尹 立，汪松年，戴 菁

(中國人民解放軍91290部隊(duì)，北京 102100)

基礎(chǔ)理論

小型短波寬帶鞭天線研究

尹 立，汪松年，戴 菁

(中國人民解放軍91290部隊(duì)，北京 102100)

設(shè)計了一副用于天線陣列的5 m鞭狀天線，綜合運(yùn)用了集中加載和頂負(fù)載的方法，降低了天線阻抗對頻率的敏感程度，采用矩量法和遺傳算法對加載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量、位置、加載元件阻值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實(shí)際制作的天線測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，測試結(jié)果表明天線的駐波比在5～20 MHz 頻率范圍內(nèi)小于2.5。

鞭狀天線；天線陣；寬帶；短波

0 引 言

工程中要求設(shè)計一套天線陣列系統(tǒng)，對單元天線的要求主要有以下幾點(diǎn)：

(1)在工作頻帶(5～20 MHz)內(nèi)，天線的方向圖基本保持穩(wěn)定；

(2)盡量簡化天線匹配網(wǎng)絡(luò)，保證各單元天線的幅相一致；

(3)天線要有一定的接收效率；

(4)天線結(jié)構(gòu)簡單輕便、可快速裝卸，可靠、耐用，高度不超過5 m。

在短波波段常用的寬帶天線有籠形天線和錐形天線，但這兩種天線輪廓較大；套筒天線本身具有較寬特性，其電氣特性與錐形天線相差不大，且輪廓較低，可以作為接收陣列的基本單元，但天線的帶寬通常只能做到2～3個倍頻程，天線的體積也略顯笨重；鞭天線具有水平面方向圖全向、結(jié)構(gòu)簡單、輪廓低的特點(diǎn)，制作成本也低廉，常用作天線陣的單元天線，本文為簡化單元天線，采用鞭天線的型式，天線高度確定為5 m。在天線主用頻段5～20 MHz頻帶內(nèi)，5 m天線的電高度在低頻段不足0.1波長，屬于電小天線，此時輸入阻抗具有實(shí)部小、容抗大、阻值變化劇烈的特點(diǎn)，必須采取措施降低天線輸入阻抗對頻率的敏感程度。

1 集中加載設(shè)計

實(shí)現(xiàn)鞭天線駐波比寬帶化的一個較為有效的方法就是對天線體進(jìn)行加載[1]。一般而言，加載可以是無源器件，也可以是有源網(wǎng)絡(luò)。對于有源網(wǎng)絡(luò)的引入，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)天線的小型化、寬頻段、易于電子控制等優(yōu)點(diǎn)，但是有源器件必然引起噪聲、非線性失真等，對于幅相一致性要求嚴(yán)格的相控陣天線而言是不適合的，因此本設(shè)計采用無源加載。

常見的無源加載方法有：頂部加載、介質(zhì)加載、分布加載、集總元件加載等。在短波波段，介質(zhì)加載和分布加載難以實(shí)現(xiàn)，采用頂部加載和集總元件加載比較方便。集總元件加載可采用電阻元件也可采用電抗元件：電抗加載，天線效率高，但頻帶窄，難以滿足4個倍頻程內(nèi)寬帶的要求；而電阻加載，雖然天線頻帶寬，但效率低；用電抗和電阻的混合網(wǎng)絡(luò)加載，可緩和天線頻帶和效率之間的矛盾。加載天線的設(shè)計過程主要是優(yōu)化加載的元件值和加載點(diǎn)的位置及個數(shù)，優(yōu)化的目標(biāo)是天線效率高和輸入阻抗平坦，但通常而言，效率和阻抗匹配二者是有沖突的，需要在兩者之間取一個平衡[2]，本文采用矩量法對天線性能進(jìn)行計算。

在矩量法中，激勵區(qū)采用δ電壓源時，外加電場可表示為

Eiz=Vδ(z)

(1)

其中：V為激勵電壓。

對于集中加載，在加載區(qū)長度比天線長度小很多的情況下，可用狄拉克函數(shù)來代替加載區(qū)及其鄰域中加載阻抗的分布規(guī)律。天線集中加載阻抗分布可表示為

Z(z)=Ziδ(z-zi)

(2)

式中：Zi為加載處的集總元件阻抗；zi為加載區(qū)中心點(diǎn)位置。

采用海倫積分方程，表達(dá)式為：

(3)

