温顿天线小型化的研究

刘 宏

（国家新闻出版广电总局二〇二台， 西藏 拉萨 850030）

引言

温顿天线是由温顿在20世纪30至40年代发明的一种基于“奇波谐振”原理的偶极天线[1]。与普通中心馈电的1/4偶极子天线相比，温顿馈电使用1:4或者1∶6巴伦，偏离天线一端约17%，仅用一副振子可以兼顾多个波段，因而在无线电收发领域有广泛应用。温顿天线作为一款成熟的天线，其特性也被挖掘很多，如三波段的温顿天线在15 m波段性能不好，有添加的垂直馈线作为辐射体[2]。实际架设的温顿天线一般选择总长20 m，对于越来越拥挤的城市来说，可以架设如此长度的短波天线的平台越来越少。因而，如果能保障天线性能的同时，适当减小天线的尺寸是所有从事天线领域的人员所关注的。

短波天线小型化的研究很多，一般是适当牺牲天线带宽、增益、效率等性能指标获取较小的尺寸，如借助于加载技术、改变天线的结构外形、添加匹配网络等方面获得性能较好的小型天线[3-7]。本文在不影响天线性能的前提下改变振子末端的结构以及巴伦阻抗匹配，提出两种工作于中短波的小型化温顿天线，并在仿真软件中进行验证。

1 小型化温顿天线的设计

设定常用温顿天线一端长13.5 m，一端长度6.75 m，线径0.012 5 m，匹配阻抗设定200 Ω，示意图如图1（a）所示。选定温顿天线两端长度一半作为参考对象，示意图如图1（b）所示。

图1 温顿天线折合演化

图2 温顿天线与长度一半的温顿天线的反射系数

对比仿真温顿天线图1（a）及一半尺寸的温顿天线图1（b）的反射参数，结果如图2所示：

图2两条曲线为原始温顿天线（windom_initial）、尺寸一半的温顿天线（windom_half）仿真结果。从图2可以看出，设定其他参数不变，仅仅是减少温顿天线的尺寸，则牺牲原有天线过多性能，得不到可以实用性的天线。借助于加载的思路，将原始温顿天线纵向方向加载环。具体按照如图1（c）加载方环，形成方环温顿天线（windom_squarel），此时设定方框边长为原有温顿天线一端的1/3，以此类推，图1（d）为加载三角环的温顿天线（windom_triangle），三角框高度为一端的1/3，图1（e）为加载圆环的温顿天线（windom_ring），此时圆环直径为一端的1/3，即这三种加载缩小温顿天线纵向17%，借助仿真可计算出其反射参数如图3所示：

图3 温顿天线及演化天线的反射参数

从图3可知，将原始温顿天线尺寸减少一半之后，分别加载正方环、三角环、圆环，即温顿天线两端纵向长度各缩短17%，所得谐振频率均在原始温顿天线谐振点附近，如原始温顿天线第一谐振点7.54 MHz，谐振处反射系数-19.32 dB，第二谐振点14.66 MHz，谐振处反射系数-15.65 dB；加载方框的变形天线第一谐振点为8.18 MHz，谐振处反射系数-11.44 dB，第二谐振点为18.08MHz，谐振处反射系数-10.63dB；加载三角环的变形天线第一谐振点为8.75 MHz，谐振处反射系数-12.13 dB，第二谐振点为18.54 MHz，谐振处反射系数-11.33 dB；加载圆环的变形天线第一谐振点为7.05 MHz，谐振处反射系数-14.98 dB，第二谐振点为15.22 MHz，谐振处反射系数-19.93 dB。综上说述，在减少一半的温顿天线纵向加载环，并没有较大偏离原有温顿天线的频点，甚至在15 MHz附近，加载圆环的小尺寸温顿天线谐振深度优于温顿天线。这种顶部加载通过改变天线中的电流分布，改善天线的电特性，提高了天线的辐射电阻，达到天线小型化的目的[1，3，8]。

