顶端加载圆环的应用研究

刘 宏

（国家新闻出版广电总局二〇二台， 西藏 拉萨 850030）

引言

长线天线是能用于短波波段的远距离通信天线的最简单型式，也是其他天线的研究基础。偶极子天线是以平行传输线为基础演化而成，与简单的长线天线相比，是有输入输出信号较大、方向性较好、信噪比改善等优点，其缺点也较为明显，只能在有限的频率范围内使用，才能获得近于最佳的效果[1]。这意味着在实际应用过程中，用一个波段就得设计一个半波振子。这种单频性也限制了偶极子天线在广播收发领域更广阔地应用。

关于扩展偶极子天线的多频性，相关的研究也较多，典型的是引入分形结构[2]、引入缺口环[3]，主要通过改变天线的结构，激发出不同的表面电流，来达到多频的目的。本文借鉴了这一思路，在不影响偶极子天线性能的前提下改变振子结构，以一个圆环替代偶极子天线部分线段，并引入缺口嵌套环，使用HFSS软软件仿真结果表明，常见的短波偶极子天线发生多频现象，并且频点位置、数量是可控的。此设计为短波天线多频性的研究提供了一些借鉴。

1 圆环替代一段长度的偶极子天线

具体天线结构如图1所示：

图1 普通偶极子天线与顶部加载圆环天线的结构示意图

选定一个单边长度9 m、宽度0.01 m的普通偶极子天线为参考对象，选择一个外环半径为3 m，径宽为0.01 m的圆环为顶部加载，其中圆环直径占总长度的1/3，其天线反射系数仿真结果如图2所示：

图2 普通偶极子天线与顶部加载圆环天线反射系数

从图2可知，9 m长的普通偶极子天线有两个谐振频率，基波谐振点为7.9 MHz、反射系数为-12.2 dB；奇波谐振出的二次谐振点为23.3 MHz、反射系数为-12.4 dB。加载了圆环的天线也有两个谐振频率，基波谐振点为6.1 MHz、反射系数为-10.6 dB；二次谐振点为 22 MHz、反射系数为-17.9 dB。说明当用圆环替代普通偶极子天线的三分之一长度后，天线谐振点发生红移。即在实际应用中，当谐振点固定时，使用顶部加载圆环的办法可以有效缩短天线总长度，这与之前的研究相符合[4]。

2 引入缺口的变化

如上所述，引入圆环可以使普通偶极子天线谐振点向低频漂移。当圆环引入缺口后，天线示意图如下页图3所示：

性能又发生变化，具体的反射系数的仿真结果如下页图4所示：

图3 缺口位于上侧与左侧的天线示意图

图4 缺口引入位置不同的反射系数图

从图4可知，缺口引入在圆环左侧依然是双频，第一谐振点为6.1 MHz，反射系数为-10.4 dB，第二谐振点为22.5 Mhz，反射系数为-15.8 dB，谐振情况几乎与不开口的环效果一样；当缺口在圆环的上侧，则有明显的三频段，第一谐振点为5.9 MHz，反射系数-10.2 dB，第二谐振点为14.80 Mhz，反射系数为-23.9 dB，第三谐振点为26.1 MHz，反射系数为-20.6 dB。加载一个完整的圆环、引入缺口在左侧及上侧的天线，第一个谐振点几乎一致，而缺口在上侧的圆环，其谐振点增加了一个。因此得出结论：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。

为说明此情况，通过借助HFSS软件仿真各个频率对应的表面电流，汇总如表1所示。

如表1所示，缺口在左侧与没有缺口的完整环结构天线，在高频、低频时辐射主体为环的右侧与偶极子天线主体结构，只有一种电流模式，因而各只对应一个谐振频率，表现在反射系数图，两者谐振点近似，谐振深度也近似。而当缺口在上侧的结构天线，导致圆环被分割，在被激励时，形成了三种表面电流。低频辐射主体为圆环下半部分，中频为环结构，高频为环的两侧结构，因激发位置的差异，天线表现出不一样的反射系数。需要说明的是，因为缺口的大小并不会导致电流模式的改变[3]，因此在实际使用中可以根据实际情况引入缺口。

表1 缺口引入和位置导致不同的表面电流分布

3 嵌套环的应用

嵌套环结构属于分形结构的一种，引入不同大小的环可以有效改变天线的性能（如图5所示）。

当每个嵌套环外径以0.1 m为递减时，天线的反射系数如图6所示。

图6 嵌套环数量不同时天线的反射系数

上页图6所示，反射系数深度为-10dB为界，当引入上侧为缺口的单环结构，其谐振点为三个，当内嵌为双环之后，谐振点为四个，当内嵌为三环，谐振点为三个，有两个谐振不明显。该数据说明嵌套环天线可以根据环数量变化来调整实际需要的频点。

4 结语

本文通过仿真与分析，证实了嵌套结构与缺口结构的有效性与独特性：当普通的偶极子天线用圆环替代一部分结构，会使得天线发生红移现象；当圆环引入缺口，可有效分割出不同的电流模式，引入不同的谐振频率；当圆环的引入位置不同，激发出不一样的频点；圆环内嵌不同大小的圆环，可以有效增加频点数、改变谐振深度。这些常规环天线仅能谐振于某一固定窄带频点，但借助于嵌套结构和引入缺口，可以有效扩展其频带和增加频点。需要说明的是，即使圆环引入左侧缺口，对天线的性能没有明显的改变，但在实际应用中，该缺口处可以连接一个非金属的部件，作为架设和支撑天线用。以上的这些研究结论可能为偶极子天线在广播收发领域的发展起到一定的启发作用。