一种宽带短波线天线设计研究

胡军龙 张琪春

（1.中国人民解放军海军装备部装备项目管理中心 北京市 100071）（2.中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

短波天线具有灵活机动性强、高抗毁性等特点被广泛应用于全球广播、雷达以及卫星通信等领域中[1-3]，在上述应用领域中，天线是导波空间电磁波的转换装置，天线性能直接决定系统整体性能，因此短波天线是决定短波通信效果至关重要的因素[4]。在一些卫星通信工程应用中，雷达天线安装空间受限使得对新型短波线天线的设计提出了迫切需求。

本天线设计方案的背景为某航天探测项目，根据科学探测任务的需求，雷达必须工作在2 倍频的短波频段，由于航天器的安装空间和承受的重量十分有限，天线必须具备轻质量的优点和易展开的能力，所以适宜采用线天线形式，同时为了尽量提高天线的辐射效率，在天线的安装范围内，天线的长度应尽量长，在天线的安装和展开空间受限的情况下，如何选取天线类型，利用有限空间布置天线是天线设计的关键。本文设计的L 形短波线天线相对直线形线天线具有尺寸小、效率高等优点，并同时具备易展开、可靠性强高等特点。

2 短波天线设计

采用直线形线天线的天线形式，极限长度仅为0.13λ（λ 为f0对应的自由空间波长），会导致天线实际工作频率明显大于规定工作频率。为了降低天线谐振频率，充分利用二维空间，并考虑到天线结构展开的可行性，可以采用L 形线天线的结构形式，增加电流的路径，以达到缩减天线尺寸和提高天线效率的目的。

本文设计了一短波频段、L 形线天线，天线工作在f0~2f0，相对带宽为66%，利用全波仿真软件FEKO 对天线进行仿真，并与直线形天线的性能做比较，直线形和L 形线天线的几何结构如图1 所示。

图1：两种线天线结构对比图

图2 给出了不同形状线天线阻抗的仿真曲线，由图可看出与直线形线天线相比，L 形线天线的输入电阻较高，中心频率处的输入电抗接近零，在低频和中心频率处具有更高的效率。

图2：不同形状线天线阻抗的仿真曲线

为了展宽带宽，同时减小加载集总网络引起的损耗，可在L 形线天线靠近馈线位置或者天线末端的位置进行加载，经过反复比较，采用RLC 并联网络。为了实现宽带匹配，并考虑到天线在航天器上的安装状态，在天线底部和馈线之间插入无耗宽带匹配网络。

为使设计的匹配网络结构简单，限制构成网络的电路元件不超过6 个，对于6 个元件以内的LC 网络可分为T 型和 型两种基本结构形式，对网络的每个支节做如下约定：

（1）短路不作并联支路；

（2）开路不作串联支路；

（3）LC 串联不作并联支路；

（4）LC 并联不作串联支路。

结合商用全波仿真软件FEKO（德语FEldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache 的缩写）和ADS（英语Advanced Design System 的缩写），对天线尺寸、加载点位置、RLC 网络以及匹配网络的元器件值进行优化设计，得到天线结构和匹配网络拓扑结构，设计优化过程如下：

（1）利用FEKO 对天线进行仿真，得到天线的阻抗特性；

（2）将天线的阻抗特性导入ADS 中，利用匹配模块和实频法，对天线的阻抗进行参数优化设计，得到最优参数值。

天线尺寸和驻波的仿真结果分别如图3、图4 所示，天线驻波在整个频带内均小于3.2，与没匹配前相比，天线效率得到极大提高。宽带匹配网络如图5 所示。

图3：优化后天线的结构尺寸

图4：优化后天线驻波的仿真曲线

图5：宽带匹配网络

天线中频处的增益为0.35dBi，此增益包含RLC 中的电阻的损耗，但不包括电感、电容以及匹配网络的损耗，RLC 中电感和电容损耗预估值为0.8dB，匹配网络的损耗预估值为1.2dB，所以天线实际增益约为-1.65dB，符合预先设计要求。

本论文涉及到3 个关键技术：

（1）天线结构选择：根据探测卫星预留给天线的空间，短波段直线形单极子天线的极限长度不满足工作频率要求，需要改变天线结构使天线谐振频率降低，基于此，本论文设计出了充分利用两维空间的短波段L 形单极子天线，相比相同天线包络的直线形单极子天线，L 形单极子天线电长度更长，天线的谐振频率更低，有利于天线带宽的展宽。

其它结构形式的单极子天线可能具有更好的电性能，但会大幅度增加天线展开的难度，综合考虑天线电性能和展开机制的可实现性，采用L 形单极子天线。

（2）扩展带宽设计：L 形单极子天线不可能达到2:1 以上的带宽，必须采取措施来增加天线带宽，对天线加载电路可使带宽展宽。考虑到实际的天线工作状态，要求加载电路后的天线结构不影响天线展开。加载电路的L 形单极子天线的带宽距离目标仍有一定差距，为了进一步展宽带宽，还需设计宽带匹配网络进一步展宽带宽。

（3）天线的实现：L 形单极子天线采用直径3mm 的金属软导线来实现，并将固定长度的金属软导线置于分节的硬介质套筒内。当天线结构展开时，介质套筒一节一节的展开，每节之间通过卡槽锁死，软导线外伸的一端接在L 形介质套筒的最末端，所以套筒外伸展开形成L 形时，其内的软导线也逐渐拉直，直至形成L 形。

3 总结

本文设计了一种短波段、L 形线天线，相对工作带宽可达66%，相对传统直线形线天线，具有尺寸小、效率高等优点，并兼具易展开、可靠性高等特点，在地面雷达和卫星通信领域具有广泛应用前景。

下一步可考虑利用有耗RLC 匹配网络来进一步提高L 形天线的宽带特性，即将无耗LC 匹配网络优化到极限的情况下串联一组电阻网络。