除了如上采取的与原天线在同一平面内加载可以得到小尺寸温顿天线外，也可以重新匹配阻抗网络实现天线小型化。

实际使用的温顿天线阻抗一般使用200 Ω。当温顿天线长度缩减一半时，其阻抗已经偏离，当阻抗匹配为100 Ω时，与加载200 Ω的天线对比如图4所示：

图4 长度一半的温顿天线匹配不同阻抗的反射参数

从图4可以看出，匹配100 Ω的一半长度温顿天线有明显的两个谐振点：第一谐振频率为14.26MHz，谐振处反射系数为-21.80dB；第二谐振频率为28.26MHz，谐振处反射系数为-27.93 dB，而匹配200 Ω的天线没有明显谐振。当天线长度发生变化后，其阻抗发生了剧烈变化，良好的阻抗匹配网络可以有效提高天线辐射效率，即使温顿天线尺寸减小了50%，依然能正常使用[1,6]。

通过改变匹配网络，可以明显减小天线尺寸，配合加载可以使得该手段更广泛应用。如实际使用中还希望根据实际情况调整固有长度的天线工作频段。此时，可以通过将缩短一半长度的温顿天线末端在垂直面加载交叉金属杆实现天线的顶部加载来调节天线谐振频率。具体实施如图5所示：

图5 温顿天线与长度一半的天线末端加载示意图

天线末端加载的金属杆长度为天线一端长度的1/5[8]，直径设定为0.0125 m，所得天线的反射系数的仿真结果如图6所示。

图6 一半长度温顿天线及加载不同数量的金属棒的反射系数

从图6可知，长度一半的温顿天线，阻抗匹配100 Ω时，没有任何加载时，有两个明显谐振频率：第一谐振频率为14.26 MHz，谐振处反射系数为-21.80 dB；第二谐振频率为28.26 MHz，谐振处反射系数为-27.93 dB。加载两个金属棒之后，第一谐振点为10.98 MHz，谐振处反射系数-28.27 dB，第二谐振点为22.56 MHz，谐振处反射系数-19.90 dB；加载四个金属棒后，第一谐振点为9.6 MHz，谐振处反射系数-28.35 dB，第二谐振点为20.78 MHz，谐振处反射系数-19.32 dB。综上所述，加载金属杆个数越多，天线谐振频率越低，第一谐振点反射谷越深，第二谐振点反射谷越浅。

2 结语

温顿天线作为一种简捷、高效、易于自制的多波段的短波天线，一直受到无线电爱好者的重视。本文提出了两种缩小温顿天线的方法，第一种是通过缩小一半天线并纵向加载环，在保障天线性能的同时缩小了天线整体17%的长度，其中圆形环加载具有较好的谐振深度，是一种较理想加载；第二种方法是通过改变长度一半的温顿天线的匹配网络，在保障良好谐振的同时，不仅缩小温顿天线50%，而且通过垂直面加载可以调节天线的工作频段，是一种较实用的处理手段。这两种设计思路对今后解决超短波波段的大尺寸天线具有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 匡磊，陈荣标.天线手册[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[2] 刘燕北.不用天调的多波段温顿天线[J].无线电，2009（6）：47-49.

[3] Stutzman W L,Thiele G A.Antenna theory and design[J].Electronics&Power,1981，28（3）:267.

[4] Balanis C A.Antenna theory:Analysis and design[J].IEEE Antennas&Propagation Society Newsletter,2003，24（6）：28-29.

[5] Silver S.Microwave antenna theory and design[M].P.Peregrinus on behalf of the Institution of Electrical Engineers，1984.

[6] Bansal R.Antenna theory;analysis and design[J].Proceedings of the IEEE，2005，72（7）：989-990.

[7] Mosallaei H,Sarabandi K.Antenna miniaturization and bandwidth enhancement using a reactive impedance substrate[J].IEEE Transactionson Antennas&Propagation,2004，52（9）：2 403-2 414.

[8] 赵秋颖，何辉文，王伟.直线型对数周期天线的小型化设计与仿真[C]//全国微波毫米波会议论文集，2015.