一种定向短波中低仰角接收天线小型化设计*

于子瑶，吴华宁

（海军工程大学电子工程学院,湖北，武汉，430000）

0 引言

对数周期天线是近年来发展起来的一种具有极为优良电特性的宽频带天线，它的用途是极其广泛的，可以保证宽频带和通信范围远覆盖[3]。在受限的地域面积范围内往往很难容纳占地庞大的对数周期天线，例如工作于短波频段通常有尺寸为60m×60m 的对数周期天线。因此天线小型化的研究方向一直被研究者所关注。

基于此，本文设计了一种小型化的对数周期天线，工作在短波3～30MHz 频段，尺寸为22.85m×17.8m。采用弯折振子和尾部附加枝节以及加载电感对横向尺寸进行优化，设计之初选用大τ小σ的组合对纵向尺寸进行限制[4]，经过FEKO 软件的仿真，该天线全频段驻波比小于2.5，主用频段平均增益为10dBi，波束宽度大于80°。

1 天线参数设计与仿真

1.1 主用频段天线设计与仿真

对数周期天线的简化模型如图1 所示，其按一定比例关系排列而成。当对数周期天线在工作频带时，与波长对应的振子(ln≈λ/2)形成有效的辐射区,其前后形成引向区和反射区，从而使得天线具有良好的阻抗特性和均衡的前向增益。

图1 LPDA 简化模型

结合分析和实际需求，设计了工作在主用频段6～30MHz 的LPDA 天线，具体设计参数见表1。

表1 LPDA 设计参数

考虑天线的小型化，用FEKO 软件对天线振子不同弯折角度下的特性进行仿真，取振子半径为0.003m，材料为铜。选取夹角因子为0.88，第一对振子夹角 取值如下：10°、20°、30°和40°。

图2 给出了不同弯折角度下的天线性能图。图2（a）给出了对数周期天线的增益随频率变换曲线。可以发现，弯折角度的大小对低频段增益影响较大，弯折角度越大，低频增益下降越多。

图2（b）给出了不同弯折角度下对数周期天线的驻波比随频率变换曲线（参考电阻为200Ohm）。可以发现，弯折角度的大小对低频段驻波有一定影响，弯折角度越大，低频驻波变化越大。

图2（c）给出了不同弯折角度下对数周期天线的波束宽度随频率变换曲线。从图中可知，低频段角度越大，波束宽度越宽，而在高频段，呈现交错的趋势，考虑高频段所有频点最小波束宽度，30°的夹角最优。

图2 不同夹角θ 下的天线性能

1.2 低频段天线设计与仿真

在上述主用频段天线结构的基础上，经过仿真优化，确定增加2 对振子拓宽低频段带宽至3MHz，加载电阻阻值为95Ohm，延长尾部传输线长度为5m，附加枝节段长度为2m，这样保证了对数周期天线的全频段驻波比、增益和波束宽度等特性达到最优。

下面讨论加载电感对天线性能的影响。在每个振子根部加一个电感，共加四组八个，选取电感为5μH，电感因子取值如下：0.2、0.3、0.4、0.5 和0.6。

图3 给出了不同电感因子下的天线性能图。图3（a）给出了天线驻波曲线图。可以看出，电感因子越小，低频段驻波越好。

图3（b）给出了不同电感因子下的天线增益曲线图。可以看出，不同电感因子对天线增益影响较小。低频段电感因子越大，增益越小；对于高频段不同的电感因子，增益有稍微的波动。

图3（c）给出了不同电感因子下的天线波束宽度曲线图。可以看出，高频段不同电感因子下的天线波束宽度较一致，中间频段和最高频段处稍有波动，但全频段波束宽度均良好。

图3 不同电感因子下的天线性能

2 天线支撑结构设计

结合上述设计，增加支撑结构一体化设计：横梁长34m，大致架设在传输线中心位置。横梁采用金属铁制结构，架设方向与振子平行，势必导致上面出现较大的感应电流，导致天线性能恶化。如图4 所示，加支撑结构后，天线的驻波比发生了突变。

图4 加支撑结构前后天线驻波变化图

图5 加支撑结构后振子上的电流分布

从图5 中的电流分布可知，横向的支撑结构上感应了较强的电流，导致天线驻波比变差。为消除这种影响，采用在横向支撑结构上设置断点。为优化设计，共需在横向支撑结构两侧各设置两个断点，对称分布，断点位于横向支撑结构中心为±2m 和±10m 的位置。

图6 给出了完整结构的对数周期天线模型。

图6 支撑结构优化的对数周期天线模型

图7 给出了天线完整结构的驻波比曲线，在短波全频段天线驻波均不超过2.5。

图8 给出了天线的增益仿真结果，结果表明：天线在主用频段具有平均增益10dBi，天线在低频段增益较低，这是因为天线大幅压缩了纵向尺寸，其在低频工作时，辐射区内有效辐射振子少的缘故。

图9 给出了不同频率下H 面方向图，可以看出，波束宽度均在80°以上。

图7 对数周期天线驻波比

图8 对数周期天线增益

图9 水平面方向图

3 结语

本文通过用弯折偶极子的方式来增大电流路径从而降低谐振频率出发(此处表示结构优化的研究起点)，以加载电容或电感的方式，拓展了工作频率至短波全频段，设计出了一种小型化的对数周期接收天线。天线长度仅22.85m，平均增益可达10dBi。仿真和研究结果表明，天线可以在有限的场地范围内，实现短波宽频带和远距离通信，有效地实现资源集约化。