一種帶尾翼的新型短波寬帶偶極天線

1、一種帶尾翼的新型短波寬帶偶極天線 第 23 卷第 5 期 20O8 年 10 月 電波科學(xué)學(xué)報(bào) CHINESE.IOURNAIOFRADIOSCIENCE Vol_23.NO.5 October.2008 文章編號(hào) 1005 0388(2008)05098205 種帶尾翼的新型短波寬帶偶極天線 柳超 ,張志剛劉其中姚軍 (1. 西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071; 2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 ,湖北武漢 430033) 摘要設(shè)計(jì)了一副帶尾翼和集總電阻加栽的短波寬帶三角形偶極子線天線.采用 矩量法 (MoM) 對(duì)該天線的電特性進(jìn)行了仿真計(jì)算 ,優(yōu)化了天線的電壓

2、駐波比和增益 特性,并制作了一副實(shí)驗(yàn)天線 .數(shù)值仿真和測(cè)量結(jié)果表明 :在 33OMHz 頻帶內(nèi),該 天線電壓駐波 (VSWR) 比小于 2.2,在一般地面上平均增益大于 4dBi. 關(guān)鍵詞線天線 ; 寬帶天線 ;短波天線 中圖分類號(hào) TN821.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A NovelbroadbandHFdipoleantennawithtailedwings LIUChaoZHANGZhi gang2LIUQi zhongYAOJun (1.NationalLaboratoryofAntennasandMicrowaveTechnology, XidianUniv.,XianShaanxi71007

3、1,China;2.SchoolofElectronicEngineering,Naval UniversityofEngineering,WuhanHubei430033,China) AbstractAbroadbandHFtriangledipolewire antennawithtailedwingsand lumpedloadingresistorsisdesignedandanalyzedbyusingmethodofmoments (MoM).Itsvoltagestandingwaveratio(VSWR)andgainareoptimized.Anex perimentala

4、ntennaiSmade.Bothnumeriealresultsandmeasureddatashowthat theVSWRisIessthan2.2andtheaveragegainfortheaveragegroundislarger than4dBiin3 3OMHzfrequencyrange. Keywordswireantennas;broadbandantennas;HFantennas 1 引言 目前用于中 ,近距離短波通信的基站天線大量 采用水平極化天線 ,最常見的有雙極天線 ,籠形天線 等,它們?yōu)檎瓗炀€ ,不能保證發(fā)射機(jī)免調(diào)諧全頻段 寬帶工作 ,跳頻 ,擴(kuò)頻 ,自適應(yīng)

5、選頻 ,動(dòng)態(tài)頻管等抗干 擾通信手段無法實(shí)施 .現(xiàn)代軍事通信業(yè)務(wù)量越來越 大,為了盡量減少通信站的天線數(shù)量 ,通信距離 2 000km 以內(nèi)的天線應(yīng)為全向?qū)拵炀€ ,以滿足短波 全波段使用和對(duì)多個(gè)對(duì)象通信的要求 . 實(shí)現(xiàn)天線寬頻帶特性的有效方法之一就是對(duì)天 線體進(jìn)行加載 .Altshuler 提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單,具有良好寬頻帶特性的偶極天線 .這種天線是 在距天線末端 1/4 波長處加載電阻 ,使加載點(diǎn)和饋 電點(diǎn)之問的線段上電流近似呈行波分布 .Altshul er 偶極天線的加載電阻可近似為天線平均特性阻 抗的一半 .加載使得天線的輸入阻抗比同尺寸未加 載天線的阻抗變化小得多 ,通常 Alt

