对数周期天线

对数周期天线（精选三篇）

对数周期天线 篇1

1 振子水平拉力分析

振子水平拉力的大小, 不仅影响其本身的垂度即形状, 而且还会影响到边索的成形 (水平垂度和垂直垂度的大小) 。因此, 在给定振子拉力值时, 既要考虑振子本身的垂度要求, 还要考虑天线幕的平整度, 即各个振子的馈电点要成一条直线。根据振子的垂度要求来确定振子初始拉力值, 再根据天线幕的平整度进行局部调整, 以达到各项要求。

由小垂度柔索理论[2], 可知受均布载荷的柔索, 其振子水平拉力和垂度之间的关系如下:

式中:

q1—为振子上承受的均布载荷;

l—为振子两挂点跨距;

f—为振子线的初设垂度;

H0—为振子水平张力。

对数周期天线振子上一般会有一些集中载荷 (如绝缘子、连接件等) , 若其数值不大, 则可通过等效化为均布载荷, 此时式 (1依然成立。如若振子上的集中载荷相对于振子均布载荷比较大, 则不能将其等效为均布载荷, 而需要按照振子受集中载荷作用进行计算。根据小垂度柔索理论, 对振子线建立等高度支座、受垂直均布载荷和集中载荷的状态方程:

式中:

H1—为振子线受垂直均布载荷和集中载荷时的水平力;

E—为振子的弹性模量;

A—为振子的横截面面积;

Q0—为与该结构相同且只受均布载荷简支梁的剪力;

Q1—为和载荷情况均与该结构相同的简支梁的剪力。

下面给出振子线上受一个集中力 (绝缘子重量) 作用时的计算公式, 假设绝缘子挂点距振子左、右支点距离分别为a和b, 经推导得出:

将式 (1) 、式 (3) 和式 (4) 代入式 (2) 中, 整理得出:

利用上式即可求出振子受集中载荷作用下的拉力H1。

从式 (5) 可看出, 要想得出振子拉力H1, 主要问题是如何确定出振子跨距, 其中振子的跨距包含振子组件长度和尾线组件长度。

2 边索受力分析

边索在水平投影面受到振子拉力作用, 相当于单根柔索受到多个集中载荷作用。在此对边索采用力矩平衡原理对其进行分析, 欲将边索能够将各振子拉起来, 成形美观且受力均匀合理, 不会产生破坏。在对边索进行第一次分析计算时, 需要根据经验假定一个边索水平拉力T, 来进行不断地迭代计算。下面以边索水平投影面为例进行分析, 下图为边索上某单元的受力分析图。

根据力矩平衡关系得:

其中, ZHi-1为i-1根振子拉力, Mi-1和Mi分别为i-1点和i点处的弯矩。

因柔索不能承受弯矩, 故有Mi (28) Mi-1 (28) 0, 从而由式 (6) 可推出:

经坐标变换后, 在总体坐标系中, 式 (7变为以下形式:

其中, xi-1、yi-1、x i、yi分别为边索上i-1点和i点在总体坐标系中的x和y坐标值。

同理, 可求出边索在垂直投影面上各振子挂点的竖向坐标为:

其中, QZi-1为边索上第i-1个悬挂点处所受的竖向力。

3 基于MATLAB的对周天线成形分析

MATLAB语言自问世以来, 逐渐成为最具吸引力、应用最为广泛的数值计算语言。特别是它在微积分、线性方程组解法、非线性方程组解法、特征值问题、常微分方程的解法以及图形输出方面具备强大功能。而这些功能正是解算微波方程、进行天线成形设计中最迫切需要的问题。

MATLAB语言进行数值计算的基本处理单位是复数数组 (或称阵列) , 并且数组的维数是自动按照规则确定的, 这样既可使MATLAB程序被高度向量化, 又可使用户对程序更加易写易读。

MATLAB的图形可视化能力在所有数学软件中是首屈一指的, 它的图形系统有高层指令和低层指令两个部分组成。高层指令友善、简便;低层指令细腻、丰富、灵活。MATLAB语言有比较完备的图形标识指令[3], 可灵活地标注图名、轴名、解释文字和绘画图例。

