一种双模式短波对数周期天线设计

李虎 任晓飞 蔡志远 袁英光

（中国电波传播研究所，青岛 266107）

引 言

对数周期天线因其宽频带、高增益、良好的定向性在实际中被广泛应用于通信和雷达系统中[1-3]. 在短波通信应用领域中，为进一步提升系统增益，增加通信距离，常常使用多副对数周期天线进行组阵合成接收. 众多学者也对对数周期天线组阵性能进行了充分的研究. 文献[4]采用矩量法对对数周期偶极天线扇形阵进行理论分析. 文献[5]研究了在平面布阵时对数周期天线阵波束形成的最优激励. 文献[6]讨论了短波对数周期天线扇形阵列或圆形阵列盲波束合成算法. 文献[7]讨论了短波对数周期天线圆形阵列的空域极化特性. 文献[8]研究了短波双层对数周期天线扇形阵阵元夹角与合成增益的关系. 在现有大部分研究中，对数周期天线组阵方式均以水平面布阵方式为主. 这些研究为提高阵列增益和压窄水平面波束宽度提供了有意义的方法.

然而在短波信号传输中，由于电离层分层结构的特点，短波信号传输具有多模式传播的特性[9].从F2层反射与从E层反射具有不同的射线仰角，同一层不同的反射次数其来波射线仰角也具有不同的分布. 为了实现大的纵深范围覆盖，天线需要考虑不同仰角上的特性. 根据ITU建议，远距离覆盖天线需要更低的仰角，近距离覆盖天线需要高仰角辐射特性[10]. 传统短波天线依靠不同的架设高度，根据离地高度与仰角对应关系[11]，来确定合理的仰角分布，天线只能具有单一的仰角工作模式. 对于具有不同仰角模式工作的短波对数周期天线尚未见公开报道.

本文针对不同来波射线仰角接收，提出了一种双模式工作的短波对数周期天线. 天线在垂直方向分为上下两层结构，每层为一个独立的水平极化对数周期天线. 在两个天线端口进行等幅同相馈电和反相馈电，能够形成低仰角工作模式和高仰角工作模式. 在对双模式工作的天线机理分析的基础上，设计和安装了双模式短波对数周期天线. 理论仿真和实际测试表明：新设计的天线在6～30 MHz频带内，两种仰角模式下电压驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR)均小于2.5，低角模式仰角为20°，增益可达12 dBi; 高角模式仰角为44°～60°，增益可达10 dBi.天线具有良好的接收效果.

1 双层对数周期天线结构

双层对数周期天线由2副相同的水平对数周期天线在垂直方向上分层排布. 为了保持天线离地高度的电尺寸近似不变，水平对数周期天线斜向架设，与地面形成一定的倾角. 其中，下层对数周期天线与地面之间倾角为 β，上层天线与地面夹角为δ，对数周期天线集合线纵向长度为L，如图1所示.

图1 双层对数周期天线结构示意图Fig. 1 Structure of double layer log-periodic antennas

每层对数周期天线工作原理服从对数周期天线非频变特性，尺度因子 τ和间隔因子 σ服从以下关系[12]：

式中：ln为从长振子向短振子方向看的第n个振子长度；dn为 第n个振子间距.

将水平对数周期天线在垂直面进行阵列设计，利用天线分层特点，可以针对来波仰角特点对天线垂直面方向图进行设计，使得天线可以根据不同仰角分布的情况进行模式匹配工作.

2 地面上双层天线双模式工作机理

对数周期偶极子天线是由N个偶极子依据一定的周期规律排列而成. 不失一般性，我们利用水平对称振子进行理论分析，如图2所示. 考虑地面上双层天线在最大辐射方位面内即 φ=0时其垂直面辐射特性. 由于地面反射效应，天线在空间中的辐射场为直达波与反射波之和.

图2 双层天线地面反射示意图Fig. 2 Diagram of double layer antennas on ground reflection

天线远区辐射场为上下两层天线的辐射场的叠加，有

式中：E1d、E1r和E2d、E2r分别为天线1和2的直达波场和经地面反射后的反射波场.

对于天线1的直达波场，考虑远场相位归算于统一坐标系原点后[13]，有

式中： |I1|为 天线1端口激励的电流幅度；ξ1为激励电流相位；l为水平对称振子长度；H1为天线距坐标原点距离；Δ为垂直面仰角.

作为一般性分析，在短波频段，地面可以近似看作无限大的电壁. 对地面上的水平振子而言，其与地面呈负镜像关系，利用镜像原理，经地面反射后天线1的辐射场近似为

振子2的远区辐射场为

当天线1和2等幅馈电时，忽略阵元间耦合，总的辐射场为

式中：d=H2−H1， 为两层天线的间距； δξ=ξ1−ξ2为两层天线的激励相位差. 当地面为理想良导体时，反射系数为−1，式(7)严格成立.

取H1=d/2，式(7)转化为

式(8)反映了地面上水平双层天线在最大辐射方位上垂直面场强幅度分布与两层天线间距及激励相位差之间的关系. 其垂直面方向图为

当两层天线等幅同相激励时，即 δξ=0，利用欧拉公式，对式(9)合并化简为

当等幅反相激励时，即 δξ=π，有

图3给出了不同间距d情况下，地面上双层天线同相馈电与反相馈电时的垂直面方向图.

