一種短波寬帶天線的小型化設(shè)計

 引言

扇錐天線是一種性能優(yōu)越的短波寬帶天線，廣泛應(yīng)用于廣播、海事交通等通信領(lǐng)域。但當(dāng)其使用頻率較低時，占地面積較大。因此，對于其低頻使用時的小型化設(shè)計很有必要。通過有效的加載手段，使其既能滿足阻抗匹配特性，同時又能滿足通信性能的需要。

2 天線形式及性能分析

理想的雙錐天線具有任意的頻帶特性。雙錐天線工作頻帶的最高工作頻率取決于激勵區(qū)的幾何尺寸，而最低工作頻率取決于天線臂的長度。天線的全長取最低工作頻率的半個波長時，一般在10個倍頻的范圍里能有良好的阻抗頻率特性。這在客觀上決定了工作頻率下限越低的天線具有更大的跨距和占地面積。

雙錐天線的特性阻抗為：

其中，

為錐的頂角。例如，Z0=300Ω時，

=18.77º，這種情況是適用阻抗為300Ω的雙極饋電天線。在短波波段，由于使用頻率較低，錐形天線尺寸較大，因此往往簡化為線柵型圓錐結(jié)構(gòu)。水平架設(shè)時，又將天線簡化為扇錐結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

選擇合理的扇錐的扇面角、張角、導(dǎo)線數(shù)量、激勵區(qū)尺寸等參數(shù)可獲得較寬的帶寬。

圖1 扇錐天線示意圖

3 扇錐天線仿真計算

雙錐天線可以用解析法進行分析，很多文獻也做了詳細的介紹。對于扇錐天線嚴格地推導(dǎo)計算過于復(fù)雜，可用矩量法來進行計算。本文用FEKO電磁仿真軟件對數(shù)值計算結(jié)果進行驗證。設(shè)計一付扇錐天線，頻率范圍2MHz-30MHz，支撐塔距76米。天線架設(shè)在實際地面上，地參數(shù)取εr=15，δ=0.01。

扇錐天線導(dǎo)線數(shù)量11根，扇錐面角25度，天線張角100度。 3.1 扇錐天線方向性計算結(jié)果

2MHz垂直面方向圖

2MHz水平面方向圖(Δ=最大方向)

16MHz垂直面方向圖

16MHz水平面方向圖(Δ=最大方向)

30MHz垂直面方向圖

30MHz水平面方向圖(Δ=最大方向)

天線方向性的FEKO軟件計算結(jié)果與文獻中提供的數(shù)值計算結(jié)果基本吻合。水平面全向性能良好。垂直面最大方向性增益大于5dB。 3.2 天線與300Ω平行雙線匹配情況(電壓駐波比)

天線與300Ω匹配電壓駐波比

4 扇錐天線的小型化設(shè)計

以上是全尺寸扇錐天線性能的基本介紹，正如前面引言和天線形式及性能分析中介紹的，天線的跨距決定于最低工作頻率的波長。頻率越低，波長越長，相應(yīng)的占地面積就越大。這在越來越緊張的用地資源情況下實現(xiàn)起來是相對困難的。因此，需要有一種既能保證原有天線性能，又能明顯減小天線尺寸的方法來解決這個問題。

設(shè)計一付扇錐天線，頻率2MHz-30MHz，支撐塔距53米。天線架設(shè)在實際地面上，地參數(shù)取εr=15，δ=0.01。扇錐天線導(dǎo)線數(shù)量11根，扇錐面角25度，天線張角100度。

4.1 天線未加載時計算數(shù)據(jù)

4.1.1 天線電壓駐波比

Frequency[MHz]

未加載天線與300Ω匹配電壓駐波比

4.1.2 天線阻抗數(shù)據(jù)

未加載天線阻抗曲線

4.2 天線加載后計算數(shù)據(jù)

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)縮短天線跨距后，天線低頻段阻抗的實部明顯降低，虛部呈現(xiàn)較大的感性。必須通過有效的加載，使天線低頻段達到匹配的狀態(tài)。

我們在天線頂部振子末端加載一段振子線，具體形式如圖2所示，通過不斷優(yōu)化該加載線的長度，以調(diào)整天線低頻段阻抗的實部。通過在饋電端加載一個電容器件，有效地調(diào)整天線阻抗的虛部。最終使低頻段達到阻抗匹配的條件。

4.2.1 天線方向性計算結(jié)果

2MHz垂直面方向圖

2MHz水平面方向圖(Δ=最大方向)

16MHz垂直面方向圖

16MHz水平面方向圖(Δ=最大方向)

30MHz垂直面方向圖

30MHz水平面方向圖(Δ=最大方向)

加載后的方向性結(jié)果與原尺寸設(shè)計性能相比，不圓度有細微變化，但水平面全向性能仍然良好。垂直面最大方向性增益大于5dB。

4.2.2 天線電壓駐波比

加載天線與300Ω匹配駐波比曲線

4.2.3 天線阻抗數(shù)據(jù)

加載天線阻抗曲線 天線原尺寸設(shè)計與小型化設(shè)計后性能比較

兩種天線性能比較詳見下表1。

表1 兩種天線性能比較表

從上表數(shù)據(jù)可知，兩種天線性能指標(biāo)相當(dāng)，但加載設(shè)計較原尺寸設(shè)計跨距減小23米。

6 結(jié)論

本文對于扇錐天線的基本性能和形式作了介紹，并利用FEKO電磁仿真軟件進行了天線性能仿真計算。最后通過對天線的有效加載設(shè)計，將2MHz起的扇錐天線跨距由76米減小為53米。計算天線性指標(biāo)與原設(shè)計相當(dāng)。這對于今后在限定場地條件下的扇錐天線工程實用很有意義。