一种基于滤波器结构的多频振子天线设计

张宇环，向小春，陈银平，刘伟栋，张宇琛，李少龙

(1.上海航天电子技术研究所，上海 201109；2.上海机电工程研究所，上海 201109；3.中国电波传播研究所青岛分所，山东 青岛 266107)

0　引言

天线是能够实现电磁波[1]发射和接收的装备，是无线通信系统中不可缺少的部分。随着技术的进步，对天线[2]的要求越来越高：一方面要求天线增益高、带宽宽、甚至实现多频工作；另一方面，要求天线体积小、重量轻。文献[3-4]介绍了多频微带天线的设计方法；文献[5-8]介绍了基于FDTD分析的宽频带印刷偶极子天线及馈电巴伦的设计方法；上海无线电设备研究所玄晓波基于振子天线以及Vivaldi天线原理设计了一种工作600 MHz/1 800 MHz的双频天线[9]；射频开关的应用给天线频率复用提供了有效借鉴，文献[10-12]给出了结合分布参数分析的滤波器的设计方法。本文创新性地利用半钢电缆的分布参数，实现了UHF以及VHF频段的低通滤波特性，进而实现了天线的3频工作特性，并采用螺旋加载方式，实现了天线的小型化设计，HFSS软件仿真结果显示按照本文所述方法设计的天线在3个频段都具有较好的辐射性能。

1　天线总体设计

一种基本的LC低通滤波器电路示意图如图1所示，根据切比雪夫低通原型的设计原理可以得出对应的UHF、VHF频点相对应的电感、电容数值如表1所示。在HFSS软件建模仿真的时候将UHF、VHF频点对应的电感、电容值赋给等效的Lumped_LCR电路，并通过仿真结果判定计算的正确性。

图1　切比雪夫低通滤波器电路结构

表1HFSS软件仿真时输入的电感、电容的数值

频段VHFUHFL/nH6．86．8C/pF23．33．25

如何制作在UHF以及VHF频段具备低通特性的滤波器是本方案的关键技术。

天线从馈电点到滤波器的部分可等效为一段短路传输线，从滤波器至天线终端可等效为开路分支，并据此确定滤波器电感电容值。合适的等效电感和电容会在相应的频点处产生理想的谐振，天线的每一个串接的电感电容网络在谐振频带的低端都呈现高的感抗特性，在谐振频带的高端呈高的容抗特性，理想的LC网络阻抗为：

天线传输线部分的等效阻抗公式如下：

Z2=cwj(tanθ1-cotθ2)，

式中，cw为传输线特性阻抗，cw=138lg4d/h；d为辐射振子直径；h为天线辐射振子距地面的高度；θ1和θ2为辐射振子等效电长度。

当工作频率和加载的滤波器在辐射振子中的位置确定后，通过Z1+Z2=0，使得沿辐射振子的阻抗虚部为0，即可得到合适的滤波器。

工程实现过程中，将电缆绕制的滤波器与辐射振子相连，通过调节绕制长度和叠加层数来调整天线在相应频点的驻波特性，最终实现滤波器制作。通过上述方法，利用HUBER+SUHNER公司F141型半钢电缆进行绕制。

天线的馈电振子及结构形式如图2所示。L波段振子通过焊接与馈电巴伦固定并通过绑扎固定在玻璃钢支撑座上。UHF频段辐射振子采用螺旋加载方式实现小型化设计。UHF频段滤波器采用同轴线制作，利用同轴线的分布参数实现滤波器性能，结构形式如图2中UHF滤波器所示，并通过尼龙线与振子支撑绑扎固定，顶部通过与L振子焊接实现结构固定以及电连接；底部通过与UHF频段辐射振子相连，进而实现天线UHF频段工作。VHF频段辐射振子及滤波器设计与UHF频段相同，只是螺旋加载的辐射振子长度以及滤波器分布参数有所区别。螺旋支柱采用聚酰亚胺材料加工而成，通过螺纹方式实现结构固定，通过焊接方式实现电连接；振子支撑与玻璃钢支撑座通过介质螺钉固定。

图2　天线馈电振子模型

2　仿真与测试分析

天线采用背射型正交偶极子天线形式，利用滤波器实现3个频率分离，并且各频段振子与各频段反射板间距为相应工作频段的1/4波长。天线采用硬同轴电缆方式馈电，信号从硬同轴电缆馈入，在L频段辐射振子中心分别接振子两臂，完成天线馈电，末端通过星体金属反射板短路，形成λ/4短路传输线巴伦。滤波器采用同轴线制作，利用同轴线分布参数，在VHF以及UHF频段呈低通滤波器特性，从而实现频率分离；同时通过螺旋加载的方式有效减小了UHF与VHF频段辐射振子长度。与常用的对称振子圆极化天线相比，本方案因3频共振子设计简化了天线馈电方式，由对称振子方案的3个频率6路馈电巴伦减少为2路，优化了天线的馈电结构。

按照上述设计，对3频信标发射天线进行了仿真设计与优化，并考虑实际金属支撑管对天线各电性能的影响，建立了完整的仿真模型进行仿真分析，首先根据前节分析与设计，对天线模型进行了仿真与初步优化，并得到了天线振子的基本辐射特性，天线振子仿真模型如图3所示。

图3　3频发射天线仿真模型

各频段电性能仿真设计以及实测结果对比如图4、图5和图6所示。

图4　VHF频段增益/轴比方向图

图5　UHF频段增益/轴比方向图

图6　L频段增益/轴比方向图

从对比分析结果可知，L频段仿真结果增益7.5 dB，在±45°凹陷达11 dB，实际测试中增益约6 dB，±45°凹陷10 dB，与仿真结果一致；VHF频段仿真结果与实测结果除增益差距较大外，波束宽度以及波束形状宇仿真结果完全一致；UHF频段仿真结果与实测结果虽差别较大，但方向图凸起以及凹陷位置增益与仿真结果基本一致，证明了所述设计方法的可行性。

3　结束语

本文通过巧妙的结构设计，实现了对称振子天线3频圆极化工作特性，并通过实测结果进行了设计验证，为多频天线设计提供了新的设计思路。仿真和测试结果表明，天线能够实现对称振子天线3频圆极化同时工作，但天线在UHF与VHF频段的实测增益与仿真结果相比有较大差别。经分析，导致这一现象的原因是采用电缆绕制方法制作的滤波器插入损耗大。因此，后续将针对电缆绕制滤波器分布参数随频率变化的特性角度进行研究分析，同时结合电缆绕制滤波器制作工艺，进一步优化天线实现过程，提高天线性能。

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