宽带小型化超短波刀型天线设计∗

曹永恒 李文华

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）（2.西安电子科技大学 西安 710071）

1 引言

船舶远洋通信的发展，对舰船的超短波通信提出越来越高的要求，要求天线集成化、小型化和平面化，可将天线嵌入、集成到上层建筑中，实现与船舶的一体化和隐身设计。通常情况下用于舰载超短波频段的通信天线形式为振子天线，如分支振子、折合振子、盘锥振子等，这种天线结构简单，但是天线尺寸较大。为了便于安装和确保天线的鲁棒性和低RCS（雷达散射截面积），有必要对其进行小型化。此外传统的振子天线带宽较窄，难以满足实际舰船多信道开通的通信要求，所以要对其进行宽带化设计。目前实现宽频带、小型化的手段大多为曲流技术、加载技术及引入渐变结构等［6～12］，但是对工作在30MHz～88MHz的超短波天线而言，其对低频段的改善效果并不明显，难以同时满足宽带和小型化的要求。

本文设计了一种具有小型化、宽频带的超短波刀型天线。通过在天线表面开多条引流缝隙延长电流路径，实现了小型化。除此之外，通过引入断流缝隙、加载集总元件以及π型匹配网络展宽天线带宽，使天线能在较宽的频带内实现全频段S11＜-5dB的阻抗匹配。天线的全向性能也较好，水平方向增益在-10dBi左右。最后制作天线缩比模型进行实测，经对比仿真与实测结果有较高一致性。

2 天线设计

刀型天线看作单极子天线的变形，天线与地面有一个倾角［13］，倾角的大小会影响天线的增益以及带宽。

在超短波频段内，天线与金属材质的船体结构相距在0.1个波长以内，天线周围的电磁环境对天线方向图影响很大，所以要将船体的结构考虑在内，再进行整体仿真研究。在设计超短波天线之前，需要根据超短波天线实际安装的空间环境来进行建模。为了简化计算，这里采用金属地板来模拟实际船体。此外，为了满足舰载电子设备要求，将馈电点置于天线底部，有利于降低能量在同轴线缆中的传输损耗以及减小对船体内部其他结构的影响，从而提高天线的效率。所设计的刀型天线如图1（a）所示，其中La=45.5cm，Lb=51.9cm，H=64.9 cm，θ1=52°。

图1 天线结构及反射系数

图1（b）给出天线的反射系数。由图1（b）可知，由于天线尺寸的限制，天线在低频段不能有效谐振，反射系数接近于0，只有部分高频段的反射系数低于-5dB（对应VSWR=3.5）。图2（a）给出原天线在50MHz频率处的电流分布，可以看出电流方向沿斜边向下，因此可以通过采用曲流技术，延长电流的有效路径，从而扩展天线带宽。

图2 开引流缝隙对天线性能的影响

这里采用开引流缝隙的方式实现曲流。图2（b）给出引流缝隙的位置以及电流分布。易知，在引流缝隙影响下，电流方向由初始的沿尾翼两侧纵向向下，变为绕开缝隙向下，有效延长了天线的电流路径。此外，图2（c）表明开引流缝隙能够增强天线在高频段的谐振特性，同时适当展宽高频段带宽，驻波比小于3.5的频段范围由原先的67.46MHz～81.40MHz改善为68.79MHz～88MHz，这也印证了开引流缝隙展宽带宽的有效性。

然而，这种拓宽带宽的效果并不明显，原因是天线的阻抗特性较差，尤其是在低频段。图3（b）虚线部分给出天线开引流缝隙后的阻抗特性曲线，可以看出由于天线尺寸的限制，天线在低频段阻抗实部较小，虚部较大且为容性，随着频率的升高容值逐渐增大，在70MHz以后阻抗虚部变为感性，并逐渐增大。因此，通过在天线电流路径上开断流缝隙引入寄生电容，相当于容性加载，使得天线阻抗在全频段呈容性，从而改善天线在高频段的阻抗特性。

图3（a）所示为天线表面开断流缝隙后的电流分布，电流先沿曲流路径向下，再沿断流缝隙两侧向下流动。图3（b）给出天线表面开断流缝隙对天线输入阻抗的影响。

首创精神、奋斗精神及奉献精神是对“红船精神”的高度凝练和深刻总结，彰显了共产党人勇于走在时代前列的责任担当，彰显了共产党人“为中国人民谋幸福，为中华民族谋复兴”的初心和使命。

