仪表着陆系统对数周期天线的小型化设计

张龙裔

摘要：仪表着陆系统中航向天线主要采用标准化的对数周期天线，本文在前人研究的基础上提出了一种能有效减小对数周期天线纵向尺寸的方法。首先利用螺旋天线设计对数周期天线，然后根据低频螺旋天线的长度和间隔因子重新计算螺旋天线单元之间的间距，最后按计算得到的间距重新排列螺旋天线单元。从仿真结果看出，所设计的小型化对数周期天线具有较好的阻抗性能，而且在108-112 MHz频段内天线的增益為6.88±0.1 dBi，同时天线横向和纵向尺寸与传统对数周期天线相比分别减小了31.56%和30.73%。

关键词： 对数周期天线；小型化天线；螺旋天线

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0198-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Miniaturized Log-Periodic Antenna in Instrument Landing System

ZHANG long-yi

（ATMB Application Technology Laboratory， Guangzhou 510405， China）

Abstract： The LOC antenna of Instrument Landing System is mainly using standardized Log-Periodic Antenna.This paper proposed an efficient method to reduce the longitudinal size of a log-periodic antenna based on previous researches. First by using helical antennas to design a log-periodic antenna. Then recalculate the space between helical antenna elements according to the length of the helical antenna working at lower frequency and the spacing factor .At last rearrange the helical antenna elements by using these parameters. The simulated results show that the antenna has good impedance performance and the gain is about 6.88±0.1 dBi from 108 to 112 MHz. Moreover， compared with the conventional log-periodic antenna， the transverse and longitudinal sizes of the proposed antenna are reduced about 31.56% and 30.73%， respectively。

Key words： Log-periodic antenna； miniaturized antenna； helical antenna

1 引言

对数周期天线是一种性能优良的超宽带非频变天线。典型的对数周期天线是采用直偶极子阵列周期排列而成，这种天线成为对数周期振子天线LPDA（Log-Periodic Dipole Antennas）。由于对数周期振子天线具有工作频带宽、结构简单、增益高、加工方便、成本低等优点，被广泛应用于测向、通信、电子对抗等方面。在航空领域，仪表着陆系统航向天线采用的就是典型的对数周期天线。在短波和微波频段，在许多工程实践中，都有场地和架设条件的限制，由于传统的对数周期振子天线尺寸较大，限制了它的使用。

自从20世纪50年代对数周期天线问世以来，研究人员就如何减小天线的尺寸做了大量的研究。文献[1]中介绍了一种采用多个工作在法向模的螺旋天线[1]代替直偶极子天线设计而成的螺旋对数周期天线。由于螺旋天线可以极大地减小天线高度，所以这种螺旋对数周期天线具有比传统天线更小的尺寸。对偶极子天线进行加载[2]，也是常用的减小对数周期天线尺寸的方法。有些研究人员通过把偶极子臂进行弯曲处理来减小对数周期天线的尺寸，这种方法称为弯曲偶极子法[3]。分形结构由其特殊性能也被广泛地应用到对数周期天线的小型化设计中[4-6]。虽然对数周期天线的小型化做了很多研究，但是这些研究基本是通过减小偶极子是尺寸来减小对数周期天线的横向尺寸。由于采用这些方法设计的天线，偶极子与偶极子之间的间距不变，所以对数周期天线的纵向大小没有变化。即这些小型化方法只是减小了对数周期天线的横向尺寸，无法减小其纵向尺寸。文献[7]通过增大对数周期天线的张角[7]来减小天线的纵向尺寸，但是张角变大时会引起天线增益的降低，同时天线驻波比也会增大。

本文在文献[1]的基础上提出了一种可以大幅度减小对数周期纵向尺寸的设计方法。在螺旋对数周期天线的基础上，利用低频螺旋天线的长度和间隔因子

重新计算各螺旋天线单元之间的间距，并按此间距重新排列螺旋天线单元。仿真结果表明天线在108-112 MHz频段的增益为6.88±0.1 dBi，同时天线横向和纵向尺寸与传统对数周期天线相比分别减小了31.56%和30.73%。

2 对数周期天线结构和基本原理

传统的对数周期振子天线结构如图1所示，它是由N个平行排列的偶极子单元组成的。从低频到高频偶极子的长度分别为L1，L2，L3，……，LN。偶极子之间的间距分别d1，d2，d3，……，dN-1。

3.1 传统对数周期天线

当采用传统的七单元对数周期天线设计时，其结构如图1所示，此时我们称其为天线1。它是由七个平行排列的偶极子组成的，天线上下两层金属平面的间距为h。偶极子臂的宽度均为W=60 mm。由三维电磁场仿真软件仿真得到工作在97 MHz的偶极子长度L1=1350 mm，根据公式（1）和公式（2）计算得出其它偶极子单元的长度分别为L2=1237.95 mm、L3=1135.2 mm、L4=1040.98 mm、L5=954.58 mm、L6=875.35 mm、L7=802.69 mm、偶极子之间的间距分别d1=456.3 mm、d2=418.43 mm、d3=383.7 mm、d4=351.85 mm、d5=322.65 mm、d6=295.87 mm。此时天线的整体大小为2288.8 mm×1350 mm×10mm。为了使天线获得较好的匹配，采用渐变带状线进行馈电，馈线的起始和结尾端宽度分别为Ws=42 mm，We= 20 mm。

