基于RLC集总加载的鞭状宽带天线设计

2021-04-13王瑞玲

通信电源技术 2021年20期

王瑞玲

（中国电波传播研究所，河南新乡 453003）

0 引言

随着跳频扩频技术的不断发展，现代高频通信系统对天线的辐射性能与工作带宽的要求也越来越高。鞭状天线是全向辐射的特殊天线，由于其体积小、性能稳定、抗风性能好，因此适合在移动载体上安装使用，是短波、超短波电台进行移动通信时最常用的天线。但天线小型化和输入阻抗在频带内变化平稳的趋势限制了其发展，加载技术是天线工程中常用的小型化与宽带化方法，通过在天线的适当位置加载电阻、电抗或导体等来改善天线中的电流分布，以改善单极天线的带宽特性[1,2]。

1 天线结构组成

本文设计了收、发两种鞭状天线，其技术指标略有不同，发射天线要求驻波比≤3，接收天线要求驻波比≤2。设计时遵循通用化和模块化原则，收、发两种天线尽量采用相同或相近的结构形式，材料选用相同的品种及规格，功能相似的零部件尽量采用相同的尺寸。两种天线的组成单元相同，均由辐射体、上加载单元、下加载单元、阻抗匹配器以及地网组成。

图1 天线结构

2 原理及框图

鞭天线的工作原理和有限导电平面上的单极天线相同[3]。但单极天线输入阻抗在3～30 MHz内变化剧烈，不能满足宽带发射要求。为了改善单极天线的带宽特性，可以采用多种方法展宽带宽，如加粗振子、采用多谐振形式以及沿振子线集总或分布加载等。考虑到工程实现的可行性和性价比，可采用集总加载方式展宽带宽，其天线电路原理如图2所示。

图2 天线电路原理

加载时若只采用电阻加载，虽然能扩展频带，但是效率极低，而采用无电阻的加载网络则很难满足宽带要求。本文设计采用无线链路控制层协议（Radio Link Control，RLC）集总加载方式，输入阻抗在整个频带内变化平缓，效率损失得到控制。根据指标要求，在满足驻波比的前提下加载参数设计时要尽量提高天线效率。发射天线驻波比要求较接收天线稍低，经过优化选择的加载参数有所不同，得到的天线电气性能也不尽相同。

3 天线设计

3.1 设计过程

根据指标要求，天线长度为10 m，是工作波长的0.1～1倍，在低频输入阻抗时呈现低阻高容。因此，在设计过程中首先考虑6～30 MHz的匹配，而低于6 MHz的则通过在输入端接入匹配网络来满足驻波比的要求。

参考以往产品的设计结果，经过对比多种形式的网络结构，对元件参数进行选择和优化。设计的收、发两种鞭天线均选择300 Ω/50 Ω阻抗匹配网络，辐射体1的长度分别为5.8 m和0.3 m，辐射体2的长度分别为2.3 m和7.7 m，辐射体3的长度分别为1.9 m和3 m。天线的加载单元和匹配网络可选择RLC串联、并联或串并结合的形式[4]。

3.2 驻波比

在信号传输系统中，如果网络的输出阻抗与负载电阻或者信号源的内阻与网络输入阻抗不匹配，则在信号传输过程中就会产生反射，最终形成驻波[5]。若入射波与反射波的相位相反，彼此抵消导致其振动幅度最小，此即为波谷，该振幅以Umin表示；若入射波与反射波的相位相同，则彼此叠加后产生的振动幅度最大，此即为波腹，该振幅以Umax表示[6,7]。

驻波比全称为电压驻波比，可以用VSWR表示，指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比。驻波比为1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全辐射，能量完全没有辐射出去。驻波比计算公式为：

式中，Umax为传输线上信号电压最大值，Umin为传输线上信号电压最小值。驻波比计算结果如图3所示。

图3 驻波比

3.3 元器件选择

按发射机在鞭状宽带天线（发）上输出1 kW的平均功率、2 kW的峰值功率计算各器件上的电流分布，推算出每个器件上电压、载流以及承受功率的情况，并在工程实现时按此要求选择匹配和加载元件。辐射体最细为Ф10的金属铝管，完全能满足功率容量的需求。

3.3.1 阻抗匹配器和电感

选择5片NXO-400磁环摞好，用Ф2镀银高温线绕制50 Ω/200 Ω阻抗匹配器，根据原有产品经验，此阻抗匹配器可承受2 kW的平均功率。按照1 kW平均功率计算馈电处电感载流，在3 MHz时电流最大，其值为4.6 A，电感电压最大为315.69 V[8]。另外，选择BV2.5漆包线绕制如图4所示的电感。