图3 开断流缝隙对天线性能的影响

图3（b）表明天线表面开断流缝隙减小了阻抗虚部，有效地改善了天线在高频段的阻抗特性，同时有利于带宽进一步展宽和实现匹配。

尽管对天线表面进行开缝仅能改善高频段天线的带宽，但其对低频段的改善并不明显，体现在输入阻抗上，即实部依然较小，而虚部较大，匹配特性较差，能量无法有效辐射。所以通过加载技术对阻抗进行改善，从而拓宽天线带宽。

这里采用在断流缝隙中加载电阻和电感的方式改善阻抗特性。图4为加载不同电阻、电感对反射系数的影响，可以看出当电阻R1=65Ω，电感L=200nH时天线的谐振特性最好，同时带宽最宽。

图4 加载不同电阻、电感对反射系数的影响

最终得到超短波天线整体的结构如图5（a）所示，尺寸为 0.11λ*0.08λ（λ为中心频率 50MHz相应波长）。模型尺寸如表1所示。

图5 改进后刀型天线结构及仿真结果

表1 超短波天线具体尺寸（单位：mm）

观察图5（b）所示全波仿真的电流分布，与前文分析得到的电流分布基本一致，验证了电流分析的正确性。

由图5（c）可知，加载电阻与电感后的超短波天线阻抗特性得到有效改善，具体表现为阻抗实部和虚部均增大，显著展宽了天线带宽。图5（d）所示天线在水平方向上最大增益也在-10dBi左右，具有良好的水平全向性。

3 宽带匹配网络设计

如上所述，对天线表面开缝以及加载技术有效地展宽了天线的带宽，但是从图7虚线部分可以看出，在超短波天线的工作频段30MHz～88MHz内仍未实现完全匹配，所以需要采用加载宽带匹配。

网络的方法实现宽频带的阻抗匹配。这里我们采用π型网络进行匹配，图6给出匹配网络的结构。

图6 宽带匹配网络结构

宽带匹配网络的传输矩阵为

利用传输参数A和散射参数S之间的关系

可以由天线输入端的S参数反推出与之对应的A参数。

由A矩阵的级联性质可知，整个天线系统输入端的A矩阵为

通过上述理论计算，结合S参数和A参数转换式，即可得出天线系统整体的S参数。天线在全频段内满足阻抗匹配的情况下，可得最优电路参数值：L1=249.8nH，L2=152.8nH，C1=66.3pF。匹配前后天线反射系数对比曲线如图7所示，与未加宽带匹配网络相比，该天线系统在全频段具有良好的匹配特性。具体表现为在30MHz～88MHz频段内反射系数低于-5dB（对应VSWR=3.5），近似低于-10dB（对应VSWR=1.92）。

图7 宽带匹配网络对天线反射系数的影响

4 实测分析

由于该超短波天线物理尺寸较大且频段较低，在当前条件下天线的加工和测试都有一定难度，因此我们考虑采用加工天线缩比模型对原天线进行下一步的测试验证。根据经典Maxwell理论，一种电磁结构在某一给定的频率f时所具有的性质将和该结构所有的物理尺寸均以1/n的比例缩小后，在nf频率时的性质近似相同，此即为电磁缩比测量理论的原理。加工的天线缩比模型如图8所示，此时加载的电阻R1=65Ω，电感L=200nH。

图8 超短波天线10.5倍缩比模型实物图

对宽带超短波天线缩比模型进行宽带匹配，采用外加匹配电路板的形式对缩比超短波天线模型进行馈电，并在微波暗室进行测试，缩比天线模型测试场景如图9所示。

图9 测试环境

图10中显示了天线缩比模型加载π型匹配网络前后的反射系数变化情况。与仿真结果相比，实测结果在频率为300MHz左右匹配后的反射系数较好，在频率为400MHz左右的部分频段较差，整体来看天线缩比模型全频段基本满足VSWR<3.5，天线阻抗带宽得到明显改善，实测结果验证了该设计方法的有效性。

图10 匹配网络对天线反射系数的影响

5 结语

本文设计了一种宽频带、小型化的超短波刀型天线。首先对天线表面开多条引流缝隙实现了天线的小型化。此外，通过开断流缝隙、加载集总元件以及π型匹配网络的方法实现了天线在30MHz～88MHz的阻抗匹配（VSWR<3.5），水平方向增益在-10dBi左右。最后对该天线加工了缩比模型并进行测试，仿真与实测结果吻合良好。