3.2 螺旋对数周期天线

根据参考文献[1]，当采用螺旋天线代替图2中的偶极子天线时，可以得到横向小型化螺旋对数周期天线如图3所示，我们称这款天线为天线2。该天线中螺旋天线之间的间距与图2中偶极子单元直接的间距相同。

螺旋天线的尺寸由三个参数决定，即螺旋半径R，螺旋间距P和螺旋圈数Nh。这里我们选取R=30 mm，P=100 mm。通过仿真我们的得出当螺旋天线的螺线长度等于偶极子长度时，螺旋天线的工作频率要高于偶极子天线长度，所以我们需要增大螺旋天线的圈数。经过反复验证，得出螺旋天线的圈数由以下公式计算即可满足要求：

式中Nhn表示第n个偶极子单元所对应的螺旋天线的圈数，Ln表示第n个偶极子单元的长度。因此我们可以计算出每个螺旋天线的圈数分别为：Nh1= 4.62、Nh2= 4.24、Nh3= 3.89、Nh4= 3.57、Nh5= 3.27、Nh6= 3、Nh7= 2.75。此时所设计的螺旋对数周期天线整体大小为2288.8 mm×924 mm×130mm。可以看出此时天线2的纵向长度与天线1相同，都为2288.8 mm，但是横向长度却比天线1减小了31.56%。

3.3 小型化对数周期天线

我们在天线2的基础上提出了一种进一步缩小天线纵向尺寸的方法。该方法设计的小型化对数周期天线与天线2中螺旋天线尺寸相同，不同的是螺旋天线之间的间距。具体做法是：以最低频率螺旋天线的长度L12为基准，通过公式（2）和公式（3）重新计算各螺旋线之间的间距，即：

mm×130mm，纵向长度减小了30.73%。

3.4 仿真结果分析

为了验证天线的性能，我们对着三款天线进行了仿真分析。仿真得到的天线反射系数对比结果如图5所示。从图中可以看出，天线1在102-120 MHz频段范围内，反射系数均小于-15 dB，表面天线具有较好的阻抗匹配性能。天线2在98-112 MHz以及118-127 MHz 频段内，反射系数均小于-15 dB。由于直接采用天线1的馈线宽度，所以阻抗相对天线1来说有所变差。但是通过优化馈线宽度Ws和We，天线2可以在需要的频段内得到更好的匹配。天线3在102-116 MHz以及128-133 MHz频段内反射系数小于-15 dB。所以在仪表着陆系统航向天线所需要的频段108-112 MHz内，所设计的天线具有较好的阻抗性能。从这幅图还我们可以看出，天线3和天线2的反射系数曲线趋势相同，只是频率有所偏移。因此可以认为我们所提出的小型化对数周期天线并不影响天线的阻抗性能。

图6给出了三款天线的增益对比图。从图中可以看出，天线1增益大于9 dBi，在108-112 MHz频段内，增益为9.8±0.2 dBi。天线2和天线3增益相当，但是都小于天线1的增益，这是因为天线2和天线3的尺寸较小，所以天线辐射口径减小，增益降低。这是小型化天线均具有的特征。天线3虽然比天线2更小，但是在108-112 MHz频段内，增益差别小于0.25 dB。天线3增益为6.88±0.1 dBi，虽然比天线1低了3dB左右，仍然具有较大的增益。

图7给出了天线2和天线3在频率为110 MHz时的E面和H面方向图。从图中可以看出，两款天线E面和H面方向图基本吻合，这说明我们说设计的小型化对数周期天线（天线3）对天线的辐射性能基本没有影响。

综上所述我们所设计的小型化对数周期天线无论是阻抗还是辐射性能均与天线2相当，但是纵向尺寸减小了30.73%。与仪表着陆系统航向天线通用的对数周期天线相比，所设计的天线3横向尺寸减小了31.56%，纵向尺寸减小了30.73%。

4 结论

仪表着陆系统航向天线采用对数周期天线阵来为飞机提供航向信号，本文在传统的螺旋对数周期天线结构的基础上设计的小型化对数周期天线，在减小天线纵向尺寸的同时，保持了良好的阻抗和辐射性能。从仿真结果看出，所设计的小型化对数周期天线在108-112 MHz频段天线增益为6.88±0.1 dBi，同时天线横向和纵向尺寸与传统对数周期天线相比分别减小了31.56%和30.73%。

参考文献：

[1] Chatterjee J， Roy M. Helical log-periodic array[J]. ， IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1968，16（5）：592-593.

[2] 李东虎， 任晓飞， 李虎. 一种小型化短波对数周期天线设计[J]. 电波科学学报， 2014（04）：711-714.

[3] Nassar I T， Weller T M， Tsang H. A 3-D printed miniaturized log-periodic dipole antenna[C]. IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. Memphis， TN， USA： 2014. 6-11.

[4] Qiu J， Lin S， Yang C， et al. A novel printed fractal log-periodic dipole antenna[C]. Microwave Electronics： Measurements， Identification， Applications. Novosibirsk， RUSSIA： 2005. 50-53.

[5] Guo L， Liang X， Zhensen W. Miniaturised wideband circularly-polarised log-periodic Koch fractal antenna[J]. Electronics Letters， 2013，49（21）：1315-1316.

[6] 邱景輝， 林澍， 李红梅. 分形印刷对数周期天线的仿真[C]. 2005'全国微波毫米波会议. 中国广东深圳： 2006.147-149.

[7] 后骥， 魏福显. 宽频带小型对数周期天线的设计[J]. 现代电子技术， 2012（07）：86-88.

【通联编辑：光文玲】