从图3计算结果看，当d=0.5λ，两层天线同相馈电时，垂直面最大辐射仰角为23°，呈现低仰角区域覆盖；而反相馈电时，最大辐射仰角在90°，且朝向天顶区域，呈现高仰角区域覆盖. 以上情况可以用二元阵理论定性解释. 反相馈电时，天线1的激励电流相位比天线2超前180°，当来波在天顶方向时，由于波程差，天线1又比天线相位滞后了180°. 因此在天顶方向形成等幅同相叠加，具有最大值. 同相馈电时，理论上仰角为0°时，二者之间波程差也为0°，应该具有最大值. 但由于地面的负镜像反射，波束上翘，导致垂直面波束集中在低仰角区域.

图3 不同d时双层天线垂直面方向图Fig. 3 Vertical pattern of a double layer antenna on the ground with different distances d

3 双模式对数周期天线设计

3.1 双模式对数周期天线设计

上一节中理论分析了地面上双层天线的双模式辐射特性，对数周期天线由若干个偶极子按照一定规律排列而成. 当利用两层水平对数周期天线在垂直方向进行组阵时，构成双模式对数周期天线，同样具备这种特性.

在双模式对数周期天线具体设计中，通过优化两层天线的高度，可以获得期望的双模式辐射仰角分布. 通过合理设计尺度因子和间隔因子保证天线在需要的工作频段内正常工作.

根据工作频段要求，兼顾双层对数周期天线之间的耦合效应，选择单元对数周期天线的尺度因子τ=0.92， 间隔因子 σ=0.1， 振子数目N=26，集合线长度L=56.6m. 为保证短波对数周期天线垂直面辐射仰角不剧烈变化，天线采用斜架方式，双层对数周期天线模型侧视图如图4所示. 下层对数周期天线低频振子高度H2=23 m，高频振子离地高度H4=4 m，地面倾斜角为19.6°. 上层天线低频振子离地高度H1=36.8 m，高频振子离地高度H3=8 m，地面倾角为30.6°.

图4 双层对数周期天线模型侧视图Fig. 4 Side view of double layer log-periodic antenna model

利用FEKO仿真软件，计算得到双模式对数周期天线在低仰角和高仰角两种不同模式下的VSWR和垂直面增益方向图，如图5和图6所示. 双模式对数周期天线天线具有良好的VSWR，高仰角模式下VSWR略大，但不超过2.5. 设计的天线在垂直面表现出良好的辐射特性，高仰角模式和低仰角模式分别明显覆盖不同的仰角.

图5 两种模式下双层对数周期天线VSWRFig. 5 VSWR of the double layer log-periodic antennas in two modes

图6 不同频率下双层对数周期天线垂直面增益方向图Fig. 6 Vertical gain patterns of double layer log-periodic antenna at different frequencies

由于双模式对数周期天线是在垂直面内进行组阵，并没有影响水平面波束特性，其水平面方向图依然保持了单元对数周期天线良好的定向特性，如图7所示. 表1给出了设计的双模式对数周期天线的辐射特性.

图7 最大仰角处水平面方向图Fig. 7 Horizontal pattern at maximum elevation

表1 双模式对数周期天线辐射特性Tab. 1 Radiation characteristics of the dual mode logperiodic antennas

从仿真的结果可以看到，双模式对数周期天线能够同时兼顾低仰角模式和高仰角模式. 低仰角模式主仰角20°左右，高仰角为44°～62°分布. 高仰角模式下的增益比低仰角模式增益低2～3 dBi. 在实际应用中，高仰角模式针对近距离通信使用. 此外，双模式对数周期天线无论是低角模还是高角模，均在垂直面具有单一的波束，这对短波信号多径分离接收起到良好的作用.

3.2 双模式对数周期天线测试

根据前文的理论设计，进行天线实物安装和测试，并应用到某短波通信系统中. 实际中利用电桥将上下两层天线进行连接，形成双端口输出. 在测试中，针对双模式工作下的天线VSWR进行实际测试.经过测试，双模式对数周期天线表现出良好的驻波特性，VSWR曲线如图8所示.

图8 双模式对数周期天线实测VSWRFig. 8 Measured VSWR of the dual mode log-periodic antennas

从测试结果看：低仰角模式下实测VSWR大部分都小于1.5；高仰角模式下实测VSWR略高，大部分小于2.0，最大不超过2.5. 这一规律与理论仿真规律基本一致. 经过实际通信测试，双模式对数周期天线通信效果良好，使用灵活，可对远中近距离进行有效通信，提升了现有对数周期天线的覆盖能力.

4 结 论

本文通过在垂直方向上将两层水平极化对数周期天线进行叠加，提出了一种双模式短波对数周期天线. 利用同相馈电和反相馈电两种激励模式，实现了低仰角模式和高仰角模式两种辐射模式. 利用这两种工作模式，可有针对性地进行短波通信距离的覆盖，更好地适应短波信号传输特性，将天线设计与电离层传播特性紧密结合在一起. 设计的双模式短波对数周期天线经过仿真和实际实测，具有良好特性，低仰角模式仰角分布20°左右，典型增益达12 dBi；高仰角模式仰角分布44°～60°，典型增益达10 dBi.两种模式下，天线VSWR小于2.5. 双模式水平极化对数周期天线的研究，可有效改善传统对数周期天线信号覆盖能力，同时为下一步短波信号多径分离研究奠定基础.