比不加载横杆的单极子板状天线如图2(b)所示，得到反射系数如图3所示。图2(a)和图2(b)两天线的高度都设置为480 mm，厚度4 mm。由于图2(a)天线顶部加载水平横杆，横杆长度为140 mm，从馈电点到达横杆末端，电流流经的路径明显大于图2(b)天线。结合图3分析，图2(a)天线的第一谐振点在138.7 MHz，谐振处反射系数为-13.81 dB；图2(b)天线第一谐振点在144.82 MHz，谐振处反射系数为-12.96 dB。在低频范围，加载后的图2(a)天线由于电长度的增加，反射系数明显小于未加载的图2(b)天线。即顶加载的天线，其谐振频率会降低反射系数也会减小。

图2 单极子天线

图3 单极子反射系数对比

2.2 单极子的顶加载联合弯折面的仿真与实测分析

为了进一步降低天线的谐振频率，在横向保持天线平板特性，和宽带匹配特性[14]。在纵向引入弯折线思想，设计的天线如图4所示。天线高度为480 mm，顶部水平横杆长度为140 mm，弯折面及天线整体厚度为4 mm。弯折结构设计中，弯折的长度与宽度均为40 mm，为进一步优化设计，圆滑过渡转弯部分。

图4 弯折面与顶加载单极子天线

图5给出了未加载、只加载水平横杆和加载水平横杆和弯折面结构3种单极子天线的反射系数曲线。通过分析可以看出，弯折面与顶加载单极子天线的第一谐振点在132.2 MH，谐振处反射系数为-16.33 dB。相比于只加载横杆的天线，谐振频率降低了6.5 MHz，反射系数下降了2.52 dB。从图6给出的实测结果可以看出，天线的谐振频率向低端偏移。因此，弯折结构对天线的电长度提高明显。

对于VHF频段，天线的纵向高度在不发生明显变化时，谐振频率每向低频段偏移1 MHz就能够使天线有效高度提高几十甚至几百mm。而对于VHF的低频端，高度提升的相对值更大。顶部加载与弯折面结构提高了天线的有效电长度，从而提高了天线的辐射电阻和效率。

图5 3种情况单极子反射系数对比

图6 实测结果

3 结束语

VHF通信在现代机载通信中发挥了重要作用。介绍了机载天线小型化的设计方法，运用顶部加载技术，结合折弯线思想，对单极子天线进行了仿真设计与实物测试。对比分析了顶加载横杆、加载折弯面对天线反射系数的影响。通过实测，验证了设计的可行性，实现了天线的小型化。

[1] 袁旭猛,王 浩.机载天线电磁兼容技术分析[J].无线电通信技术,2011,37(4):40-42.

[2] 覃 毅．超短波全频段组合机载天线[P].中国：CN101192705，20080604．

[3] 上海航空机械有限公司．一种机载超短波全向天线[P].中国：CN204348910U，20150520.

[4] JAHODA J R.JTRS/SINCGARS Ultrabroadband Airborne Blade Antenna for Subsonic Aircraft and Helicopters[J].RF Design，2006(1)：20-22.

[5] ONO M,TAKEICHI Y．A One-eighth-wave Blade Antenna with Metal Leading Edge[J].Antennas and Propagation Society International Symposium，1974(12)：225-228.

[6] JOSEPHSON B.The Quarter-wave Dipole[J].WESCON/57 Conference Record，1957， 21(1)：77-90.

[7] SAIRAM C,KHUMANTHEM T.Broadband Blade Antenna for Airborne Applications[C]∥IEEE India Conference,2011:1-4.

[8] AHIRWAR S D，SAIRAM C.Broadband Blade Monopole Antenna Covering 100-2000 MHz Frequency Band[C]∥Applied Electromagnetics Conference,2009:1-4.

[9] ARAND B A，SHAMSAEE R.Design and Fabrication of a Broadband Blade Monopole Antenna Operating in 30 MHz-600 MHz Frequency Band[C]∥Electrical Engineering,2013:1-3.

[10] 王晓川，吕文中，梁 飞，等．弯折线天线原理、结构及其研究进展[J].现代雷达,2010,32(3):66-72.

[11] 张文翠，电磁超介质覆层在天线设计中的应用研究[D].桂林：桂林电子科技大学，2015：33-34.

[12] 姚建明.宽带弯折线天线研究[D].西安：西安电子科技大学，2007：29-30.

[13] 杜建春，廖元寿．机载米波宽带倒F电小天线[J].电子信息对抗技术，1994(2)：1-4.

[14] 周朝栋，杨嗯耀．电小天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，1990：64-66.

[15] 金伟清，章泉源，陈随斌，等．大功率宽带超短波天线的设计与实现[J].无线电工程，2016，46(4)：71-74.

关 羽 男，(1988—)，硕士研究生。主要研究方向：宽带电小天线、智能天线。

曹卫平 男，(1971—)，博士，教授。主要研究方向：宽带电小天线、智能天线和超电磁介质材料的应用。

Design of Top-loaded Antenna with Meander Surfaces Based on VHF Band

GUAN Yu1,CAO Wei-ping1，2,XIE Kai1

(1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China; 2.KeyLaboratoryofCognitiveRadioandInformationProcessing,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

A top-loaded antenna structure with meander surfaces in VHF band is designed,which can not only improve the terminal match performance of monopole airborne antenna,but also meet the miniaturization requirements.The structure of the antenna model is constructed by using the top-loaded technology and the meander line theory.And the electric performance of the antenna is analyzed by genetic algorithm and numerical optimization.The simulation and test results show that the antenna has a good radiation performance and is well matched with a 86.5% relative impedance bandwidth,withS11≤-10 dB,in the band of 105～265 MHz．It can provide a correlative theoretical basis for the engineering design.

airborne antenna;top-loaded;meander line;broadband

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.13

关 羽，曹卫平，谢 锎.基于VHF频段的弯折面顶加载天线设计[J].无线电工程,2016,46(12):51-53,57.

2016-08-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(61361005，61001020，61461016)；桂林电子科技大学研究生教育创新计划资助项目(YJCXS201526)。

TN822+.4

A

1003-3106(2016)12-0051-03