劉 宏

（國(guó)家新聞出版廣電總局二〇二臺(tái)， 西藏 拉薩 850030）

引言

中部饋電的半波偶極子天線是短波天線的一種常見(jiàn)類型，因其易于架設(shè)、匹配簡(jiǎn)單、較高信噪比以及維護(hù)方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1]。但偶極子天線諧振頻率與長(zhǎng)度密切相關(guān)，在短波低頻諧振需要至少20 m以上空地才能使用，這在架設(shè)場(chǎng)地越來(lái)越狹小的今天，其應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)被壓縮限制。關(guān)于短波天線小型化的研究很多，一般是改變天線的結(jié)構(gòu)外形[2]、引入分形結(jié)構(gòu)[3]、添加匹配網(wǎng)絡(luò)[4]等方法獲得性能較好的小型天線。這些辦法實(shí)質(zhì)是加載技術(shù)的拓展，原理是將天線近似看作為開(kāi)路傳輸線,通過(guò)改變天線上的電流分布，獲得了良好的匹配效果。本文也是借鑒這一思路，在普通偶極子天線中部加載一個(gè)方環(huán)，以及引入缺口及在缺口內(nèi)延伸線，目的是改變天線結(jié)構(gòu)，激發(fā)出不同的表面電流。使用HFSS軟件仿真得到的結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)改變的普通偶極子天線發(fā)生紅移、多頻現(xiàn)象，并且頻點(diǎn)位置、數(shù)量是可控的。此設(shè)計(jì)為短波天線小型化及多頻性的研究提供了一些思路借鑒。

1 偶極子中部加載方環(huán)

具體天線結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 普通偶極子天線與中部加載方環(huán)天線的結(jié)構(gòu)示意圖

選定一個(gè)單邊長(zhǎng)度9 m、寬度0.04 m的普通偶極子天線為參考對(duì)象，選擇一個(gè)外側(cè)長(zhǎng)度1.5 m，徑寬為0.04 m的方環(huán)為中部加載，其中方環(huán)位于中心饋電處2.5 m處。保持兩者的長(zhǎng)度一致，其天線反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 普通偶極子天線與中部加載方環(huán)天線反射系數(shù)

從圖2可知，9 m長(zhǎng)的普通偶極子天線具有兩個(gè)諧振頻率，基波諧振點(diǎn)為7.9 MHz、反射系數(shù)為-12.9 dB；奇波諧振出的二次諧振點(diǎn)為23.5 MHz、反射系數(shù)為-10.9 dB。加載方環(huán)的天線也有兩個(gè)諧振頻率，基波諧振點(diǎn)為7.8 MHz、反射系數(shù)為-17.6 dB；二次諧振點(diǎn)為19.4 MHz、反射系數(shù)為-12.4 dB。說(shuō)明中部加載方環(huán)后，天線整體諧振點(diǎn)發(fā)生紅移。即在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)諧振點(diǎn)固定時(shí)，使用中部加載方環(huán)的方法可以有效縮短天線總長(zhǎng)度。

當(dāng)選擇邊長(zhǎng)為1 m長(zhǎng)的方環(huán)，距離中心饋電點(diǎn)為0.5 m、1.5 m、2.5 m移動(dòng)時(shí)，其天線反射系數(shù)仿真結(jié)果如下頁(yè)圖3所示。

當(dāng)距離中心饋電點(diǎn)距離為2.5 m時(shí)，方環(huán)邊長(zhǎng)從0.5 m、1 m、1.5 m變動(dòng)時(shí)，其天線反射系數(shù)仿真結(jié)果如下頁(yè)圖4所示。

從下頁(yè)圖3中可以看出，當(dāng)邊長(zhǎng)大小固定時(shí)，方環(huán)從中心饋電處向中部移動(dòng)時(shí)，基波諧振點(diǎn)幾乎沒(méi)有變動(dòng)，而第二諧振點(diǎn)頻率發(fā)生了紅移現(xiàn)象。說(shuō)明在降低奇波諧振點(diǎn)上，中部加載方環(huán)的效果大于底部加載，從圖4可以看出，當(dāng)環(huán)在偶極子天線上固定時(shí)，方環(huán)的邊長(zhǎng)逐漸增加過(guò)程中，基波諧振點(diǎn)幾乎沒(méi)有變動(dòng)，而第二諧振點(diǎn)也發(fā)生了紅移現(xiàn)象。說(shuō)明在降低第二諧振點(diǎn)上，方環(huán)邊長(zhǎng)增加也起到相應(yīng)作用。

圖3 方環(huán)距離饋電點(diǎn)距離不同時(shí)的天線反射系數(shù)圖

圖4 方環(huán)大小不同時(shí)的天線反射系數(shù)圖

2 引入不對(duì)稱缺口的變化

如上所述，引入方環(huán)可以使普通偶極子天線諧振點(diǎn)向低頻漂移。當(dāng)方環(huán)引入不對(duì)稱缺口（缺口不在方環(huán)中間位置）后，天線示意圖如5所示：

圖5 未引入缺口與引入上側(cè)缺口的天線示意圖

此時(shí)缺口位于距離中心饋線點(diǎn)3.29 m，表現(xiàn)在方環(huán)中間偏中心饋線點(diǎn)一側(cè)，在仿真軟件上表現(xiàn)出特殊的性能，具體反射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖6所示：

