缺口对环天线的影响

2018-06-27刘宏

现代工业经济和信息化 2018年6期

刘宏

（国家新闻出版广电总局二〇二台，西藏拉萨 850030）

引言

环形天线是一种闭路天线[1]。常见的环天线是将一根金属导线绕成一定形状，以两端靠近作为输出端的一种天线。一般按环天线尺寸可以分为小环天线与大环天线，后者的理论值近似于两根距离1/4波长的偶极子天线[2]。因为具有体积小、重量轻、携带和架设灵活方便，工作在谐振状态的高Q值的特点使得环天线在无线电监测领域有广泛的应用。但是环天线的缺点也较为明显，如带宽窄、频段较为固定等，因而在中短波发射接收中应用较少。本文提出一种简易改进单环天线的设计，有效克服单环天线的单频性，同时可以根据缺口的位置、大小调整相应的谐振频率与谐振深度，最后通过表面电流的分布解释这种设计的有效性。

1 天线的设计

普通的环天线不论其形状如何，它们都有一个共同特点，即天线以中心垂直轴线完全对称，并且可以绕中心垂直轴自由旋转，这种特性可以使得环天线应用于无线电测向领域[3]，但是其单频特性并不适合应用于无线电发射接收等领域。因而本文提出在环天线一侧相应开口，引入缺口改变环天线表面电流分布，达到多频谐振与谐振频率可调节等目的，具体设计如图1所示。

2 缺口环天线的仿真分析

选定一个外环半径3.5 m、内环3.49 m的铜环天线，分别研究开口位置与开口大小对天线性能的影响。

2.1 缺口位置对天线性能的影响

如图1所示，以铜环天线圆心为顶点，以圆心到馈线端中心为圆弧起始线，旋转α的角度确定缺口位置。为简洁结果说明，α角度为45°和60°较为典型，因此只摘出两个角度说明缺口环天线的特性，天线结构如图2所示。

图1 缺口环天线的设计

图2 缺口位置为45°和60°时仿真结构图

天线的反射系数的仿真结果如下页图3所示。

从图3可知，没有缺口的普通环天线，为单一谐振频率，此时谐振点为14.3 MHz，反射系数-15.83 dB。当缺口位置在45°时，以-10 dB为界，有明显的双频段，第一谐振点为6.48 MHz，反射系数为-18.54 db；第二谐振点为20.3 MHz，反射系数为-11.35 dB。当缺口位置在60°时，以-10 dB为界，有明显的三频段，第一谐振点为6 MHz，反射系数-14.15 dB；第二谐振点为14.54 MHz，反射系数为-12.24 dB；第三谐振点为19.18 MHz，反射系数为-10 dB。综上所述，当其他条件不变的情况下，缺口的位置会改变环天线的谐振频率、谐振深度、频段的个数。

图3 缺口位置为45°和60°时反射系数

2.2 研究缺口大小对环天线的影响

当把缺口位置为60°时，缺口大小从0.02 m变化为0.08 m，以0.02 m为间隔时，得出来的反射系数如图4所示。

图4 缺口大小变化时的反射系数

从图4可以看出，缺口大小的变化并没有明显改变谐振频率，只是对每个频点的谐振深度有所影响。如当缺口为0.08 m时，第一个谐振点为6.32 MHz，反射系数为-18.16 dB；第二个谐振点为14.34 MHz，反射系数为-11.14 dB；第三个谐振点为20.1 MHz，反射系数为-12.20 dB。

3 缺口环天线的仿真结果分析

通过仿真软件找到普通环天线，与缺口位置在45°与60°的环天线在谐振点附近的表面电流，汇总如表1所示。

表1 普通环天线与缺口环天线表面电流在各自频点下的表面电流图

如表1所示，没有缺口的普通环天线，只有一种电流模式，因而只有一个谐振频率。而由于缺口的存在，导致普通环天线被分割，在被激励时，形成了不同的表面电流。当缺口在60°时，表面电流有三种模式，因此有三个不同的频点；当缺口在45°时，表面电流有一强一弱两种模式，因此第一个频点反射系数大，谐振深度大。因为缺口的大小并不会导致电流模式的改变，因此在实际使用中可以根据实际情况引入缺口。