6、shuler 天線在 3:1 的頻率范圍內(nèi) VSWR 小于 2.當(dāng)天線長度較 短時(shí) ,Altshuler 天線與同尺寸天線的方向圖差異不 大; 但當(dāng)天線長度較長時(shí) ,加載天線上的行波電流起 主要作用 ,這時(shí)最大輻射方向朝天線軸靠近 ,減小了 天線軸向附近的低輻射區(qū)域 .此外 ,加載天線方 向圖隨頻率的變化遠(yuǎn)沒有未加載天線方向圖隨頻率 變化劇烈 ,有較寬的方向圖帶寬 .然而 Altshuler (ZL Y2OO6356) 983 收稿 Et 期 :200810 16.基金項(xiàng)目 :總裝備部研究項(xiàng)目 E mail:982 第 5 期柳超等 : 一種帶尾翼的新型短波寬帶偶極天線 天線要求加載點(diǎn)到天線末

7、端的距離為 1/4 波長的奇 數(shù)倍 ,一個(gè)工作頻帶很寬 （如 1O:1 的帶寬 ）的天線 顯然不能滿足這個(gè)條件 ,尤其當(dāng)加載點(diǎn)到天線末端 的距離為 1/2 波長的整數(shù)倍時(shí) ,加載電阻不起作用 , 天線電流呈駐波分布 ,天線的輸入 VSWR 明顯變 大 , 這就限制了 Ahshuler 天線的帶寬 .顯然 ,一個(gè) 典型的 Ahshuler 天線不能滿足 3 30MHz 寬頻帶 工作的要求 . 三角形天線是一種平面結(jié)構(gòu) ,具有重量輕 ,易架 設(shè)等優(yōu)點(diǎn) .當(dāng)張角較大時(shí) （如 90.）,它既是電偶極 子天線又是具有類似外形的縫隙天線,二者構(gòu)成一 對(duì)互補(bǔ)天線 ,因而具有較好的寬頻帶工作特性 .但 大張角

8、的三角形天線在短波波段尺寸仍然較大,架 設(shè)不方便 .小張角的三角形天線雖然尺寸較小,但 其輸入電抗與圓柱型偶極子天線輸入電抗類似,隨 頻率劇烈變化 ,因此也不具有較寬的頻寬特性 . 采用線狀小張角三角形偶極子形式 ,根據(jù) Alt shuler 加載天線的設(shè)計(jì)思想 ,通過優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu) 參數(shù)和元件參數(shù) ,設(shè)計(jì)了一副工作在 330MHz 頻 帶內(nèi)的寬帶偶極子天線 .為克服加載元件距天線末 端距離為 1/2 波長整數(shù)倍時(shí)天線輸入 VSWR 明顯 變大的缺陷 ,在天線臂加載單元處設(shè)計(jì)了一個(gè)斜掛 的三角形尾翼 ,進(jìn)一步改善 VSWR 特性 . 2 天線結(jié)構(gòu) 帶尾翼的短波寬帶加載偶極天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所

9、示,(a)為天線側(cè)視圖 ,(b) 為天線俯視圖 .天線由兩 個(gè)水平輻射單元組成 ,用平衡 /不平衡轉(zhuǎn)換器 (Bal un) 在兩個(gè)水平輻射單元的中心饋電 .天線兩端懸 掛在兩個(gè)支撐桅桿 (圖 l 中的 A 和 B) 的頂部 ,桅桿 的高度取決于通信距離 .由于該天線主要用于通信 距離小于 2000km 的短波天波通信 ,因此桅桿的高 度一般在 1O 20In 的范圍內(nèi)選取 ,典型的天線架 高取 l5Ill. 為了使天線寬頻帶工作 ,且考慮到架設(shè)的方便 性,天線的水平部分為一個(gè)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的小張角三角 形偶極子 ;中部串接一個(gè)集總加載電阻單元 ,用于控 制天線臂的反射能量以改善天線的駐波比性能;從

