賈小嬌 安徽省廣播電視科研所

1.引言

齒狀對數(shù)周期天線來自對數(shù)周期天線[1]，其結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，是一種全向性寬頻帶天線。它是非頻變天線，其阻抗、增益、方向圖等電性能在頻帶范圍內(nèi)基本與頻率無關(guān)。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，地面數(shù)字電視應(yīng)用越來越廣，其配套設(shè)備的要求也越來越高。本文設(shè)計了一款適用于地面數(shù)字電視的齒狀對數(shù)周期接收天線，經(jīng)仿真性能良好，如果做成產(chǎn)品,也將減少不必要的安裝環(huán)節(jié)。

2.天線原理和結(jié)構(gòu)

齒狀對數(shù)周期天線是從對數(shù)周期天線發(fā)展而來。對數(shù)周期天線是由N個結(jié)構(gòu)相同的振子按照一定規(guī)律排列的，如圖1所示。相鄰振子的比值(L n + 1/Ln)等于某個常數(shù)k, 相鄰振子的間距(d n + 1/ dn)也等于k， 此結(jié)構(gòu)的天線具有相似原理：若兩副天線的幾何形狀相似，尺寸相差T倍, 當(dāng)工作頻率也相差T倍并且其輻射電阻遠大于損耗電阻時，這兩副天線的電參數(shù)相同[2]。真正的對數(shù)周期具有對數(shù)函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)，其公式為：

齒狀對數(shù)周期天線中齒的分布是按等角螺旋線設(shè)計的[3]，如圖2所示（定義天線臂內(nèi)半徑rn和外半徑Rn, 以及兩個角度S1和S2），齒是不連續(xù)的，其長度是由從原點發(fā)出的兩根直線之間的夾角決定的，相鄰的兩個齒的間隔是按等角螺旋天線設(shè)計中相鄰導(dǎo)體之間的距離來設(shè)計的。

若從螺旋線中心沿著矢徑方向看去， 同一臂上第n個齒內(nèi)緣的矢徑為：

則第n＋1個齒內(nèi)緣的矢徑為：

第n+1 個齒和第n個齒內(nèi)緣的矢徑之比為：

同理，同一臂相鄰齒外緣的比值τ也是一個常數(shù)，

圖1 對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)

圖2 齒狀對數(shù)周期天線

對于無限長的結(jié)構(gòu)，當(dāng)天線的工作頻率變化τ倍，即頻率從f變到τf、τ2f、τ3f…時，天線的電結(jié)構(gòu)完全相同，因此在這些離散的頻率點τf、τ2f、τ3f…上具有相同的電特性，但在f-τf、τfτ2f…等頻率間隔內(nèi)，天線的電性能有些變化，只要這些變化不超過一定的指標，就認為天線具有非頻變特性。

3.仿真結(jié)果

本文采用HFSS軟件對平面齒狀對數(shù)周期天線進行仿真，其結(jié)構(gòu)采用圖2的形式。參數(shù)設(shè)置為：S1=S2=45o ，R1=17.92cm，τ=0.65，r1=0.81R1，齒狀對數(shù)周期天線為有限導(dǎo)體，將導(dǎo)體附在介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板厚度為62mil，尺寸為41.22cm×41.22cm，饋電為天線幾何中心。

圖3所示是平面齒狀對數(shù)周期天線的VSWR（電壓駐波比），由圖3可以看出，天線的VSWR在470MHz-900MHz頻段內(nèi)＜2.5，最小值為1.3，且較為平坦，比較適合在地面數(shù)字頻段使用。

圖4為天線的增益圖，可以看出，天線的增益可以達到5.44dB，輻射關(guān)于xoy平面對稱。參考圖2，輻射方向符合天線原理。圖5為天線在XOZ（H）和XOY(E)平面內(nèi)的方向圖，可以看出，天線的輻射在H面和E面均對稱分布，磁場方向的方向性很強。

4.結(jié)論

本文對齒狀對數(shù)周期天線進行了研究設(shè)計，利用HFSS軟件進行了仿真。結(jié)果顯示，在地面數(shù)字電視頻段內(nèi)（470-860MHz），天線駐波比小于2.5，大部分頻段內(nèi)小于2.0，增益為5.44dB，并且E面和H面方向圖也較好，具有一定的方向性，不足之處是天線尺寸稍嫌大，下一步計劃在性能不變條件下，改變天線尺寸并做出產(chǎn)品。

圖3 平面齒狀對數(shù)周期天線駐波比（VSWR）圖

圖4 天線增益圖

圖5（a） H面方向圖

圖5（b） E面方向圖