应用MATLAB对天线柔索结构的分析包含三层循环迭代, 开始迭代计算前, 先假定各振子在边索上的挂点位置, 计算出一组振子拉力, 用于边索分析, 从而得出一组新的振子在边索上的挂点位置。三层循环为: (1) 内循环:根据上面得出的数据, 可以重新计算得出各振子拉力, 采用新的振子拉力对边索再进行分析计算, 依次进行迭代分析, 直至达到迭代停止条件 (如边索上各振子挂点坐标与上次数值几乎一致) , 停止本循环。 (2) 外循环:内循环停止后, 计算边索垂度。若边索垂度比给定值偏大, 则需要增大边索拉力;否则减小, 直至满足给定边索垂度控制值, 停止迭代。 (3) 最外循环:利用上述计算结果对各坐标值进行修正, 修正结束, 重复内外循环及最外循环, 直至天线幕最低点距地高度和集合线与水平面夹角满足给定要求, 即停止迭代。最后输出所需要的数据, 至此整个水平悬挂对数周期天线的结构分析完成。

4 算例

高塔高3 6 m, 低塔高1 0 m, 高塔间距74m, 低塔间距18m, 高低塔跨距69m。主吊索为φ9mm的不锈钢丝绳, 各振子、尾线为φ3mm的不锈钢丝绳。

表1为MATLAB输出的水平对周天线的计算结果。图2为MATLAB输出的水平对数周期天线幕水平投影图, 图3为M A T LAB输出的水平对数周期天线幕成型图。

依据此成形计算方法设计的天线, 实际架设一次成型, 且成型良好。应用实例有长春某单位通信用的对数周期天线、丹东某单位通信用的对数周期天线、哈尔滨某单位通信用的对数周期天线等。

5 结语

在天线成形计算中, 如果合理运用Matlab语言, 可以达到事半功倍的效果。Matlab辅助分析天线成形的方法, 从抽象的参数到直观的二维、三维图形, 清晰的展示了天线参数与天线成形之间的关系, 使概念直观化, 理论结果可视化。只有通过不断的探索, Matlab在天线设计中才能得到更深入、更广泛的运用。

参考文献

[1]邮电部北京设计所.天线和馈线线[M].北京:人民邮电出版社, 1985.

[2]КачуринВК著.杨福新译.小垂度柔索计算理论[M].上海:科学技术出版社, 1958

[3]程卫国.MATLAB5.3应用指南[M].北京:人民邮电出版社, 1999.

对数周期天线 篇2

摘 要：给出了一种可作为被动天线的超宽带微带印刷对数周期偶级天线，采用渐变线馈电 实现了非平衡到平衡的转换，利用8对阵子得到了驻波2以下的8～18GHz带宽，在整个带宽内， 方向图稳定，前后比小于-20dB，增益均大于7dB，仿真结果与实测结果基本吻合，可作为超宽 带小型化被动天线使用。

关键词：微带印刷对数周期偶极天线；渐变线馈电；超宽带

中图分类号：TJ765.1；TN821+.4文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）01-0030-03

AGradientLineFedMicrostripLogPeriodicDipoleAntennaDesign

ZHANGWentao，YANGHui，LANGHuaqing

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Anultrawidebandmicrostripduallevellogperiodicantennaisproposedaspassiveanten na，taperlinefeedisusedtoachieveconversionfromnonequilibriumtoequilibrium，andtoget8～18 GHzbandwidthofstandingwave2followingwith8pairsofdipoles.Intheentirebandwidth，patternis stable，andbeforeafterratioislessthan-20dB，thegainisgreaterthan7dB.Thesimulationresults arebasicallyconsistentwithexperimentalresults.Thisantennacanbeusedasultrawidebandminiaturi zationpassiveantenna.

Keywords：microstriplogperiodicdipoleantenna；gradientlinefeed；ultrawideband

0 引 言

在现代复杂的电磁环境中，由于电磁干扰等 多种干扰形式的出现，单一模式的空空导弹导引 头的截获概率大大下降，其生存受到了日益严重 的威胁。近几年，多种复合模式的导引头逐渐成为 研究的热点，如主被动复合、红外与雷达双模复合 等。主被动复合导引头具有主动与被动两种工作 模式，相对应的天线为主被动复合天线，该复合天 线要求工作在不同频段，且互不影响。一般主动天 线用于导弹末制导的跟踪与截获，要求使用高增 益、低副瓣的天线，而被动天线则要求为超宽带、体积小、具有稳定增益与恒定波束，用于远距离探 测目标。本文根据被动天线的要求，设计了一种基 于渐变线平衡馈电的平面微带印刷对数周期偶极 天线（PLPDA）。