從圖6可知，缺口引入在方環(huán)上側(cè)出現(xiàn)了明顯三頻段。第一諧振點(diǎn)為7.6 MHz，反射系數(shù)為-17.4 dB，第二諧振點(diǎn)為19.4 MHz，反射系數(shù)為-15.0 dB，第三諧振點(diǎn)為26.1 MHz，反射系數(shù)為-16.9 dB。第一諧振點(diǎn)、第二諧振點(diǎn)頻率類似于密封的中部加載的方環(huán)，當(dāng)在上側(cè)引入了一個(gè)缺口，出現(xiàn)了第三諧振點(diǎn)。因此，當(dāng)其他條件不變的情況下，引入上側(cè)一個(gè)缺口會(huì)改變中部加載方環(huán)天線的諧振頻率、諧振深度、頻段的個(gè)數(shù)。

圖6 方環(huán)引入缺口與否的天線反射系數(shù)圖

3 缺口向內(nèi)部延伸

當(dāng)缺口向內(nèi)部延伸直線，此時(shí)線長(zhǎng)為1.4 m，寬為0.04 m時(shí)，具體示意圖如圖7所示：

圖7 缺口內(nèi)部延伸線與否的天線示意圖

在仿真軟件表現(xiàn)出以下特性，如圖8所示：

圖8 缺口環(huán)引入線與否的天線反射系數(shù)圖

如圖8所示，當(dāng)缺口內(nèi)部引入直線，表現(xiàn)出了三個(gè)諧振點(diǎn)，其中第一諧振點(diǎn)和未引入直線的缺口環(huán)類似，而第二諧振點(diǎn)表現(xiàn)出高Q值（Q值一般統(tǒng)稱品質(zhì)因數(shù)）、窄頻帶，第三諧振點(diǎn)接近于未引入直線的缺口環(huán)第二諧振點(diǎn)。因此，引入直線的缺口環(huán)頻點(diǎn)多，且偏低頻，顯然比加載缺口環(huán)、中部加載密封環(huán)、普通偶極子天線更有應(yīng)用價(jià)值。

4 諧振點(diǎn)分析

為說(shuō)明各種結(jié)構(gòu)天線的諧振情況，通過(guò)借助HFSS軟件展示天線結(jié)構(gòu)的一半的表面電流，匯總?cè)绫?所示。

如表1所示，普通偶極子天線基波諧振時(shí)，是9 m長(zhǎng)的一側(cè)完全諧振時(shí)產(chǎn)生的，而奇波諧振產(chǎn)生高頻諧振，主要為靠近中心饋電點(diǎn)三分之一長(zhǎng)度的線產(chǎn)生的；當(dāng)偶極子天線中部加載方環(huán)、環(huán)缺口在上側(cè)、缺口內(nèi)引直線，這三種天線的基波諧振均是9 m長(zhǎng)的線諧振產(chǎn)生，因此表現(xiàn)出與普通偶極子天線第一諧振點(diǎn)幾乎一致的諧振點(diǎn)。在10～20 MHz諧振區(qū)間，這三種天線均是因?yàn)樵黾恿谁h(huán)左右兩側(cè)的線，引出新的表面電流，激發(fā)出不同的電流模式，所以表現(xiàn)出多于偶極子天線一個(gè)新諧振點(diǎn)。缺口內(nèi)引入直線的天線，因?yàn)橐氲木€足夠長(zhǎng)，導(dǎo)致出現(xiàn)兩個(gè)近乎自閉的環(huán)，表面電流互相耦合出現(xiàn)了一個(gè)很尖銳的諧振點(diǎn)，這是其特有的。缺口在方環(huán)上側(cè)的天線出現(xiàn)一個(gè)高頻頻點(diǎn)，主要是不對(duì)稱的缺口分割了方環(huán)，導(dǎo)致電流重新分布，激發(fā)出不一樣的模式。需要說(shuō)明的是，因?yàn)槿笨诘拇笮〔⒉粫?huì)導(dǎo)致電流模式的改變[5]，因此在實(shí)際使用中可以根據(jù)實(shí)際情況引入缺口大小。

表1 四種不同結(jié)構(gòu)的天線諧振點(diǎn)的表面電流分布

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真與分析，證實(shí)了中部加載方環(huán)、引入缺口及缺口內(nèi)引入直線的有效性與獨(dú)特性：當(dāng)中部加載一個(gè)方環(huán)時(shí)，偶極子天線出現(xiàn)了第二諧振點(diǎn)紅移現(xiàn)象；當(dāng)方環(huán)引入不對(duì)稱缺口時(shí)，可有效重新分布電流，引入不同的諧振頻率；當(dāng)方環(huán)的大小、位置不同，可以調(diào)整第二諧振點(diǎn)的頻率和諧振深度；方環(huán)引入缺口后，激發(fā)出不同的電流模式，增加諧振頻率；缺口內(nèi)引入直線，可以分割出不同的電流模式，增加諧振點(diǎn)。偶極子天線僅能諧振于某一固定頻點(diǎn)，但借助于加載方環(huán)的辦法，可以有效使得基波諧振發(fā)生紅移現(xiàn)象以及增加頻點(diǎn)。以上的這些研究結(jié)論可能為偶極子天線在廣播收發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展起到一定的借鑒作用。