矩量法計算可得到天線的電流分布進(jìn)而得到天線的其他輻射參數(shù)。

由于單鞭天線在低頻段的輸入阻抗電阻部分很小，導(dǎo)致匹配困難，因此考慮在天線的根部進(jìn)行加載，單電阻加載對天線的效率影響很大，因此考慮RLC并聯(lián)加載，其中L=6 μH，C=300 pF，采用不同阻值加載后，天線的駐波比和輻射效率如圖1所示。

圖1 底部加載，不同阻值時的駐波比和輻射效率

從仿真結(jié)果來看，采用底部單加載時，加載的阻值對天線的效率和阻抗特性有影響，加載阻值小，天線的輻射效率總體偏低，綜合駐波比和效率來看，底部加載選取200歐姆左右比較合適。對比加載前后天線的駐波比，可以看到，單加載可明顯增加降低天線在低頻段的駐波比，起到了平滑天線輸入阻抗的作用，但駐波比仍然偏高，從圖2中可以看出，底部加載有效地增加了低頻段的輸入電阻，但對電抗部分的影響很小，整體呈容性，電抗值偏高，因此還必須進(jìn)一步降低輸入阻抗對頻率的敏感程度。

圖2 底部加載200歐姆時天線的輸入阻抗

2 頂負(fù)載設(shè)計

在鞭狀天線的頂端加載小球、圓盤或輻射葉稱為頂負(fù)載，由于頂負(fù)載加大了垂直部分頂端對地的分布電容，頂端將不再是開路，電流也不再為零，其效果相當(dāng)于在頂端加載了一個電容，可在不增加天線幾何高度的情況下提高天線的有效高度，增大輻射電阻，同時降低了天線的輸入容抗，有效改善天線在低頻段的匹配性能。

文獻(xiàn)[3]表明，二個加載點(diǎn)就可以使7 m鞭天線的輸入阻抗在3～30 MHz頻率范圍內(nèi)大為平滑，通常上加載點(diǎn)為RL并聯(lián)加載，下加載點(diǎn)為RLC并聯(lián)加載。為了在一根高度為5 m、直徑不超過50 mm的單鞭上實(shí)現(xiàn)駐波比和效率(增益)的寬帶化(5～20 MHz)，本設(shè)計綜合采用集中加載和頂負(fù)載加載方案，并采用數(shù)值算法，對天線的加載位置、加載元件值進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計，采用單加載、單加載頂負(fù)載、雙加載頂負(fù)載方案時天線駐波比如圖3所示。從圖中可以看出，集中元件加載和頂負(fù)載均可有效地平緩天線的輸入阻抗，提高天線的匹配性能，采用雙加載頂負(fù)載方案時，天線的駐波比除低頻端外，均滿足設(shè)計要求，考慮到低頻段主要是電阻小，電抗大，因此可由匹配電路解決。

圖3 采用不同加載方案時天線駐波比

3 天線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

盡管對天線體進(jìn)行加載大大平滑了天線的輸入阻抗，但在一根橫向尺寸比波長小得多的直立天線上要實(shí)現(xiàn)天線與固定阻抗的饋線的匹配還需要在天線與接收機(jī)之間加匹配網(wǎng)絡(luò)[4]。對于天線陣而言，需要精確控制天線陣各單元天線的幅相關(guān)系來實(shí)現(xiàn)空間濾波，因此為了提高單元天線的幅相一致性，在設(shè)計的過程中，盡量簡化天線的匹配電路，減少非線性器件和相位不穩(wěn)定的因素。

天饋系統(tǒng)中常用的匹配網(wǎng)絡(luò)是集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，為了提高天線的輻射效率，主要是無源的、由電抗元件(L、c)組的T形、Γ形、和Π形網(wǎng)絡(luò)等[5]，常用的一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是一純電抗結(jié)構(gòu)的Γ形網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。通常電源端阻抗接近純電阻，為了能與電源端較好的匹配，要求電抗Z1，Z2性質(zhì)相反。對于無源匹配網(wǎng)絡(luò)，通常用插入衰減和相移來表示一網(wǎng)絡(luò)加到電路系統(tǒng)中對負(fù)載的影響結(jié)果，當(dāng)Z2為感抗，Z1為容抗時，構(gòu)成一并聯(lián)諧振電路，網(wǎng)絡(luò)引起相位滯后；當(dāng)Z2為容抗，Z1為感抗時，構(gòu)成一串聯(lián)諧振電路，網(wǎng)絡(luò)引起相位超前?？筛鶕?jù)實(shí)際天線的阻抗特性選擇合適的網(wǎng)絡(luò)形式，以實(shí)現(xiàn)阻抗的最佳匹配。