1 一般对数周期天线的设计

对数周期天线是一种非频变超宽带天线，具有 自相似结构，其电性能可在10∶1甚至更宽的频带 内基本上保持不变[1-2]。单层LPDA（log-periodic dipoleantennas）是将辐射振子和集合线分别印制 在同一块微带基板的两面，集合线是平行双线[3]， 对于传统的对数周期偶极子阵列是从短振子端馈 电亦从短振子端辐射，这虽有利于阻抗匹配，但低 频分量和高频分量在工作时走过的电距离不等， 会造成结构色散。鉴于此，本文采用在长阵子边馈 电设计，既能满足辐射不会遮挡，又可以实现宽频带工作，但这种馈电方式需要在宽频带上实现不 平衡到平衡的转换，并且阻抗转换比为1∶1[4-5]。

渐变平衡线由上下两层微带线组成，上下微 带线分别与集合线相连，集合线对天线的匹配影 响很大，也是计算等效介电常数的依据，应仔细设计和选取。由于对数周期天线属于非平衡馈电结 构，需要将非平衡结构借助巴伦转化为平衡结构， 从而实现天线的有效辐射，本文根据对数周期天 线的结构，设计了一种渐变平衡线馈电巴伦，如图 2所示。从集合线通过渐变线转换为微带线，下层 也从集合线通过渐变线转换为接地板，上下两层 的渐变线尺寸不同，上层是为了与50Ω微带线进 行匹配，而下层是为了与接地板相接。考虑到实际 加工中采用同轴线馈电，而同轴传输线是非平衡 的，这样传到天线上将引起外表面电流的辐射，为 了抑制外表面电流，采用巴伦将阵子的平衡输入 阻抗变换到非平衡的同轴线，使同轴线的外导体 没有净电流，渐变平衡线结构上下表面电流相位 相差180°，且这种平衡线结构在主模工作范围内 不随频率变化，因此该结构可以看做是一种宽带 的平面巴伦。

利用渐变平衡线从长阵子边馈电的PLPDA， 可以减小损耗传输，容易实现与其他有源或无源 平面电路的单板集成，相对于基片集成波导而言， 具有加工简单、宽带特性好等特点。

3 实测结果及分析

微带基板对阵子和集合线起到了介质加载作 用，因此，在一般LPDA的设计基础上，要根据介 电常数进行适当的修正[9]。

本文设计了覆盖了X，Ku两个波段的宽带天 线，选取基板介电常数为2.2、厚度为0.508mm 的Rogers5880板材，在满足尺寸和电性能的前提 下，选取τ为0.62，σ为0.35，根据优化确定了渐 变线及集合线的尺寸，加工实物如图3所示。对其 分别进行了S参数测试和方向图测试，测试结果 分别如图4～6所示。

4 结 论

本文利用渐变线的平衡性及宽带特性设计了 一种从长阵子边馈电的印刷平面对数周期天线，对影响天线的几个关键参数进行了分析仿真，优 化出了天线的最佳带宽参数，给出了渐变线馈电 的PLPDA天线的设计过程和测试结果，在8～18 GHz回波损耗均小于-10dB，整个频带内增益都 在7dB以上，且方向图稳定，实测结果与理论仿 真基本吻合，实测的三个频点的方向图前后比都 大于-20dB，满足被动天线要求，可作为小型化 超宽带被动天线使用。

参考文献：

[1]康行健.天线原理与设计[M].北京：国防工业出版社， 1995.

[2]魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].北京：国防工 业出版社，1984.

[3]PantojaRR，SapienzaAR，MedeirosFilhoFC.AMicro wavePrintedPlanaLog-PeriodicDipoleArrayAntenna [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation， 1987.

[4]束咸荣.超宽带天线[J].电子工程信息，1996（12）：1-2.

[5]CampbellCK，TraboulayI，SuthersMS，etal.Designofa StriplineLog-PeriodicDiopleAntenna[J].IEEETrans actionsonAntennasandPropagation，1997.

[6]熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社， 2000.

[7]阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[8]KrausJD，MarhefkaRJ.天线[M].章文勋，译.北京： 科学出版社，2004.

