【深度】小型短波宽带鞭天线研究

Original 学术plus 学术plus 2022-07-29

今日荐文

今日荐文的作者为中国人民解放军 91290部队专家尹立，汪松年，戴菁。本篇节选自论文《小型短波宽带鞭天线研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第2期。

摘要：设计了一副用于天线阵列的5米鞭状天线，综合运用了集中加载和顶负载的方法，降低了天线阻抗对频率的敏感程度，采用矩量法和遗传算法对加载网络的数量、位置、加载元件阻值进行优化设计，实际制作的天线测试结果与仿真结果基本吻合，测试结果表明天线的驻波比在5~20MHz频率范围内小于2.5。

关键词: 鞭状天线；天线阵；宽带；短波

引言

工程中要求设计一套天线阵列系统，对单元天线的要求主要有以下几点：

（1）在工作频带(5~20MHz)内，天线的方向图基本保持稳定；

（2）尽量简化天线匹配网络，保证各单元天线的幅相一致；

（3）天线要有一定的接收效率；

（4）天线结构简单轻便、可快速装卸，可靠、耐用，高度不超过5m。

在短波波段常用的宽带天线有笼形天线和锥形天线，但这两种天线轮廓较大；套筒天线本身具有较宽特性，其电气特性与锥形天线相差不大，且轮廓较低，可以作为接收阵列的基本单元，但天线的带宽通常只能做到2～3个倍频程，天线的体积也略显笨重；鞭天线具有水平面方向图全向、结构简单、轮廓低的特点，制作成本也低廉，常用作天线阵的单元天线，本文为简化单元天线，采用鞭天线的型式，天线高度确定为5m。在天线主用频段5~20MHz频带内，5m天线的电高度在低频段不足0.1波长，属于电小天线，此时输入阻抗具有实部小、容抗大、阻值变化剧烈的特点，必须采取措施降低天线输入阻抗对频率的敏感程度。

1 集中加载设计

实现鞭天线驻波比宽带化的一个较为有效的方法就是对天线体进行加载。一般而言，加载可以是无源器件，也可以是有源网络。对于有源网络的引入，虽然能够实现天线的小型化、宽频段、易于电子控制等优点，但是有源器件必然引起噪声、非线性失真等，对于幅相一致性要求严格的相控阵天线而言是不适合的，因此本设计采用无源加载。

常见的无源加载方法有：顶部加载、介质加载、分布加载、集总元件加载等。在短波波段，介质加载和分布加载难以实现，采用顶部加载和集总元件加载比较方便。集总元件加载可采用电阻元件也可采用电抗元件：电抗加载，天线效率高，但频带窄，难以满足4个倍频程内宽带的要求；而电阻加载，虽然天线频带宽，但效率低；用电抗和电阻的混合网络加载，可缓和天线频带和效率之间的矛盾。加载天线的设计过程主要是优化加载的元件值和加载点的位置及个数，优化的目标是天线效率高和输入阻抗平坦，但通常而言，效率和阻抗匹配二者是有冲突的，需要在两者之间取一个平衡，本文采用矩量法对天线性能进行计算。

在矩量法中，激励区采用δ电压源时，外加电场可表示为

E_iz=Vδ(z) (1)

其中：V为激励电压。

对于集中加载，在加载区长度比天线长度小很多的情况下，可用狄拉克函数来代替加载区及其邻域中加载阻抗的分布规律。天线集中加载阻抗分布可表示为

Z(z)=Z_iδ(z-z_i) (2)

式中：Z_i为加载处的集总元件阻抗；为加载区中心点位置。

矩量法计算可得到天线的电流分布进而得到天线的其他辐射参数。

由于单鞭天线在低频段的输入阻抗电阻部分很小，导致匹配困难，因此考虑在天线的根部进行加载，单电阻加载对天线的效率影响很大，因此考虑RLC并联加载，其中L=8mH，C=300pF，采用不同阻值加载后，天线的驻波比和辐射效率如图1所示。

图1 底部加载，不同阻值时的驻波比和辐射效率

图2 底部加载200欧姆时天线的输入阻抗

图3 采用不同加载方案时天线驻波比

从仿真结果来看，采用底部单加载时，加载的阻值对天线的效率和阻抗特性有影响，加载阻值小，天线的辐射效率总体偏低，综合驻波比和效率来看，底部加载选取200欧姆左右比较合适。对比加载前后天线的驻波比，可以看到，单加载可明显增加降低天线在低频段的驻波比，起到了平滑天线输入阻抗的作用，但驻波比仍然偏高，从图2中可以看出，底部加载有效地增加了低频段的输入电阻，但对电抗部分的影响很小，整体呈容性，电抗值偏高，因此还必须进一步降低输入阻抗对频率的敏感程度。

