环形交叉近垂直天线研究

石宝民，官伯然

(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江杭州310018)

0 引言

近几年，国外对NVIS技术的研究从未停止，如文献1、2分别对舰载和车载NVIS天线进行了研究。本文首先对天线结构做了简单介绍和分析，通过Ansoft HFSS软件对天线进行了仿真，给出了详细的仿真结果和分析，表明本天线结构相对于现有的短波天线形式在体积结构，NVIS特性，全向性和极化形式上具有一定的优势，具有进一步研究和实际应用的价值。

1 天线结构

由圆极化波的理论可知，两个频率相同的线极化波可以合成圆极化波，但必须满足3个条件［3］，即两波的电场矢量在空间互相垂直，幅度必须相等，相位相差90°。而本天线结构所使用的方环形天线为线极化形式，在采取交叉垂直摆放，和90°差相位馈电后正好满足了圆极化的条件。本文所采用球坐标系如图1所示。天线结构如图2所示。

图1 球坐标系示意图

图2 天线模型

两矩形环天线分别由对称两臂组成，每条臂(即半个矩形环)的垂直臂高为100cm，两条水平臂长为60cm，线半径2cm，馈电点设置在顶端。

这样的天线结构可以很好的提高水平面方向图的全向性，使一般短波天线的“8”字形水平面方向图变为近似圆形［4，5］。在NVIS特性上也更容易实现，天线在不需加载调整的情况下即可在30 6MHz频段内有良好的近垂直特性，仅在低频段的6 1.5MHz需要进行加载调整。

2 天线仿真结果分析

本天线采用Ansoft HFSS软件进行建模和仿真分析。天线的近垂直特性非常好，辐射能量集中在天线顶端，主瓣宽度约为2θ0.5=80°，如图3、4所示:

图3 25MHz时的垂直面方向图

图4 10MHz时的垂直面方向图

本天线的辐射在能量集中的波瓣顶端区域，并在顶端区域的水平方向上分布比较均匀，从水平方向图上看近似圆形，经电离层反射回地面后可以实现均匀覆盖天线周边各个角度的盲区，不会出现死角。水平方向图如图5、6所示:

图5 25MHz时的水平面方向图

图6 10MHz时的水平面方向图

天线在低频段出现了NVIS特性和全向性的恶化，达不到近垂直短波天线的使用要求。而从工作频率上看1.5－30MHz有4个倍频程，要实现如此宽的带宽，在振子上加载成为了必要的手段。本设计采用末端加载电容方案，较好地解决了上面遇到的问题，经过多次综合试验，天线基本在全频段达到了NVIS特性和全向性的设计要求。

通过加载技术实现本短波天线在5MHz时的全向性和NVIS特性的具体仿真情况如图7、8所示:

图7 5MHz加载132pF时的垂直方向图

图8 5MHz加载132pF时的水平方向图

在实现了上述近垂直短波天线所必须的NVIS特性和非常好的水平全向性的同时，本天线还实现了圆极化。天线分别在25MHz，5MHz的极化情况如图9，10所示。

图9 25MHz时的极化图

图10 5MHz加载132pF时的极化图

本文选取θ=15°和25°两个水平圆周上的极化情况来观察，可以看出，RHCP(右旋圆极化)的增益值要远远大于LHCP(左旋圆极化)，所以该天线极化形式为右旋圆极化。

由Ansoft HFSS仿真得出的轴比与频率的关系曲线如图11所示，在很宽的频带内，轴比变化不大，仅在频率底端轴比值出现剧烈变化。工程应用中，一般轴比小于6dB圆极化天线就具有实用价值。从曲线上看，5 30MHz的频带内都能达到这个要求。在低频段进行天线加载，圆极化特性也随之改善。在加载132pF后低频段的轴比情况如图12所示:

图11 轴比与频率的关系曲线

图12 加载132pF时低频段轴比与频率关系曲线

3 结束语

本文设计了环形交叉形式的近垂直天线，最终其近垂直特性、水平全向性，圆极化性能均比较理想，达到设计要求，天线的结构尺寸也在合理的范围内。而在天线的设计过程中，天线各方面的性能相互影响相互制约，很难同时达到理想状态，因此，必须折衷考虑使得天线的性能达到最优。因为一般短波天线都会配接自动天线调谐器使用，驻波比及带宽等参数会进一步得到调整，而不对其它性能造成影响，所以在本文的设计中，没有过多的关注天线的阻抗特性。本天线形式简单，结构稳固，如果在接下来实际的测试和调整当中达到预期的性能要求，则本天线设计不失为一种具有相当应用价值的新型结构。

［1］ Radovan Vlasic，Dean Sumic.An Optimized Shipboard HF Loop Antenna for NVIS Link［C］.Zadar:50thInternational Symposium ELMAR-2008，2008:241 －244.

［2］ Austin B A，Liu W C.Assessment of vehicle-mounted antennas for NVIS applications［J］.Antenna and Propagation，2002，3(4):147 －152.

［3］ 李超峰，魏子伦.垂直交叉短波天线实现全方向性［J］.电波科学学报，1995，6(10):188－192.

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［5］ 黄子旻.高增益全向圆极化海上移动天线的研究［D］.大连:大连海事大学，2010:5－18.

［6］ 程智辉.车载NVIS天线研究［D］.西安:西安电子科技大学，2008:9－11.