[9]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[10]张峰，杜晓燕，周东方，等.CST软件在LPDA设计中 的应用[J].计算机应用与软件，2007，24（11）：16- 17.endprint

摘 要：给出了一种可作为被动天线的超宽带微带印刷对数周期偶级天线，采用渐变线馈电 实现了非平衡到平衡的转换，利用8对阵子得到了驻波2以下的8～18GHz带宽，在整个带宽内， 方向图稳定，前后比小于-20dB，增益均大于7dB，仿真结果与实测结果基本吻合，可作为超宽 带小型化被动天线使用。

关键词：微带印刷对数周期偶极天线；渐变线馈电；超宽带

中图分类号：TJ765.1；TN821+.4文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）01-0030-03

AGradientLineFedMicrostripLogPeriodicDipoleAntennaDesign

ZHANGWentao，YANGHui，LANGHuaqing

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Anultrawidebandmicrostripduallevellogperiodicantennaisproposedaspassiveanten na，taperlinefeedisusedtoachieveconversionfromnonequilibriumtoequilibrium，andtoget8～18 GHzbandwidthofstandingwave2followingwith8pairsofdipoles.Intheentirebandwidth，patternis stable，andbeforeafterratioislessthan-20dB，thegainisgreaterthan7dB.Thesimulationresults arebasicallyconsistentwithexperimentalresults.Thisantennacanbeusedasultrawidebandminiaturi zationpassiveantenna.

Keywords：microstriplogperiodicdipoleantenna；gradientlinefeed；ultrawideband

0 引 言

在现代复杂的电磁环境中，由于电磁干扰等 多种干扰形式的出现，单一模式的空空导弹导引 头的截获概率大大下降，其生存受到了日益严重 的威胁。近几年，多种复合模式的导引头逐渐成为 研究的热点，如主被动复合、红外与雷达双模复合 等。主被动复合导引头具有主动与被动两种工作 模式，相对应的天线为主被动复合天线，该复合天 线要求工作在不同频段，且互不影响。一般主动天 线用于导弹末制导的跟踪与截获，要求使用高增 益、低副瓣的天线，而被动天线则要求为超宽带、体积小、具有稳定增益与恒定波束，用于远距离探 测目标。本文根据被动天线的要求，设计了一种基 于渐变线平衡馈电的平面微带印刷对数周期偶极 天线（PLPDA）。

1 一般对数周期天线的设计

对数周期天线是一种非频变超宽带天线，具有 自相似结构，其电性能可在10∶1甚至更宽的频带 内基本上保持不变[1-2]。单层LPDA（log-periodic dipoleantennas）是将辐射振子和集合线分别印制 在同一块微带基板的两面，集合线是平行双线[3]， 对于传统的对数周期偶极子阵列是从短振子端馈 电亦从短振子端辐射，这虽有利于阻抗匹配，但低 频分量和高频分量在工作时走过的电距离不等， 会造成结构色散。鉴于此，本文采用在长阵子边馈 电设计，既能满足辐射不会遮挡，又可以实现宽频带工作，但这种馈电方式需要在宽频带上实现不 平衡到平衡的转换，并且阻抗转换比为1∶1[4-5]。

渐变平衡线由上下两层微带线组成，上下微 带线分别与集合线相连，集合线对天线的匹配影 响很大，也是计算等效介电常数的依据，应仔细设计和选取。由于对数周期天线属于非平衡馈电结 构，需要将非平衡结构借助巴伦转化为平衡结构， 从而实现天线的有效辐射，本文根据对数周期天 线的结构，设计了一种渐变平衡线馈电巴伦，如图 2所示。从集合线通过渐变线转换为微带线，下层 也从集合线通过渐变线转换为接地板，上下两层 的渐变线尺寸不同，上层是为了与50Ω微带线进 行匹配，而下层是为了与接地板相接。考虑到实际 加工中采用同轴线馈电，而同轴传输线是非平衡 的，这样传到天线上将引起外表面电流的辐射，为 了抑制外表面电流，采用巴伦将阵子的平衡输入 阻抗变换到非平衡的同轴线，使同轴线的外导体 没有净电流，渐变平衡线结构上下表面电流相位 相差180°，且这种平衡线结构在主模工作范围内 不随频率变化，因此该结构可以看做是一种宽带 的平面巴伦。

利用渐变平衡线从长阵子边馈电的PLPDA， 可以减小损耗传输，容易实现与其他有源或无源 平面电路的单板集成，相对于基片集成波导而言， 具有加工简单、宽带特性好等特点。