10、加載處向下以一個(gè)特定的角度 a 向支撐桅桿伸出一 個(gè)三角形尾翼 ,尾翼的末端通過絕緣繩掛在支撐桅 桿的中部 .天線加載處的前半臂為一個(gè)平面結(jié)構(gòu)的 三角形 ,加載處的后半臂為三維錐形結(jié)構(gòu) .合適選 擇天線臂的張角 ,長度和加載電阻的數(shù)值 ,位置等以 獲得 1O:1 的工作帶寬 .天線導(dǎo)線采用直徑為 3 = 2 一 L 二亙二 :ji 匿一 占鼻 一 ! 一一 一 馬_W (b)俯視圖 圖 1 短波加載偶極寬帶天線原理圖 mm 的不繡鋼絲繩 ,鋼絲繩的柔軟特性可方便天線 的重復(fù)收放 ,使之具有可機(jī)動(dòng)架設(shè)的特點(diǎn) . Balun 設(shè)計(jì)為一個(gè)傳輸線變壓器 , 它既可保 證天線兩臂平衡饋電 ,又可較好地實(shí)

11、現(xiàn)天線與 5OQ 同軸饋線的阻抗匹配 .傳輸線變壓器具有比普通阻 抗變換器寬得多的帶寬 ,可以滿足 3 30MHz 頻率 范圍使用要求 . 3 數(shù)值仿真及優(yōu)化 采用矩量法對(duì)帶尾翼的短波寬帶加載偶極天線 進(jìn)行數(shù)值仿真 6. 選取電場(chǎng)積分方程為矩量法的求 解方程 ;(,)一 LJ(St)(?;一) g(r,rt)ds(1) 式中 ,g(r,r,)一 exp(一 j 忌 lr r,1)/lr 一 ,l;七一 .叩一,為在 r 處沿導(dǎo)線軸的距離 ; 為沿導(dǎo)線軸的單位矢量 . 由于加載區(qū)長度比天線長度小很多 ,故可用狄 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 7.由于采用集總電阻加載 ,天線

12、已被加載電 阻分為多段 ,所以每一段上的電流應(yīng)用一個(gè)多項(xiàng)式 來表示 ,第 i 段的電流函數(shù)描述如下 niIf 一 1 ()一 ,lJ(2)k I1 斗 1I 式中,71為第 i 段(即點(diǎn)和 z點(diǎn)之間的線段 )所 取電流多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù) . 由于天線架設(shè)在戶外 ,天線的受力與氣溫 ,風(fēng)速 和裹冰厚度等氣象因素有關(guān) ,加之天線臂上懸掛有 galun,加載單元和尾翼等集中荷載 ,因此天線的力 學(xué)計(jì)算非常復(fù)雜 .考慮到最大風(fēng)速和最大裹冰不會(huì) 同時(shí)發(fā)生 ,且最大風(fēng)速通常是影響天線生存安全的 最主要因素 ,故可按最大風(fēng)速來計(jì)算天線的受力. 最大風(fēng)速取 160km/h 且支撐桅桿檔距為 40In 時(shí) , 984

13、電波科學(xué)學(xué)報(bào)第 23 卷 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表明天線體最大弧垂 (天線體最低點(diǎn)距兩 端懸掛點(diǎn)的高度 ) 取 1.5in 可保證天線的安全使 用.為仿真天線的電氣性能 .采用懸鏈線公式給出 天線導(dǎo)線各點(diǎn)高度與位置的關(guān)系 一.+133(ch 一 1(3),1oJ, 式中 ,是天線各點(diǎn)距地面的高度 (m);是天線中 點(diǎn)距地面的高度 (m)i 是天線各點(diǎn)沿天線軸向到 天線中心點(diǎn)的水平距離 (m). 在進(jìn)行天線性能數(shù)值仿真時(shí) ,天線上每段的端 點(diǎn)坐標(biāo)由天線結(jié)構(gòu)和懸鏈線公式 (3) 共同確定 ,每一 分段用直線線段近似 .天線導(dǎo)線的導(dǎo)電率取一 110 S/m,一般地面的電參數(shù)取一 1.4x1O S/m,e,一 15

