船载短波鞭状天线的设计*

王明启，马佩佩，张正平

(1.贵州大学 大数据与信息工程学院 贵州 贵阳 550025;2.安庆师范学院 物理与电气工程学院 安徽 安庆 246133)

船载短波鞭状天线的设计*

王明启1，马佩佩2，张正平1

(1.贵州大学 大数据与信息工程学院 贵州 贵阳 550025;2.安庆师范学院 物理与电气工程学院 安徽 安庆 246133)

在分析电小天线理论的基础上，设计了一款适用于船载通信的短波鞭状天线。天线体高度为2 m，内径为100 mm，利用HFSS电磁仿真软件建立了仿真模型。通过电抗加载来改善天线低频段阻抗特性，并在天线馈电端进行匹配网络设计，使天线在5 MHz～15 MHz频段内阻抗平稳，有效增加了带宽；通过天线结构的改进，有效提高了天线效率，增益达到-15 dB(5 MHz～9 MHz)和-10 dB(9 MHz～15 MHz),电压驻波比小于1.8，交叉带宽大于500 KHz。并且其结构紧凑，体积小，抗风能力强，符合船载环境下天线的设计需求。

鞭状天线 有效高度 匹配网络 带宽 驻波比

0 引 言

鞭状天线是中短波中应用最多的天线形式，它属于电小天线范围。电小天线是指天线的最小几何尺寸远小于工作波长的天线。通常，天线的最大几何尺寸小于1/8至1/10波长则归入电小天线范畴，电小天线形式仅能采用一些最简单的结构形式，如对称或不对称偶极子，鞭状形式[1]。由于其结构紧凑，体积较小，抗风性能好，在海面上，波的损失较小，利用垂直极化波通讯，可以达到较远的距离，且性能稳定，干扰电平低，价格便宜，适用于船载通讯。但是其固有的效率低、频带窄和过压等缺点，一定程度上限制了其发展。

就上述问题，文中提出一款鞭状船载短波天线，通过匹配网络的设计、加顶负载[2]和加接绝缘材料，有效的增加了带宽，提高了天线的效率。

1 天线电性能分析

1.1 宽带化

为了实现鞭天线驻波比的宽带化，必须减小天线输入阻抗对频率的敏感程度。在短波频段，集总元件加载是最常用的方法。因电抗加载天线效率高，但频带窄，本文采用电抗加载和宽带匹配相结合的方法[3]。

采用矩量法计算该天线的电气性能[4]。对于线天线，可用矩量法求解电场积分方程

(1)

Z(z)=Zi(z-zi)

(2)

其中，Zi为加载处的集总元件阻抗，zi为加载元件的位置。

因长直导线天线表面上的电流关于z轴对称，可将表面电流等效为天线轴上的线电流，即用I(z)dz代替Js(r)dA'。天线体将被分为若干段，每一段上的电流可用一个多项式来表示，电流函数描述为

(3)

式中，zi≤z′≤zi+1，i=1,2,…,N+1为分段次序，k=1,2,…,Ni，Ni为第i段(即zi点和zi+1点之间的线段)所取电流多项式的项数。将电流展开函数代入积分方程，用沿天线轴线的线积分代替沿天线表面的面积分，权函数用δ函数，就可得到一个矩阵方程，求解这个矩阵方程即可获得天线上的电流分布，进而计算出天线的输入阻抗、电压驻波比、增益等。

1.2 天线的效率

对鞭状天线而言，天线的辐射效率与其有效电尺寸密切相关。随着天线尺寸的缩减，天线的损耗会明显变大，天线增益与尺寸之间存在矛盾，因此必须综合权衡考虑。同时，较小的天线电尺寸，对天线驻波影响也很大。

假设有源鞭状天线上的电流分布为

(4)

式中，Ii是天线输入端电流；h为鞭状天线的高度。依据有效高度定义，得

(5)

当h/λ<0.1时

(6)

式中,k=2π/λ，λ为波长，有效高度表征直立天线的辐射强弱，即辐射场强正比于he[5]。

2 天线的结构设计

根据天线的工作频带，天线的中心工作频率为10 MHz，其对应的工作波长为30 m。当接收天线高度为2 m，对应其工作波长的长度为1/15；对应其低频段5 MHz，天线的高度只有其工作波长的1/30，对天线的增益影响较大。综合考虑天线结构强度和三防要求，在满足增益指标的前提下，接收天线采用高度h1为2 m的不锈钢管，内径为φ为100 mm，外加防护层；底部馈电，射频电缆从底座的通孔穿出，连接到匹配网络，匹配网络盒体固定在底座上，底座高h2为750 mm，不锈钢材质，连接法兰盘半径R为200 mm；中间加接绝缘材料高度h3为250 mm。天线的结构和尺寸参数如图1所示。

图1 左为改进前的结构、右为改进后的结构

为了实现天线宽带工作的要求，采用天调匹配网络实现工作频点的驻波匹配，降低天线的电压驻波比和匹配网络损耗，同时也能提高天线系统的增益指标。天调匹配网络由天调控制器和匹配电路组成。天线实际匹配电路如图2所示。其工作原理是天调控制器根据天线的工作频率，选择匹配电路中相对应开关的闭合、关断，将天线工作频率分为五个频段，从而选择不同频段内L、C值，实现接收机与天线的匹配。匹配电路与固定匹配电路相比，由于它的调谐带宽变窄，因此，天线的驻波比性能较好，网络损耗相对减小。匹配网络控制图如图3所示。

