一种可迁移高增益短波天线设计

牛旭博，关梦然，买 鹏，刘茂全

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047)

0 引言

短波无线电系统具有探测距离远、抗毁性强和自主通信能力强等优点，被广泛应用于通信、雷达、电磁环境监测、海态遥感和广播等领域[1-3]。短波天线是短波无线电系统至关重要的组成部分。目前，常见的短波天线有偶极子天线[4]、对数周期天线[5-6]、鱼骨天线[7]和菱形天线[8]等。

由于短波波长较长，短波频段的天线尺寸一般较大，例如应用广泛的对数周期天线就由多根长度较长的振子组成。这样的大结构不便于天线的生产、运输、安装、维护和迁移[9-10]。如何设计一种结构简单、迁移方便，同时电性能优良、增益较高的天线，是短波天线发展过程中需要面临的重要问题。

本文基于偶极子天线理论，通过改进的单极子天线，添加反射板，设计了一种结构简单、迁移性好的新型天线，并采用HFSS电磁仿真软件仿真分析了天线的电性能指标，仿真结果表明，新型天线的电压驻波比小、方向性强且增益高。

1 天线设计

1.1 理论分析

1.1.1 偶极子天线

偶极子天线(对称振子天线)实际上就是2根具有相同长度和粗细的直导线，经过中间的2个端点进行馈电的最基本的天线[11]，其结构如图1所示。其中，单个导线的长度就是对称振子的臂长，记为l。

图1 对称振子结构Fig.1 Structure diagram ofdipole

由图1可以看出，将对称振子上的电流分布看作是开路长导线上的电流在距离端口l位置电流分布张开而来。假设开路长导线是无耗的，那么导线上分布的是正弦电流，正弦电流在导线上呈现的波形与导线臂的电长度有关。把对称振子的中心看作是坐标原点，对称振子臂沿z轴放置。对称振子上的正弦电流分布可以表示为：

式中，IM为波腹电流；l为对称振子臂长；αα为对称振子电流传输的相移常数。振子臂长不同，振子上电流呈现波形也不同，这里需要知道几个特殊的对称振子。

全长为一个波长，即2l=λ的对称振子，被称作是全波振子；全长等于半个波长，即2l=0.5λ的对称振子，是半波对称振子。在实际应用中，半波振子最为常用。

半波对称振子的分布参数不均匀，因此将其看作由很多个长度为dz的电基本振子连接而成，电基本振子上电流近似等幅同相分布，整个天线的远区辐射场可由叠加原理得到。半波对称振子电流分布的坐标表示如图2所示。

图2 半波对称振子电流分布的坐标表示Fig.2 Coordinate representation of half-wavedipole current distribution

对半波长的对称振子而言，l=λ/4，得到半波对称振子天线的场强方向函数为：

垂直放置的偶极子天线辐射方向图如图3所示。

图3 半波对称振子方向图Fig.3 Pattern of half-wave dipole

对应的3 dB的波束宽度约为78°，输入阻抗约为73.1 Ω。在实际工程中，为使天线产生谐振，电抗为零，需要天线两臂的长度l比半波长略短，此时辐射电阻降为70 Ω左右。同时可以看出f(θ，φ)在θ=π/2时有最大值1，在θ=0处出现最小值0。

1.1.2 镜像原理

根据镜像原理，讨论一个电流元在无线大理想导电平面上的辐射场时，应满足在该理想导电平面上的切向电场处处为零的边界条件[12]。为此，可在导电平面的另一侧设置一镜像电流元，该镜像电流元的作用就是代替导电平面上的感应电流，使得真实电流元和镜像电流元的合成场在理想导电平面的切向值处处为零。由于镜像电流元不位于求解空间内，因而在真实电流元所处的上半空间，一个电流元在无限大理想导电平面上的辐射场就可以由真实电流元与镜像电流元的合成场而得到。如图4所示，水平电流元的镜像为理想导电平面另一侧对称位置处的等幅反相电流元，称为负镜像；而垂直电流元的镜像为理想导电平面另一侧对称位置处的等幅同相电流元，称为正镜像；倾斜电流元的镜像与水平电流元的镜像相同，也为对称位置处的负镜像。值得强调的是，镜像法只在真实电流元所处的半空间内有效。

图4 电流元的镜像Fig.4 Mirror image of current element

对于电流分布不均匀的实际天线，可以把它分解成许多电流元，所有电流元的镜像集合起来即为整个天线的镜像。如图5所示，水平线天线的镜像一定为负镜像；垂直对称线天线的镜像为正镜像。至于垂直架设的驻波单导线，其镜像的正负视单导线的长度l而定。例如，对于l=λ/2的驻波单导线，其镜像为正，而对于l=λ的驻波单导线，其镜像为负。

图5 线天线的镜像Fig.5 Mirror image of line antenna

用镜像天线代替反射面的作用后，反射面对天线电性能的影响，就转化为实际天线和镜像天线构成的二元阵的相应问题。

1.2 传统天线结构

传统的单极子天线结构示意如图6所示，天线长度为偶极子天线的一半，天线垂直放置在地面上方。

图6 常见的单极子天线结构示意Fig.6 Schematic diagram of common monopole antenna structure

仿真单极子天线，取fL，fM，fH三个频点的方向图，如图7所示。天线的方向图规则、对称，性能良好，单极子天线在fL，fM，fH三个频点的增益分别为6.2，7.1，7.1 dB。