3 实测结果及分析

微带基板对阵子和集合线起到了介质加载作 用，因此，在一般LPDA的设计基础上，要根据介 电常数进行适当的修正[9]。

本文设计了覆盖了X，Ku两个波段的宽带天 线，选取基板介电常数为2.2、厚度为0.508mm 的Rogers5880板材，在满足尺寸和电性能的前提 下，选取τ为0.62，σ为0.35，根据优化确定了渐 变线及集合线的尺寸，加工实物如图3所示。对其 分别进行了S参数测试和方向图测试，测试结果 分别如图4～6所示。

4 结 论

本文利用渐变线的平衡性及宽带特性设计了 一种从长阵子边馈电的印刷平面对数周期天线，对影响天线的几个关键参数进行了分析仿真，优 化出了天线的最佳带宽参数，给出了渐变线馈电 的PLPDA天线的设计过程和测试结果，在8～18 GHz回波损耗均小于-10dB，整个频带内增益都 在7dB以上，且方向图稳定，实测结果与理论仿 真基本吻合，实测的三个频点的方向图前后比都 大于-20dB，满足被动天线要求，可作为小型化 超宽带被动天线使用。

参考文献：

[1]康行健.天线原理与设计[M].北京：国防工业出版社， 1995.

[2]魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].北京：国防工 业出版社，1984.

[3]PantojaRR，SapienzaAR，MedeirosFilhoFC.AMicro wavePrintedPlanaLog-PeriodicDipoleArrayAntenna [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation， 1987.

[4]束咸荣.超宽带天线[J].电子工程信息，1996（12）：1-2.

[5]CampbellCK，TraboulayI，SuthersMS，etal.Designofa StriplineLog-PeriodicDiopleAntenna[J].IEEETrans actionsonAntennasandPropagation，1997.

[6]熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社， 2000.

[7]阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[8]KrausJD，MarhefkaRJ.天线[M].章文勋，译.北京： 科学出版社，2004.

[9]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[10]张峰，杜晓燕，周东方，等.CST软件在LPDA设计中 的应用[J].计算机应用与软件，2007，24（11）：16- 17.endprint

摘 要：给出了一种可作为被动天线的超宽带微带印刷对数周期偶级天线，采用渐变线馈电 实现了非平衡到平衡的转换，利用8对阵子得到了驻波2以下的8～18GHz带宽，在整个带宽内， 方向图稳定，前后比小于-20dB，增益均大于7dB，仿真结果与实测结果基本吻合，可作为超宽 带小型化被动天线使用。

关键词：微带印刷对数周期偶极天线；渐变线馈电；超宽带

中图分类号：TJ765.1；TN821+.4文献标识码：A文章编号：1673-5048（2014）01-0030-03

AGradientLineFedMicrostripLogPeriodicDipoleAntennaDesign

ZHANGWentao，YANGHui，LANGHuaqing

（ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Anultrawidebandmicrostripduallevellogperiodicantennaisproposedaspassiveanten na，taperlinefeedisusedtoachieveconversionfromnonequilibriumtoequilibrium，andtoget8～18 GHzbandwidthofstandingwave2followingwith8pairsofdipoles.Intheentirebandwidth，patternis stable，andbeforeafterratioislessthan-20dB，thegainisgreaterthan7dB.Thesimulationresults arebasicallyconsistentwithexperimentalresults.Thisantennacanbeusedasultrawidebandminiaturi zationpassiveantenna.

Keywords：microstriplogperiodicdipoleantenna；gradientlinefeed；ultrawideband

0 引 言

在现代复杂的电磁环境中，由于电磁干扰等 多种干扰形式的出现，单一模式的空空导弹导引 头的截获概率大大下降，其生存受到了日益严重 的威胁。近几年，多种复合模式的导引头逐渐成为 研究的热点，如主被动复合、红外与雷达双模复合 等。主被动复合导引头具有主动与被动两种工作 模式，相对应的天线为主被动复合天线，该复合天 线要求工作在不同频段，且互不影响。一般主动天 线用于导弹末制导的跟踪与截获，要求使用高增 益、低副瓣的天线，而被动天线则要求为超宽带、体积小、具有稳定增益与恒定波束，用于远距离探 测目标。本文根据被动天线的要求，设计了一种基 于渐变线平衡馈电的平面微带印刷对数周期偶极 天线（PLPDA）。