图2 匹配电路图

图3 匹配网络控制图

3 天线的优化设计及仿真

为使天线性能指标最优，需要优化天线结构尺寸、加载及宽带匹配电路等参量[6]。经优化确定各元件的值为：L11=9 μH，L1=880 nH，C1=1000 pF，R1=100 Ω，L22=6.8 μH，L2=750 nH，C2=900 pF，R2=68 Ω，L33=3 μH，L3=700 nH，C3=750 pF，R3=75 Ω，L44=2 μH，L4=650 nH，C4=680 pF，R4=51 Ω，L55=1 μH，L5=750 nH，C5=620 pF，R5=62 Ω。

天线增益计算曲线如图4所示，天线的驻波仿真曲线如图5所示。可知，天线的增益大于-15 dB，在5 MHz～15 MHz工作频带内驻波小于1.8，满足技术指标要求。

图4 天线增益曲线

图5 天线驻波曲线

4 天线的加工实测及改进分析

实际制作了一副鞭状天线进行实测。采用有效口径法测量，根据公式可得天线的增益G[7]

(7)

式中，Er为待测点处的场强，Pr为待测点处天线的接收电平。

因天线本身和传输线缆的介质损耗，以及天线杆体与底座之间分布电容效应的影响，实测所得增益略小于-15 dB。测试数据如表1所示。

表1 测试数据

由式(5)可知，要提高天线的效率，需改善天线的传导电流分布，增加有效高度。

研究发现，在天线顶端加载半圆形负载可增大天线顶部的辐射面积，天线与地之间的等效分布电容增大，容抗减小，使得顶端辐射电流增大，整个天线上的传导电流分布变得均匀，天线的有效高度得到增加，从而提高了鞭状天线的效率。

同时，在天线杆体与底座之间加接绝缘材料，可有效减小分布电容的影响，进一步提高天线的效率，使增益大于-15 dB。进过反复对比实验，确定绝缘材料高度为250 mm。改进后实测的天线增益曲线如图4所示，天线实物图如图6所示。

图6 天线的实物图

5 结 论

本文设计了一副船载短波鞭状天线，通过电抗加载及宽带匹配的方法，有效的增加了天线的带宽。采用矩量法计算天线特性，并优化得到天线体及匹配电路参数。实测结果表明，设计初步达到了预期指标。再经过加顶负载使天线顶端辐射电流增大、在天线杆体与底座之间加接绝缘材料用以抵消天线的一部分容抗，改善天线的传导电流分布，相当于增加了天线的有效高度，进一步提高了天线的效率。对比可知，该天线体积更小、带宽较宽、损耗低、性能稳定，具有良好的工程应用价值。

由于该天线低频分量衰减较大，对匹配网络参数过于敏感，使得调试过程较为困难，并导致低频部分带宽很窄。就这一问题，后续将进行深入研究。

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[3] 弓永明,蔡志远,马银圣等.一种短波鞭状宽带天线的设计[J].现代电子技术,2014,(04):17-20. GONG Yong-ming, CAI Zhi-yuan, MA Yin-sheng, et al.Design of Shortwave Whip-Shaped Broadband Antenna[J]. Modern Electronics Tchnique,2014,(04):17-20.

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[6] 李俊.遗传算法在天线设计中的应用[J].移动通信,2000,24(5):41-43. LI Jun. Application of Genetic Algorithm in the Design of Antenna[J]. Mobile Communication, 2000,24 (5):41-43.

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WANG Ming-qi (1988-), male, graduate student, majoring in microwave technology and modern communication.

马佩佩(1990-)，女，学士，主要研究方向：通信新技术;

MA Pei-pei (1990-),female,B.Sci., majoring in new technology of communication.

张正平(1964-)，男，教授，主要研究方向为物理电子学，微波器件，信号处理。

ZHANG Zheng-ping(1964-),male,professor,mainly engaged in physical electronics,micravave devices and signal processing.

Shipborne Short-Wave Whip Antenna

WANG Ming-qi1,MA Pei-pei2，ZHANG Zheng-ping1

(1.College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550000,China;2.College of Physics and Electrical Engineering, Anqing Normal University, Anqing Anhui 246133,China)

Based on the theory of electrically small antenna, a short-wave whip antenna for shipborne communication is designed. Antenna is 2m in height and 100 mm in inside diameter. A simulation model is established with electromagnetic simulation software HFSS. The low-frequency band impedance characteristic of antenna is improved by reactance loading. The matching network design is implemented at antenna feed-end,thus to make the antenna impedance stable in the range of 5MHz-15MHz and effectively improve the bandwidth. By modyfying the structure, the antenna efficiency also acquires significant improvement, and the gain reaches -15dB (5MHz-9MHz) and -10dB (9MHz-15MHz), and VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) is less than 1.8 while cross bandwidth being greater than 500KHz. Moreover, the designed antenna is compact in structure, small in volume and strong in wind resistance,and thus completely meet the design requirements for shipborne environment.

whip antenna; effective height; matching network; bandwidth; VSWR

date:2014-09-27；Revised date：2015-01-30

TN713.5

A

1002-0802(2015)03-0371-04

王明启(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：微波技术与现代通信;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.03.024

2014-09-27；

2015-01-30