平面齿状对数周期天线在地面数字电视中的研究设计

贾小娇 安徽省广播电视科研所

1.引言

齿状对数周期天线来自对数周期天线[1]，其结构简单，性能较好，是一种全向性宽频带天线。它是非频变天线，其阻抗、增益、方向图等电性能在频带范围内基本与频率无关。

随着数字技术的发展，地面数字电视应用越来越广，其配套设备的要求也越来越高。本文设计了一款适用于地面数字电视的齿状对数周期接收天线，经仿真性能良好，如果做成产品,也将减少不必要的安装环节。

2.天线原理和结构

齿状对数周期天线是从对数周期天线发展而来。对数周期天线是由N个结构相同的振子按照一定规律排列的，如图1所示。相邻振子的比值(L n + 1/Ln)等于某个常数k, 相邻振子的间距(d n + 1/ dn)也等于k， 此结构的天线具有相似原理：若两副天线的几何形状相似，尺寸相差T倍, 当工作频率也相差T倍并且其辐射电阻远大于损耗电阻时，这两副天线的电参数相同[2]。真正的对数周期具有对数函数的数学性质，其公式为：

齿状对数周期天线中齿的分布是按等角螺旋线设计的[3]，如图2所示（定义天线臂内半径rn和外半径Rn, 以及两个角度S1和S2），齿是不连续的，其长度是由从原点发出的两根直线之间的夹角决定的，相邻的两个齿的间隔是按等角螺旋天线设计中相邻导体之间的距离来设计的。

若从螺旋线中心沿着矢径方向看去， 同一臂上第n个齿内缘的矢径为：

则第n＋1个齿内缘的矢径为：

第n+1 个齿和第n个齿内缘的矢径之比为：

同理，同一臂相邻齿外缘的比值τ也是一个常数，

图1 对数周期天线结构

图2 齿状对数周期天线

对于无限长的结构，当天线的工作频率变化τ倍，即频率从f变到τf、τ2f、τ3f…时，天线的电结构完全相同，因此在这些离散的频率点τf、τ2f、τ3f…上具有相同的电特性，但在f-τf、τfτ2f…等频率间隔内，天线的电性能有些变化，只要这些变化不超过一定的指标，就认为天线具有非频变特性。

3.仿真结果

本文采用HFSS软件对平面齿状对数周期天线进行仿真，其结构采用图2的形式。参数设置为：S1=S2=45o ，R1=17.92cm，τ=0.65，r1=0.81R1，齿状对数周期天线为有限导体，将导体附在介质基板上，介质基板厚度为62mil，尺寸为41.22cm×41.22cm，馈电为天线几何中心。

图3所示是平面齿状对数周期天线的VSWR（电压驻波比），由图3可以看出，天线的VSWR在470MHz-900MHz频段内＜2.5，最小值为1.3，且较为平坦，比较适合在地面数字频段使用。

图4为天线的增益图，可以看出，天线的增益可以达到5.44dB，辐射关于xoy平面对称。参考图2，辐射方向符合天线原理。图5为天线在XOZ（H）和XOY(E)平面内的方向图，可以看出，天线的辐射在H面和E面均对称分布，磁场方向的方向性很强。

4.结论

本文对齿状对数周期天线进行了研究设计，利用HFSS软件进行了仿真。结果显示，在地面数字电视频段内（470-860MHz），天线驻波比小于2.5，大部分频段内小于2.0，增益为5.44dB，并且E面和H面方向图也较好，具有一定的方向性，不足之处是天线尺寸稍嫌大，下一步计划在性能不变条件下，改变天线尺寸并做出产品。

图3 平面齿状对数周期天线驻波比（VSWR）图

图4 天线增益图

图5（a） H面方向图

图5（b） E面方向图