1.3 新型天线结构

本文设计的新型天线主体为垂直放置的单极“竖笼”天线，如图8所示。

天线的高度l约为λM/4(λM为中心工作频率相对应的波长)，与下方地面提供的镜像面效果，共同组成半波对称振子。

天线下方为地，天线距离地面高度h不可过大[13]，h为天线提供馈电间隙，避免h取值过大影响天线的辐射，应取h<

天线的半径越粗，平均特性阻抗越低，其输入阻抗随频率的变化越平坦，相应越容易在宽带内匹配[15]。考虑到短波天线的尺寸和重量，通常将天线用多根导线排成圆形，如图9所示。将天线的中间部分做的较大，上端及下端做的较小，这就构成了单极“竖笼”天线。天线中间部分的半径r，建议取值λM/10左右，天线上端及下端半径a，建议取值5 cm

天线中心距离反射板的距离，与天线在工作频率的波束指向有：

式中，θ为波束指向与反射板的夹角；λ为工作频率相对应的波长；d为反射板与天线的间距。

可以根据波束指向需要，来确定反射板的距离。馈电口位于天线底端，采用同轴线馈电，馈线阻抗使用常见的50 Ω。

2 仿真与分析

使用HFSS电磁仿真软件对本新型天线进行仿真计算，仿真模型如图10所示。分析了新型天线的电压驻波比、方向图和增益等电性能指标，证明了本天线较高的增益和良好的方向性。

图10 新型天线的仿真模型Fig.10 Diagram of simulation model of new antenna

2.1 天线驻波比

电压驻波比是天线的重要特征参数，可以用来表述天线的匹配程度，也是表述天线反射系数的参数。电压驻波比越小，表明天线的匹配程度越好，反射系数越小，输入天线的功率，反射回来的就越少，对天线后端电路有积极作用。

新型天线的电压驻波比仿真曲线如图11所示。可以看出，新型天线的电压驻波比在较宽的工作频段内均小于2.1，这对于短波频段的天线而言，性能良好。

图11 新型天线的电压驻波比Fig.11 Voltage standing wave ratio of new antenna

2.2 天线方向图

仿真了天线E面和H面的方向图，如图12所示，取了fL，fM，fH三个频点。从天线的E面和H面方向图可以看出，天线的定向辐射能力强，波束能量集中在需要的方向上，提高了天线的有效使用率，这是添加天线反射板的有益效果。

图12 新型天线的方向图Fig.12 New antenna pattern

天线在fL，fM，fH三个频点的增益分别为9.0，10.0，10.1 dB，对于单天线而言，辐射性能良好，增益高。

与传统的单极子天线比较，由于新型天线的波束能量比较集中，新型天线的增益在相同的频点上增大了3 dB，电性能提高一倍左右，具有定向性强、增益高的优点。

3 迁移方法比较

在短波天线急速发展的今天，短波天线在追求电性能良好的同时，也在寻求结构简单、迁移便捷的天线，这对于一些苛刻环境下的应用是有利的，可以在外界有急切需求时，迅速地将一套已经正常运行的天线从一个地方迁移到外界需要的地方投入使用，这可以有效地节省人力、物力和财力，更主要的是可以不必重新计量生产制造周期，节省时间。

应用广泛的短波天线——对数周期天线，如图13所示，由多根长度较长的振子组成，每根振子工作在相应的频段上，天线需要高架。本文提出的新型天线，如图14所示，天线主体由绝缘材料支撑，位于反射板的中心线上，由于短波波长较长，可以使用结构简单、架设容易的反射网代替反射板，反射网对于波的透射率δ：

式中，λ为工作频率对应的波长；s为网线间距；p为网线半径；透射率δ<-15 dB即可满足使用。

图13 对数周期天线Fig.13 Log periodic antenna

图14 新型单极竖笼天线Fig.14 New monopole vertical cage antenna

对数周期天线与新型天线的结构对比如表1所示。通过对比可知，新型天线的尺寸和重量明显小于对数周期天线，且对数周期天线的架设高度较高，其支撑立柱有一定量的载重，安装、维护更加困难，可迁移性进一步降低。而新型单极“竖笼”天线，结构简单，高度较低，天线组成量较少，安装、维护和拆卸均比较方便，可迁移性强，可以有效地满足外界环境对于天线迁移的需求。

表1 对数周期天线与新型天线的结构对比

4 结束语

本文提出了一种可迁移高增益的短波天线，由改进而来的单极子天线垂直放置，通过添加反射板而形成。采用HFSS电磁仿真软件仿真了新型天线的电性能，仿真结果表明该天线电压驻波比小、定向性强和增益高，可以广泛地应用于广播通信、环境监测和雷达探测等领域。与对数周期短波天线的迁移性进行了对比，表明该天线结构简单，便于安装、维护和拆卸，迁移性好。该天线已经在短波天线阵工程中得到有效的应用，同时通过实践验证了天线的电性能，且迁移性良好。