1 一般对数周期天线的设计

对数周期天线是一种非频变超宽带天线，具有 自相似结构，其电性能可在10∶1甚至更宽的频带 内基本上保持不变[1-2]。单层LPDA（log-periodic dipoleantennas）是将辐射振子和集合线分别印制 在同一块微带基板的两面，集合线是平行双线[3]， 对于传统的对数周期偶极子阵列是从短振子端馈 电亦从短振子端辐射，这虽有利于阻抗匹配，但低 频分量和高频分量在工作时走过的电距离不等， 会造成结构色散。鉴于此，本文采用在长阵子边馈 电设计，既能满足辐射不会遮挡，又可以实现宽频带工作，但这种馈电方式需要在宽频带上实现不 平衡到平衡的转换，并且阻抗转换比为1∶1[4-5]。

渐变平衡线由上下两层微带线组成，上下微 带线分别与集合线相连，集合线对天线的匹配影 响很大，也是计算等效介电常数的依据，应仔细设计和选取。由于对数周期天线属于非平衡馈电结 构，需要将非平衡结构借助巴伦转化为平衡结构， 从而实现天线的有效辐射，本文根据对数周期天 线的结构，设计了一种渐变平衡线馈电巴伦，如图 2所示。从集合线通过渐变线转换为微带线，下层 也从集合线通过渐变线转换为接地板，上下两层 的渐变线尺寸不同，上层是为了与50Ω微带线进 行匹配，而下层是为了与接地板相接。考虑到实际 加工中采用同轴线馈电，而同轴传输线是非平衡 的，这样传到天线上将引起外表面电流的辐射，为 了抑制外表面电流，采用巴伦将阵子的平衡输入 阻抗变换到非平衡的同轴线，使同轴线的外导体 没有净电流，渐变平衡线结构上下表面电流相位 相差180°，且这种平衡线结构在主模工作范围内 不随频率变化，因此该结构可以看做是一种宽带 的平面巴伦。

利用渐变平衡线从长阵子边馈电的PLPDA， 可以减小损耗传输，容易实现与其他有源或无源 平面电路的单板集成，相对于基片集成波导而言， 具有加工简单、宽带特性好等特点。

3 实测结果及分析

微带基板对阵子和集合线起到了介质加载作 用，因此，在一般LPDA的设计基础上，要根据介 电常数进行适当的修正[9]。

本文设计了覆盖了X，Ku两个波段的宽带天 线，选取基板介电常数为2.2、厚度为0.508mm 的Rogers5880板材，在满足尺寸和电性能的前提 下，选取τ为0.62，σ为0.35，根据优化确定了渐 变线及集合线的尺寸，加工实物如图3所示。对其 分别进行了S参数测试和方向图测试，测试结果 分别如图4～6所示。

4 结 论

本文利用渐变线的平衡性及宽带特性设计了 一种从长阵子边馈电的印刷平面对数周期天线，对影响天线的几个关键参数进行了分析仿真，优 化出了天线的最佳带宽参数，给出了渐变线馈电 的PLPDA天线的设计过程和测试结果，在8～18 GHz回波损耗均小于-10dB，整个频带内增益都 在7dB以上，且方向图稳定，实测结果与理论仿 真基本吻合，实测的三个频点的方向图前后比都 大于-20dB，满足被动天线要求，可作为小型化 超宽带被动天线使用。

参考文献：

[1]康行健.天线原理与设计[M].北京：国防工业出版社， 1995.

[2]魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].北京：国防工 业出版社，1984.

[3]PantojaRR，SapienzaAR，MedeirosFilhoFC.AMicro wavePrintedPlanaLog-PeriodicDipoleArrayAntenna [J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation， 1987.

[4]束咸荣.超宽带天线[J].电子工程信息，1996（12）：1-2.

[5]CampbellCK，TraboulayI，SuthersMS，etal.Designofa StriplineLog-PeriodicDiopleAntenna[J].IEEETrans actionsonAntennasandPropagation，1997.

[6]熊皓.无线电波传播[M].北京：电子工业出版社， 2000.

[7]阮成礼.超宽带天线理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[8]KrausJD，MarhefkaRJ.天线[M].章文勋，译.北京： 科学出版社，2004.