2 顶负载设计

在鞭状天线的顶端加载小球、圆盘或辐射叶称为顶负载，由于顶负载加大了垂直部分顶端对地的分布电容，顶端将不再是开路，电流也不再为零，其效果相当于在顶端加载了一个电容，可在不增加天线几何高度的情况下提高天线的有效高度，增大辐射电阻，同时降低了天线的输入容抗，有效改善天线在低频段的匹配性能。

文献表明，二个加载点就可以使7m鞭天线的输入阻抗在3～30 MHz频率范围内大为平滑，通常上加载点为RL并联加载，下加载点为RLC并联加载。为了在一根高度为5m、直径不超过50mm的单鞭上实现驻波比和效率（增益）的宽带化（5～20MHz），本设计综合采用集中加载和顶负载加载方案，并采用数值算法，对天线的加载位置、加载元件值进行了初步的优化设计，采用单加载、单加载顶负载、双加载顶负载方案时天线驻波比如图3所示。从图中可以看出，集中元件加载和顶负载均可有效地平缓天线的输入阻抗，提高天线的匹配性能，采用双加载顶负载方案时，天线的驻波比除低频端外，均满足设计要求，考虑到低频段主要是电阻小，电抗大，因此可由匹配电路解决。

3 天线匹配网络设计

图4 Γ形匹配网络

尽管对天线体进行加载大大平滑了天线的输入阻抗，但在一根横向尺寸比波长小得多的直立天线上要实现天线与固定阻抗的馈线的匹配还需要在天线与接收机之间加匹配网络。对于天线阵而言，需要精确控制天线阵各单元天线的幅相关系来实现空间滤波，因此为了提高单元天线的幅相一致性，在设计的过程中，尽量简化天线的匹配电路，减少非线性器件和相位不稳定的因素。

天馈系统中常用的匹配网络是集总参数网络，为了提高天线的辐射效率，主要是无源的、由电抗元件（L、c）组的T形、Γ形、和Π形网络等，常用的一种阻抗匹配网络是一纯电抗结构的Γ形网络，如图4所示。通常电源端阻抗接近纯电阻，为了能与电源端较好的匹配，要求电抗Z1，Z2性质相反。对于无源匹配网络，通常用插入衰减和相移来表示一网络加到电路系统中对负载的影响结果，当Z2为感抗，Z1为容抗时，构成一并联谐振电路，网络引起相位滞后；当Z2为容抗，Z1为感抗时，构成一串联谐振电路，网络引起相位超前。可根据实际天线的阻抗特性选择合适的网络形式，以实现阻抗的最佳匹配。

图5 5m鞭天线加匹配电路后的输入阻抗

从图5中可见，采用匹配电路以后，天线的输入阻抗实部在120~450欧姆之间，虚部在-130～130欧姆之间起伏，直接与50欧姆的收信机相连则由于阻抗相差太大导致适配，因此还需要增加一级为宽带传输线变压器，以实现阻抗的变比。传输线变压器的阻抗变换特性是很复杂的，变比并不是固定的4:1，它将随频率和负载阻抗的变化而变化。通过调节传输线变压器和天线体的各个参数，使传输线变压器变比的变化规律与天线输入阻抗的变化规律较好地协调，那么变换后阻抗的波动程度将大大减小，从而获得宽带匹。经优化加载天线的最终设计指标如下：上加载点距天线顶部1m，元件值为R₁=300Ω，L₁=6μH。下加载点位于天线底部，元件值为R₂=250Ω，L₂=6μH，C₂=300pF，顶负载采用4叶辐射线方案，线长1.5m，倾斜角为45度，天线最终的驻波比如图6所示。

图6 优化设计后天线驻波比

测试值与计算值的趋势基本一致，总体而言，实际测量值比计算值略低，两者的差别主要是以下因素的影响：

1）匹配器为非线性元件，对驻波比由一定的优化作用；

2）实际测试场地与计算时的理想情况有一定的差别，如地面的电导率，周围物体的影响等。

测试结果表明天线的驻波比均在2.5以下，达到了设计的指标要求。

结语

本文设计了一副用于天线阵列的5米短波鞭状天线，综合运用了集中加载方法和顶负载的方法来展宽天线的工作频带，采用矩量法和遗传算法对加载网络的数量、位置、加载元件阻值进行了优化设计，实际制作的天线测试结果表明天线的驻波比在5~20MHz频率范围内小于2.5，天线整体体积小、架设方便，匹配电路非常简单，适合于组阵使用。

（参考文献略）

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