一种低剖面小型天线的电磁特性分析

欧阳耀果 刘云 刘旭东

摘要：某型高精度定位系统基于扩频体制展开设计，在中短波段工作，具有精度高，抗干扰能力强，工作范围大等特点。系统中存在天线体积过大，难于安装以及维护的难点。文中提出了一种基于双Hilbert分形设计的小型天线。同时针对舰船电磁环境恶劣，天线受影响较大的问题，对细导线、同轴线等进行天线建模并分析。结果表明，文中天线高度仅13cm，可以谐振在1.5～10MHz频段，实现了全向接收，能够满足中短波段导航系统要求。

Abstract： Maritime radio navigation system which is belonged to the spread system， working in the MW and SW section， is provided with high positioning accuracy， wide coverage and good security. However， the antenna is so large that hard to be installed. This paper proposes a new-designed double-Hilbert fractal antenna. Also， because of the abominable electromagnetic condition on the ship， this paper builds on the model of this antenna based on several pivotal techniques which belongs to the FDTD， coaxial line analysis， etc. The results show that the antenna whose height is only 13cm can work in 1.5～10MHz band with the characteristics of omni-direction， meets requirements of the navigation system working in the MW and SW band.

关键词：无线电导航;船用天线;双Hilbert分形;FDTD

Key words： radio navigation;marine antenna;double-Hilbert fractal;FDTD

中图分类号：TN82                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）21-0222-02

0  引言

某型高精度定位系统工作在中短波段，具有精度高，抗干扰能力强，工作范围大等特点[1]。该频段信号波长大，天线尺寸需大于信号波长的1/4[2]，天线体积过大，难于安装及维护成为了技术难点。同时，系统平台天线林立，电磁环境恶劣[3]，天线的接收特性会受到较大影响。FDTD是分析天线特性的有效数值方法之一。该方法能够在特定频带内通过一次计算完成针对天线特性的分析，在天线结构复杂，工作环境恶劣的条件下具有更高的估计精度及更加优良的性能[4]。为此，本文设计了一种双Hilbert分形的小型天线，构建了天线模型;进行了天线电磁特性分析。结果表明，文中天线高度仅为13cm，能够谐振在1.5～10MHz的中短波段，适合于工程应用。

1  基于双Hilbert分形的天线结构

文中天线属电小天线范畴，存在辐射效率低的问题。Hilbert分形天线具有良好自相似特性，在有限空间内可以有效加大天线辐射电阻，提高天线增益及效率，天线模型如图1。天线主要技术指标设计为：尺寸为26cm×13cm;材料为半径0.5mm的铜线;Hilbert分形阶数为6阶;电长度约为8.2m。

2  基于FDTD方法的天线建模及特性分析

2.1 细导线算法

对细导线进行建模是天线特性估计精度的理论基础。令细导线截面直径为r，近场近似1/r变化。天线位于yoz面内，目标导线沿Z轴方向分布，场由贯穿细导线横截面的四个离散网格决定。此时，穿过细导线截面的一个离散网格y方向电场强度及x方向磁场强度为：

根据经典FDTD，下一时间步x轴磁场分量为：

由图1，细导线由拐点构成。场分布由其夹角内外磁场决定。对其分析可参照中小环天线的角点进行解算。设含拐點细导线沿z轴和y轴放置，夹角内的场分量由下式：

拐点夹角外磁场分量可由下式表示：

递推以上过程可得图1结构天线的场分布数学模型。

2.2 天线分析

根据安培环路定理，天线馈电点电流的时域形式可写为：

因激励电压为先验信息，则在某频段内，输入阻抗Z可表示为：

当场稳定后，通过近—远场变换即可系统远场参数。

3  天线仿真结果及分析

系统主要指标如第一小节，其它条件设定如下：①激励源：如式（6）的Gauss脉冲;②扫频范围：1.5～10MHz;③网格结构：渐变离散网格，最小网格宽度？姿/40;④吸收边界：PML，8。

仿真结果见图2、图3。

对图2、图3进行分析，可得以下结论：①天线可在1.5～10MHz频带谐振，回波损耗低于-15dB;②带内天线驻波比低于1.5;③天线全向接收，其中E面方向图120度存在一定凹陷;H面方向图则圆度较好。

4  结论

本文提出并设计了一种双Hilbert分形的小型接收天线，解决了天线难以安装及维护的技术难点。采用FDTD方法建立了天线数学模型。结果表明，文中天线高13cm，长26cm，能够工作在1.5～10MHz频段，具有体积小、低轮廓、全向性特点。

参考文献：

[1]潘威炎.长波超长波极长波传播[M].电子科技大学出版社，2004.

[2]Warren L. Stutzman，Gary A. Thiele 著.天线理论与设计[M].二版.朱守正，安同一，译.人民邮电出版社，2006.

[3]维施可夫，M.B.编著.船舶通信天线[M].船用通信天线翻译组，译.北京：国防工业出版社，1983.

[4]葛德彪，闫玉波.电磁波时域有限差分方法[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[5]Niruth Prombutr， Prayoot Akkarackthalin. Model of Hilbert Curve Fractal Antenna Fed by Coplanar Waveguide for Multi-band Wireless Communications [J]. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2007.