[9]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

对数周期天线 篇3

短波通信[1]具有的成本低廉、抗毁性强、组网灵活等特点，决定其在军用通信领域应用广泛。但短波通信有一个很大的缺陷，即在200 km范围内，存在通信盲区的问题。根据国际电信联盟CCITT的统计数据，在太阳黑子最大年，F层临界频率最高可以达到10 MHz左右，在太阳黑子最小年也可以达到5 MHz左右。在实际使用中，波束存在一定的倾斜，其最高使用频率要高于临界频率[2]。所以，5 MHz以下的频率理论上完全可以实现高仰角反射。利用短波通信信道的这一特点，可以设计一种短波高仰角天线，实现对200 km左右距离范围以内的无缝覆盖。但由于短波低频段波长较长，导致短波天线尺寸一般较大，这对天线的机动使用和隐蔽是非常不利的。因此，开展短波天线的小型化研究是十分必要的。

1 天线结构

对数螺旋曲线[1,2,3,4,5,6]的宽带高仰角HF小型化通信天线选用锥式两线对数螺旋天线，两根辐射线按对数螺旋规律环绕在锥形表面上，馈电点位于锥顶，锥形垂直于水平地面，其底端与地平面有一固定的距离（见图1）。当天线长度适当时，天线的方向性增益、阻抗由锥角θ和螺旋常数α决定。螺旋起始半径r0的大小决定了天线的高端工作频率，螺旋长度S则决定了天线的低端工作频率。所以要合理选择螺旋因子，锥顶角之半θ以及螺旋线的起始点半径r0。天线任一根螺旋辐射线的几何参数表达式如下：

式中：ϕ为螺旋线上的任一点与起始点相比所转过的角度；r为螺旋线在支撑挂线上的挂点距锥顶点之间的距离；a为螺旋变径角；S为任一螺旋辐射线相对起始点之间的弧长；Q′为慢化因子，Q′越大，螺旋线上升的越快，反之，上升的越慢。本天线螺旋线参数选取为：半顶角θ=55°；螺旋变径角a=85.9°；螺旋线圈数9；顶端离地高度10 m；底端离地高度0.6 m；螺旋线的起始点半径r0=0.62，大口直径28 m。

两对数螺旋线末端由一平行于地面的导线相连接，在水平导线中心加入一RLC复合加载电路，起到扩展低频带宽作用。RLC复合加载电路如图2所示。

2 矩量法

矩量法[7,8,9,10]是求解麦克斯韦方程行之有效的数值方法，用矩量法分析天线问题，可以使用电场积分方程（EFIF），也可以使用磁场积分方程（MFIF）。磁场积分方程计算较简单，它只能处理封闭的散射问题；电场积分方程既可以处理封闭体，也可以处理开放体，但计算稍复杂。

设S表示开放的或闭合的导体目标表面，为S的外法线单位矢量，为激励或入射电场，是导体目标表面的电流密度，是未知量，如果导体目标的表面是开放的，那么导体目标边界处等于零，是导体目标表面电流产生的二次场，即散射场，可由下式表示：

式中：为磁矢量位，可由下式给出：

ϕ为电标量位，表达式为：

式中：k为波数，k=2πλ，λ为波长。导体目标表面电荷密度σ与表面电流密度有如下的关系式：

为了能够求解未知量，这里引入边界条件，在导体目标表面有：

于是得到：

式中tan指沿表面切线方向。

3 仿真计算结果

地参数（σ=0.01，εr=15）下仿真得到的天线驻波比曲线（300Ω匹配）如图3所示，从图中可以看出，所选用曲线设计出的天线的输入阻抗在3～30 MHz范围内小于2.5，能够满足实际使用要求。

天线效率仿真曲线如图4所示。

天线仿真方向图如图5所示。

4 工程化设计

根据以上仿真计算结果，为了便于天线的架设成型，用六边形对数螺旋折线代替对数螺旋线。天线中心由一个高10 m绝缘杆支撑，天线幕由2根辐射线和6根迪尼玛绳挂线组成。天线成型图如图6所示。

5 结语

本文采用矩量法分析设计了一种工作在3～30 MHz的宽带、圆极化、高仰角、短波小型化天线，并进一步做了工程化设计。仿真计算大大缩短了试验调试的时间，优化了天线的性能。设计的天线具有占地小、架设简便、效率高、200 km范围内无盲区等优点，适合于短波机动通信领域。

摘要：介绍一种工作在330 MHz的宽带、圆极化、高仰角、短波小型化天线。天线以对数螺旋线为基本结构,具有底端RLC集总元件的复合加载结构,并采用矩量法进行天线设计和优化。天线尺寸在25 m×25 m×10 m范围内。实践表明,该天线具有占地小、架设简便、效率高、200 km范围内无盲区等优点,可广泛应用于短波机动通信领域。

关键词：通信天线,矩量法,宽带,高仰角,对数螺旋

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