石寶民，官伯然

(杭州電子科技大學天線與微波技術(shù)研究所，浙江杭州310018)

0 引言

近幾年，國外對NVIS技術(shù)的研究從未停止，如文獻1、2分別對艦載和車載NVIS天線進行了研究。本文首先對天線結(jié)構(gòu)做了簡單介紹和分析，通過Ansoft HFSS軟件對天線進行了仿真，給出了詳細的仿真結(jié)果和分析，表明本天線結(jié)構(gòu)相對于現(xiàn)有的短波天線形式在體積結(jié)構(gòu)，NVIS特性，全向性和極化形式上具有一定的優(yōu)勢，具有進一步研究和實際應(yīng)用的價值。

1 天線結(jié)構(gòu)

由圓極化波的理論可知，兩個頻率相同的線極化波可以合成圓極化波，但必須滿足3個條件［3］，即兩波的電場矢量在空間互相垂直，幅度必須相等，相位相差90°。而本天線結(jié)構(gòu)所使用的方環(huán)形天線為線極化形式，在采取交叉垂直擺放，和90°差相位饋電后正好滿足了圓極化的條件。本文所采用球坐標系如圖1所示。天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 球坐標系示意圖

圖2 天線模型

兩矩形環(huán)天線分別由對稱兩臂組成，每條臂(即半個矩形環(huán))的垂直臂高為100cm，兩條水平臂長為60cm，線半徑2cm，饋電點設(shè)置在頂端。

這樣的天線結(jié)構(gòu)可以很好的提高水平面方向圖的全向性，使一般短波天線的“8”字形水平面方向圖變?yōu)榻茍A形［4，5］。在NVIS特性上也更容易實現(xiàn)，天線在不需加載調(diào)整的情況下即可在30 6MHz頻段內(nèi)有良好的近垂直特性，僅在低頻段的6 1.5MHz需要進行加載調(diào)整。

2 天線仿真結(jié)果分析

本天線采用Ansoft HFSS軟件進行建模和仿真分析。天線的近垂直特性非常好，輻射能量集中在天線頂端，主瓣寬度約為2θ0.5=80°，如圖3、4所示:

圖3 25MHz時的垂直面方向圖

圖4 10MHz時的垂直面方向圖

本天線的輻射在能量集中的波瓣頂端區(qū)域，并在頂端區(qū)域的水平方向上分布比較均勻，從水平方向圖上看近似圓形，經(jīng)電離層反射回地面后可以實現(xiàn)均勻覆蓋天線周邊各個角度的盲區(qū)，不會出現(xiàn)死角。水平方向圖如圖5、6所示:

圖5 25MHz時的水平面方向圖

圖6 10MHz時的水平面方向圖

天線在低頻段出現(xiàn)了NVIS特性和全向性的惡化，達不到近垂直短波天線的使用要求。而從工作頻率上看1.5－30MHz有4個倍頻程，要實現(xiàn)如此寬的帶寬，在振子上加載成為了必要的手段。本設(shè)計采用末端加載電容方案，較好地解決了上面遇到的問題，經(jīng)過多次綜合試驗，天線基本在全頻段達到了NVIS特性和全向性的設(shè)計要求。

通過加載技術(shù)實現(xiàn)本短波天線在5MHz時的全向性和NVIS特性的具體仿真情況如圖7、8所示:

圖7 5MHz加載132pF時的垂直方向圖

圖8 5MHz加載132pF時的水平方向圖

在實現(xiàn)了上述近垂直短波天線所必須的NVIS特性和非常好的水平全向性的同時，本天線還實現(xiàn)了圓極化。天線分別在25MHz，5MHz的極化情況如圖9，10所示。

圖9 25MHz時的極化圖

圖10 5MHz加載132pF時的極化圖

本文選取θ=15°和25°兩個水平圓周上的極化情況來觀察，可以看出，RHCP(右旋圓極化)的增益值要遠遠大于LHCP(左旋圓極化)，所以該天線極化形式為右旋圓極化。

由Ansoft HFSS仿真得出的軸比與頻率的關(guān)系曲線如圖11所示，在很寬的頻帶內(nèi)，軸比變化不大，僅在頻率底端軸比值出現(xiàn)劇烈變化。工程應(yīng)用中，一般軸比小于6dB圓極化天線就具有實用價值。從曲線上看，5 30MHz的頻帶內(nèi)都能達到這個要求。在低頻段進行天線加載，圓極化特性也隨之改善。在加載132pF后低頻段的軸比情況如圖12所示:

圖11 軸比與頻率的關(guān)系曲線

圖12 加載132pF時低頻段軸比與頻率關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了環(huán)形交叉形式的近垂直天線，最終其近垂直特性、水平全向性，圓極化性能均比較理想，達到設(shè)計要求，天線的結(jié)構(gòu)尺寸也在合理的范圍內(nèi)。而在天線的設(shè)計過程中，天線各方面的性能相互影響相互制約，很難同時達到理想狀態(tài)，因此，必須折衷考慮使得天線的性能達到最優(yōu)。因為一般短波天線都會配接自動天線調(diào)諧器使用，駐波比及帶寬等參數(shù)會進一步得到調(diào)整，而不對其它性能造成影響，所以在本文的設(shè)計中，沒有過多的關(guān)注天線的阻抗特性。本天線形式簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，如果在接下來實際的測試和調(diào)整當中達到預期的性能要求，則本天線設(shè)計不失為一種具有相當應(yīng)用價值的新型結(jié)構(gòu)。

［1］ Radovan Vlasic，Dean Sumic.An Optimized Shipboard HF Loop Antenna for NVIS Link［C］.Zadar:50thInternational Symposium ELMAR-2008，2008:241 －244.

［2］ Austin B A，Liu W C.Assessment of vehicle-mounted antennas for NVIS applications［J］.Antenna and Propagation，2002，3(4):147 －152.

［3］ 李超峰，魏子倫.垂直交叉短波天線實現(xiàn)全方向性［J］.電波科學學報，1995，6(10):188－192.

［4］ Wei Tian，Zheng H L.An Optimised of High-Efficiency Vehicular Loop Antenna for NVIS Applications［C］.Chengdu∶Microwave and Millimeter Wave Technology，2010:1 252 －1 255.

［5］ 黃子旻.高增益全向圓極化海上移動天線的研究［D］.大連:大連海事大學，2010:5－18.

［6］ 程智輝.車載NVIS天線研究［D］.西安:西安電子科技大學，2008:9－11.