一种小型化短波对数周期天线设计

李东虎 任晓飞 李 虎

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081；2.中国电波传播研究所，山东 青岛266107）

引 言

对数周期天线作为一种非频变宽带天线，被广泛应用在通信、雷达、电子对抗等领域.常规对数周期天线设计方法比较成熟［1-3］，目前也已出现多种形式的对数周期天线产品.但是常规的短波对数周期天线占地面积非常大，工作在3～30MHz频段的对数周期通常有60m宽60m长这样的庞大尺寸.在雷达或电子侦察领域，往往需要天线能够放置在特制转台上转动，以实现全方位通信、侦察，显然常规的短波对数周期天线因其庞大的尺寸而无能为力.因此短波天线的小型化工作具有很重要的意义.

针对实际需求，设计出了一种小型转动燕尾对数周期天线，天线工作在3～30MHz，纵向长度25 m，横向长度24m.这种小型化对数周期天线采用感性加载与L型加载结合的方式，实现天线结构的横向尺寸缩小，采用大τ小σ方式缩小天线结构纵向长度，经过理论仿真计算与实际测试，该天线在短波全波段电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）小于2.3，天线典型增益为8dBi，能够承受1kW功率，通信距离可达到2 000km.

1 天线工作原理

对数周期天线作为一种非频变宽带天线，其依靠谐振振子的自相似性，可以获得很宽的频带宽度，理论上只要天线尺寸足够大，就可以获得任意宽的频带.但是实际中往往天线的尺寸会受到各种限制，需要对天线进行小型化设计.

燕尾型对数周期天线由于其结构的特殊性，所有振子基本呈“V”型结构，天线结构紧凑，比相同工作频率的对数周期天线横向宽度要小，便于天线整体结构转动.其电气工作原理与一般对数周期偶极子天线的工作原理相同，即存在传输区、辐射区、非谐振区，天线电气性能不变的频率满足

式中τ是对数周期天线的比例因子.

一般燕尾型对数周期天线的结构示意图如图1所示.

图1 燕尾型对数周期天线示意图

从图1可以看到，燕尾型对数周期天线中每个振子与集合线夹角均不相同，一般为了缩短横向长度，最长振子与集合的夹角最小，其余后面逐渐变大.为了保证天线电气性能的非频变特性，振子与集合线的夹角也必须按照比例因子逐渐变化，具体的比例关系为

式中：αn为第n个振子与集合夹角；αn＋1为第n＋1个振子与集合线的夹角.这个比例关系构成了燕尾型对数周期天线各个振子自相似的核心.振子长度与振子间距的比例同一般对数周期偶极子天线相同，天线通过各个振子的自相似结构构成非频变特性.

2 天线参数设计

2.1 天线体参数

为了大幅度缩小对数周期天线的纵向长度，必须合理地分配τ与σ参数.当τ与σ分配不合适时，天线的非频变性会遭到破坏，在振子全尺寸情况下都不能满足要求.高性能的小型化对数周期天线设计思路是：首先设计出合适的τ与σ参数，将天线的纵向尺寸缩小至实际需要的空间，此时振子在全尺寸情况工作，必须满足电性能要求；其次，进行天线的横向尺寸缩小，将振子尺寸缩小至实际需要的空间内；最后进行感性加载设计，以便振子长度缩小后依然能够谐振，且谐振频率不变.

小型化转动对数周期设计目标是8dBi天线增益，在工作3～30MHz工作频率电压驻波比不大于2.5.依据这两个设计目标，通过指标分析及对结构尺寸的考虑，多次通过模型优化，最终确定对数周期天线参数选择为：τ＝0.81，σ＝0.048，α1＝52.46°，天线面共14对振子，架高20m，整个天线结构尺寸控制在25m以内，为24m（横向）×25m（纵向）.

2.2 加载设计

天线振子缩短后，在原工作频率上会呈现很大容性，必须采用感性加载.天线加载有多种方式［4］，本设计根据天线面为软结构对数周期天线的特点，充分利用边索的空间，进行振子末端“L”型加载与振子根部加载同时加载的方式.

由于整个天线体采用软线制作，采用根部集总加载方式.此外为了近一步降低天线Q值［5］，充分利用软结构天线的特点，振子末端加载利用天线面边索的一部分作为支节线，在振子末端进行L型加载，能够充分改善振子电流分布，提高振子等效长度，同时这样天线显得结构紧凑、可靠性高.实际制作中，将需要进行L型加载的振子与加载枝节线直接电连接，在确定的枝节线位置处利用绝缘陶瓷将枝节线与天线边索断开.根据缩短振子数量，天线面共需7对振子感性加载，L型加载需要6对.具体加载结构示意图见图2.

经过计算以及仿真优化后的振子根部加载参数如表1所示.

图2 转动对数周期天线加载结构示意图

表1 小型燕尾对数周期天线加载参数

3 仿真与实测结果

本文设计使用FEKO 5.3版本软件［6］对天线进行仿真计算，对天线结合实际大地参数进行一体化设计.由于短波天线的特殊性，天线增益与方向图目前均无有效的测量方法，只能对电压驻波比进行实际测试.图3中实线为本文设计的天线的实测电压驻波比，虚线为理论计算.

图3 转动对数周期天线电压驻波比

从实测结果来看，天线具有良好的电压驻波比，在短波全波段内电压驻波比最大不超2.3，与仿真结果吻合，更够和发射机或接收机进行良好匹配.

图4给出了天线的增益仿真结果.仿真结果表明：天线具有8dBi典型增益，天线在低频增益较低，有6dB的增益，这主要由于天线大幅地压缩了纵向尺寸，天线在低频工作时，辐射区内有效辐射振子少的原因.

图5～7给出了典型频率下天线水平面方向图仿真结果.

图4 转动对数周期天线增益曲线

图5 5MHz水平面方向图

图6 14MHz水平面方向图

图7 30MHz水平面方向图

本文设计的小型化对数周期天线通过实际天波信号测试，可有效地进行2 000km通信.通过远程控制天线转台，天线可在360°范围内进行旋转，转速0.2转／分，定位精度±1°，利用单付天线可实现全方位通信.

4 结 论

本文通过分析燕尾型对数周期天线的工作原理，采用感性加载与L型加载结合的方式，设计出了一种小型化的短波转动对数周期天线，工作频率可扩展至短波全波段，而天线仅有25m长，天线增益可达8dBi.实际测试与试验表明，天线不需要很大场地，即可实现短波全波段、全方位通信.有效地补充了目前短波转动对数周期天线系列.

［1］CARRELl R L.An Analysis of the Log-periodic Dipole Antenna［R］.Tenth Ann Symp on the VSWF Antenna Research and development program，1960.

［2］DE VITO G，STRACCA G B.Further comments on the design of log-periodic dipole antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，1974，22（5）：714-718.

［3］爱金堡.短波天线［M］.杨渊等译.北京：人民邮电出版社，1965.

［4］RASHED-MOHASSEL J.A miniaturized log-periodic dipole array［C］／／Sixth Int Cof on Antennas Propagat，1989，1：403-406.

［5］YAGHJIAN A D，BEST S R.Impedance，bandwidth，Q of antennas［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2005，53（4）：1298-1324.

［6］FEKO User’s Manual［M］.Suite 5.3.2007.