14、,一 1. 為使天線性能達(dá)到最佳 ,以駐波比和增益為優(yōu) 化目標(biāo) ,采用遺傳算法對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化 .目標(biāo) 函數(shù)為 N F min w(VSWR(f1)一 1)+ i一1 (G0 一 G(f)(4) 式中,fi(i 一 1,2, ,N)表示帶內(nèi) N個(gè)頻率點(diǎn) ; VSWR(f1) 和 G() 分別表示頻率為時(shí)天線的駐 波比和增益 ,可由 MoM 數(shù)值仿真來獲得 ;G0 為額 定增益 ,是優(yōu)化的目標(biāo)之一 , 取為 5dBi;W 為不同 頻率點(diǎn)上駐波比的加權(quán)值 iA 是一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù) ,用于 在天線阻抗寬帶特性和增益特性之間進(jìn)行均衡 . 4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 ,制作了一副帶尾翼的短波 寬帶加

15、載偶極子實(shí)驗(yàn)天線 ,天線的結(jié)構(gòu)尺寸和器件 參數(shù)為 :天線臂長 L 一 19.2m, 其中 L 一 7.92m,L. =9.26m,L3 1.42m;末端寬 W 一 1.8m;加載段 和饋電段的長度 S一 0.41TI;尾翼長 L 一 7.6m;尾 翼張角一 30.;加載電阻 R 一 1601”1;傳輸線變壓器 的變比為 6:1. 短波寬帶加載偶極天線 VSWR 仿真曲線與未 加載或無尾翼時(shí)天線 VSWR 仿真曲線的對(duì)比見圖 2.未加載時(shí) ,除少數(shù)頻率外 ,大部分頻率上天線的 VSWR 都很大 ,天線不具有寬頻帶特性 .加載后天 線的 VSWR 特性已大為改觀 ,但如果不設(shè)置尾翼 , 則 VSW

16、R 曲線有三個(gè)峰值 , 分別位于 9MHz,14.5 MHz 和 27MHz 附近 .VSWR 曲線在 14.5MHz 和 27MHz 附近的峰值是由于加載單元距天線末端 的距離大約為 1/2 波長和 1 個(gè)波長引起的 ,此時(shí)流 經(jīng)加裁電阻上的電流較小 ,電阻作用不大 ,天線電流 的駐波成分較大 , 致使天線的 VSWR 變大 ,尤其在 26 28.5MHz 之間天線 VSWR 較大 ,最大值約為 3.8 左右 .通過在加載電阻處并聯(lián)一個(gè)尾翼 ,使得 在上述頻率上仍有較大的電流流過電阻,克服了加 載電阻距天線末端為 1/2 天線工作波長整數(shù)倍時(shí) VSWR 變差的缺陷 .在 3 30MHz 整個(gè)

17、短波波段 內(nèi),優(yōu)化后天線的 VSWR 最大值約為 2.2,呈現(xiàn)出 優(yōu)良的寬頻帶特性 .圖 3 是短波寬帶加載偶極天線 的 VSWR 仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比圖 ,兩者吻合 很好 ,實(shí)測(cè)結(jié)果是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8752C 測(cè) 量得到的 . 26101418222630 頻率 (MHz) 圖 2 加載和設(shè)置尾翼前后天線駐波比仿真曲線 圖 3 天線駐波比仿真和實(shí)測(cè)曲線 圖 4 是在一般地面上 (一 110 S/m 一 15) 短波寬帶加載偶極天線的增益仿真曲線圖.可以看 出,低頻端增益較低 ,3MHz 時(shí)天線增益僅為 1.86dBi, 但當(dāng)工作頻率大于 5MHz 時(shí),天線的 增益大于 2dBi;

18、全頻段內(nèi)天線的平均增益大于 4 dBi. 在理想地面上 ( oo),由于沒有地面損耗 ,天 線的增益增大 ,平均增益大于 5dBi. 低頻端時(shí)天線 增益較低 ,這是由于天線上的加載電阻損耗較大使 得天線效率較低引起的 . 由于短波水平極化天線增益和方向圖的測(cè)量非 O987654321 正 ; 985 第 5 期柳超等 : 一種帶尾翼的新型短波寬帶偶極天線 10 8 6 喜4一 婆z O 2 36812161821242730 頻率 (MHz) 圖 4 天線增益仿真曲線 ( 一般地面 ) 常困難 ,所以在制作實(shí)驗(yàn)天線 (330MHz) 的同時(shí) 還制作了一副 20:1 縮比模型天線 (60600

