中部加载在线天线的应用研究

刘 宏

（国家新闻出版广电总局二〇二台， 西藏 拉萨 850030）

引言

中部馈电的半波偶极子天线是短波天线的一种常见类型，因其易于架设、匹配简单、较高信噪比以及维护方便等特点被广泛应用[1]。但偶极子天线谐振频率与长度密切相关，在短波低频谐振需要至少20 m以上空地才能使用，这在架设场地越来越狭小的今天，其应用场景也会被压缩限制。关于短波天线小型化的研究很多，一般是改变天线的结构外形[2]、引入分形结构[3]、添加匹配网络[4]等方法获得性能较好的小型天线。这些办法实质是加载技术的拓展，原理是将天线近似看作为开路传输线,通过改变天线上的电流分布，获得了良好的匹配效果。本文也是借鉴这一思路，在普通偶极子天线中部加载一个方环，以及引入缺口及在缺口内延伸线，目的是改变天线结构，激发出不同的表面电流。使用HFSS软件仿真得到的结果表明：结构改变的普通偶极子天线发生红移、多频现象，并且频点位置、数量是可控的。此设计为短波天线小型化及多频性的研究提供了一些思路借鉴。

1 偶极子中部加载方环

具体天线结构如图1所示：

图1 普通偶极子天线与中部加载方环天线的结构示意图

选定一个单边长度9 m、宽度0.04 m的普通偶极子天线为参考对象，选择一个外侧长度1.5 m，径宽为0.04 m的方环为中部加载，其中方环位于中心馈电处2.5 m处。保持两者的长度一致，其天线反射系数仿真结果如图2所示。

图2 普通偶极子天线与中部加载方环天线反射系数

从图2可知，9 m长的普通偶极子天线具有两个谐振频率，基波谐振点为7.9 MHz、反射系数为-12.9 dB；奇波谐振出的二次谐振点为23.5 MHz、反射系数为-10.9 dB。加载方环的天线也有两个谐振频率，基波谐振点为7.8 MHz、反射系数为-17.6 dB；二次谐振点为19.4 MHz、反射系数为-12.4 dB。说明中部加载方环后，天线整体谐振点发生红移。即在实际应用中，当谐振点固定时，使用中部加载方环的方法可以有效缩短天线总长度。

当选择边长为1 m长的方环，距离中心馈电点为0.5 m、1.5 m、2.5 m移动时，其天线反射系数仿真结果如下页图3所示。

当距离中心馈电点距离为2.5 m时，方环边长从0.5 m、1 m、1.5 m变动时，其天线反射系数仿真结果如下页图4所示。

从下页图3中可以看出，当边长大小固定时，方环从中心馈电处向中部移动时，基波谐振点几乎没有变动，而第二谐振点频率发生了红移现象。说明在降低奇波谐振点上，中部加载方环的效果大于底部加载，从图4可以看出，当环在偶极子天线上固定时，方环的边长逐渐增加过程中，基波谐振点几乎没有变动，而第二谐振点也发生了红移现象。说明在降低第二谐振点上，方环边长增加也起到相应作用。

图3 方环距离馈电点距离不同时的天线反射系数图

图4 方环大小不同时的天线反射系数图

2 引入不对称缺口的变化

如上所述，引入方环可以使普通偶极子天线谐振点向低频漂移。当方环引入不对称缺口（缺口不在方环中间位置）后，天线示意图如5所示：

图5 未引入缺口与引入上侧缺口的天线示意图

此时缺口位于距离中心馈线点3.29 m，表现在方环中间偏中心馈线点一侧，在仿真软件上表现出特殊的性能，具体反射系数的仿真结果如图6所示：

从图6可知，缺口引入在方环上侧出现了明显三频段。第一谐振点为7.6 MHz，反射系数为-17.4 dB，第二谐振点为19.4 MHz，反射系数为-15.0 dB，第三谐振点为26.1 MHz，反射系数为-16.9 dB。第一谐振点、第二谐振点频率类似于密封的中部加载的方环，当在上侧引入了一个缺口，出现了第三谐振点。因此，当其他条件不变的情况下，引入上侧一个缺口会改变中部加载方环天线的谐振频率、谐振深度、频段的个数。

图6 方环引入缺口与否的天线反射系数图

3 缺口向内部延伸

当缺口向内部延伸直线，此时线长为1.4 m，宽为0.04 m时，具体示意图如图7所示：

图7 缺口内部延伸线与否的天线示意图

在仿真软件表现出以下特性，如图8所示：

图8 缺口环引入线与否的天线反射系数图

如图8所示，当缺口内部引入直线，表现出了三个谐振点，其中第一谐振点和未引入直线的缺口环类似，而第二谐振点表现出高Q值（Q值一般统称品质因数）、窄频带，第三谐振点接近于未引入直线的缺口环第二谐振点。因此，引入直线的缺口环频点多，且偏低频，显然比加载缺口环、中部加载密封环、普通偶极子天线更有应用价值。

4 谐振点分析

为说明各种结构天线的谐振情况，通过借助HFSS软件展示天线结构的一半的表面电流，汇总如表1所示。

如表1所示，普通偶极子天线基波谐振时，是9 m长的一侧完全谐振时产生的，而奇波谐振产生高频谐振，主要为靠近中心馈电点三分之一长度的线产生的；当偶极子天线中部加载方环、环缺口在上侧、缺口内引直线，这三种天线的基波谐振均是9 m长的线谐振产生，因此表现出与普通偶极子天线第一谐振点几乎一致的谐振点。在10～20 MHz谐振区间，这三种天线均是因为增加了环左右两侧的线，引出新的表面电流，激发出不同的电流模式，所以表现出多于偶极子天线一个新谐振点。缺口内引入直线的天线，因为引入的线足够长，导致出现两个近乎自闭的环，表面电流互相耦合出现了一个很尖锐的谐振点，这是其特有的。缺口在方环上侧的天线出现一个高频频点，主要是不对称的缺口分割了方环，导致电流重新分布，激发出不一样的模式。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[5]，因此在实际使用中可以根据实际情况引入缺口大小。

表1 四种不同结构的天线谐振点的表面电流分布

5 结语

本文通过仿真与分析，证实了中部加载方环、引入缺口及缺口内引入直线的有效性与独特性：当中部加载一个方环时，偶极子天线出现了第二谐振点红移现象；当方环引入不对称缺口时，可有效重新分布电流，引入不同的谐振频率；当方环的大小、位置不同，可以调整第二谐振点的频率和谐振深度；方环引入缺口后，激发出不同的电流模式，增加谐振频率；缺口内引入直线，可以分割出不同的电流模式，增加谐振点。偶极子天线仅能谐振于某一固定频点，但借助于加载方环的办法，可以有效使得基波谐振发生红移现象以及增加频点。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借鉴作用。