圖4 Γ形匹配網(wǎng)絡(luò)

圖5 5 m鞭天線加匹配電路后的輸入阻抗

從圖5中可見，采用匹配電路以后，天線的輸入阻抗實(shí)部在120～450歐姆之間，虛部在-130～130歐姆之間起伏，直接與50歐姆的收信機(jī)相連則由于阻抗相差太大導(dǎo)致適配，因此還需要增加一級為寬帶傳輸線變壓器，以實(shí)現(xiàn)阻抗的變比。傳輸線變壓器的阻抗變換特性是很復(fù)雜的，變比并不是固定的4∶1，它將隨頻率和負(fù)載阻抗的變化而變化。通過調(diào)節(jié)傳輸線變壓器和天線體的各個參數(shù)，使傳輸線變壓器變比的變化規(guī)律與天線輸入阻抗的變化規(guī)律較好地協(xié)調(diào)，那么變換后阻抗的波動程度將大大減小，從而獲得寬帶匹。經(jīng)優(yōu)化加載天線的最終設(shè)計指標(biāo)如下：上加載點(diǎn)距天線頂部1 m，元件值為R1=300 Ω，L1=6 μH。下加載點(diǎn)位于天線底部，元件值為R2=250 Ω，L2=6 μH，C2=300 pF，頂負(fù)載采用4葉輻射線方案，線長1.5m，傾斜角為45°，天線最終的駐波比如圖6所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計后天線駐波比

測試值與計算值的趨勢基本一致，總體而言，實(shí)際測量值比計算值略低，兩者的差別主要是以下因素的影響：1)匹配器為非線性元件，對駐波比由一定的優(yōu)化作用；2)實(shí)際測試場地與計算時的理想情況有一定的差別，如地面的電導(dǎo)率，周圍物體的影響等。測試結(jié)果表明天線的駐波比均在2.5以下，達(dá)到了設(shè)計的指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一副用于天線陣列的5m短波鞭狀天線，綜合運(yùn)用了集中加載方法和頂負(fù)載的方法來展寬天線的工作頻帶，采用矩量法和遺傳算法對加載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量、位置、加載元件阻值進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，實(shí)際制作的天線測試結(jié)果表明天線的駐波比在5～20MHz頻率范圍內(nèi)小于2.5，天線整體體積小、架設(shè)方便，匹配電路非常簡單，適合于組陣使用。

[1] 高飛，陳益鄰，劉其中. 加載天線分析[J]. 電子學(xué)報，1999, 27(12): 124-125.

[2] 高火濤，楊子杰，李杰，等. 岸基遠(yuǎn)程高頻表面波雷達(dá)小型寬帶天線系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子與信息學(xué)報，20045: 1, 2-20.

[3] 柳超，劉其中，梁玉軍，等. 艦用短波寬帶鞭狀天線研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報.2006，21(6)：955-958.

[4] 黃友火，劉其中，魏文博，紀(jì)奕才，天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的粒子群優(yōu)化設(shè)計[J]，微波學(xué)報，2007,5: 152-154.

[5] 劉志立，基于粒子群算法的寬帶天線匹配網(wǎng)絡(luò)研究[D]，浙江：哈爾濱工程大學(xué)2009.

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Small Shortwave Whip Antenna Broadband Research

YIN Li，WANG Song-nian，DAI Jing

(91290 Force，PLA，Beijing China，102100)

It is designed a pair of 5 m whip antenna for antenna arrays, the integrated use of a centralized method of loading and top loading, which is reducing the sensitivity of the antenna impedance versus frequency and using the moment method and genetic algorithm to load the network number so that the location load resistance element can be to optimize the design, and the actual production of the antenna test results are consistent with the simulation results, and the test results show that the antenna VSWR within 5-20 MHz frequency range of less than 2.5.

Whip antenna； antenna；broadband；shortwave

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.004

207-02-09

2017-04-01

TN82

A

1673-5692(2017)02-124-04

尹 立(1987—)，男，河北人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向?yàn)槎滩ㄗ赃m應(yīng)天線、國家安全戰(zhàn)略等；

E-mail：hjgyinli@163.com

汪松年(1980—)，男，安徽人，助理工程師，主要研究方向?yàn)槎滩ń邮諜C(jī)、電子信息戰(zhàn)略研究等；

戴 菁(1982—)，女，新疆人，工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化建設(shè)、有線通信等。