19、MHz).圖 5和圖 6分別是理想地面上實(shí)驗(yàn)天線垂 直面和水平面方向圖仿真結(jié)果與縮比模型天線垂直 面和水平面方向圖測(cè)量結(jié)果的對(duì)比 ,兩者吻合較好 證明了仿真結(jié)果的正確性 . n (a)3MHz 仿真結(jié)果與 60MHz 模型測(cè)量結(jié)果 0 (b)30MHz 仿真與 600MHz 模型測(cè)量 (仿真結(jié)果 測(cè)量結(jié)果 ) 圖 5 行波形偶極天線垂直面歸一化方向圖 (=90.) 由于增益具有變分穩(wěn)定的特性 ,采用 MoM 計(jì) 算增益比計(jì)算方向圖和 VSWR 精度高 ,因此增益的 仿真計(jì)算結(jié)果也是可信的 .縮比模型天線的方向圖 是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量場(chǎng)地上測(cè)量的 ,由于測(cè)試場(chǎng)俯仰測(cè)試 臂的最大仰角被限位在 80.左右,

20、因此圖 5 垂直面方 向圖沒有畫出頂部寬約 20. 范圍的曲線 .由于在天 線主要輻射方向上 ( 90.),垂直極化分量比水平 極化分量小 100dB 以上 ,故垂直極化分量可忽略不 計(jì). 由圖 6 可知 ,天線水平面方向圖中近天線軸向 的低輻射區(qū)域較小 ,有利于中近距離內(nèi)對(duì)多個(gè)通信 對(duì)象的通信 .天線臂上合適的電阻加載使天線上電 流的行波成分較大 ,最大輻射方向朝天線軸向偏移 較好地填充了天線近軸向的弱輻射區(qū)域,故天線在 水平面輻射方向圖的方向性變?nèi)?.頻率越高 ,天線 電流的行波成分越大 ,水平面方向圖的方向性越弱 在短波低頻段 ,偶極子天線主要用于高仰角的近距 離通信 ,由于高仰角水平面

21、的方向性較弱 ( “且, 架 設(shè)高度越低 ,天線水平面方向圖的全向性越好 ,因此 在低頻段可采用低架天線的方法來實(shí)現(xiàn)全向通信 . 70 (a)3MHz 仿真結(jié)果與 60MHz 模型測(cè)量結(jié)果 (A=72.) 0 (b)12MHz 仿真結(jié)果與 240MHz 模型測(cè)量 結(jié)果 (一 31.)( 一仿真結(jié)果 , 測(cè)量結(jié)果 ) 圖 6 行波偶極天線水平面歸一化方向圖 5 結(jié)論 設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的短波加載寬帶偶極子天 線,采用小張角三角形偶極子線天線形式 ,并通過集 總電阻加載和沒置三角形尾翼實(shí)現(xiàn)了寬頻帶工作 , 986電波科學(xué)學(xué)報(bào)第 23 巷 用傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)了平衡非平衡變換和阻抗匹 配.通過優(yōu)化設(shè)計(jì)

22、獲得了優(yōu)良的天線性能指標(biāo),數(shù) 值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明 ,該天線在整個(gè)短波波段內(nèi) 駐波比小于 2.2,在一般地面卜 平均增益大于 4 dBi. 該天線占地面積小 ,架設(shè)方便 ,適用于 2000 km 以內(nèi)的短波戰(zhàn)術(shù)通信 . 參考文獻(xiàn) 1MBahr,ABoagandRMittra.DesignofUltraBroad BandLoadedMonopoleantennase1.Proc.IEEEAP SInt.Symp.,Seattle,WA,1994,1290 1293. E2高飛,陳益鄰,劉其中 .加載天線分析 J.電子學(xué) 報(bào),1999,27(12):124 125. 3 王元坤,李玉權(quán) .線天線

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