嵌套结构在短波环天线的应用

王瑞玉

摘 要：常规环天线受制于其尺寸而仅能谐振于某一固定窄带频点，因而限制其多场合使用。本文提出一种嵌套环天线，通过仿真与分析，指出该型环天线设计的有效性与独特性：嵌套环的数量增加谐振点数，引入适当缺口可以获得多频点和宽频性。这为环天线的进一步应用与发展奠定了基础。

关键词：环天线;缺口;多频;短波

Abstract：The conventional loop antenna is limited by its perimeter and only resonates at a certain fixed narrowband frequency point， and thus its practical application is limited. In this paper， a nested ring-loop antenna is proposed. Through simulation and analysis， the effectiveness and uniqueness of this type of loop antenna are pointed out： the nested number increases the number of resonance points， and the introduction of an appropriate gap can obtain multiple frequency points or broadband frequencies. It lays a foundation for the further application and research of the loop antenna.

Keywords： Ring antenna， notch， multi-band，shortwave

环形天线是一种闭路天线[1]，其中包括的谐振环天线有适中的输入阻抗，对称的方向图和适当的方向性系数，很多参数与直线振子极为相似，研究表明每个谐振环可等效为两个半波振子的叠加[2]。环天线结构简单，架设灵活且工作在谐振状态的高Q值的特点使得其在无线电监测、电磁兼容测试有广泛应用。但环天线的缺点如单频点、窄频带性较突出，因而在短波收发场合应用较少。如果一副以普通环为基础的天线能弥补其缺点，发挥其优势，就可以显著降低使用成本，扩大环天线使用场合。所以，具有低成本、易制作特性的多频环天线成为需要克服的难题。

虽然近些年引入机電结合、插入阻抗元件或网络、补偿技术、开槽结构等可以显著增加短波天线的谐振点和扩展工作频带，但整体结构较复杂，成本较高，实用性较差，且难以移植到环天线上。若借助于分形结构，引入结构的自相似性，可以使环天线能够在多个频段工作。研究表明，天线的通频带由嵌套环数量大小控制，且各谐振频点与相应辐射单元的尺寸密切相关[3]。因此本文提出一种简易的嵌套环天线结构，并根据实际情况可自行调整嵌套环大小和缺口位置、数量，可有效引入多频点和宽频性，克服单环天线的缺点，为其广泛应用奠定了研究基础。

具体天线结构如图1所示：

选定一个外环半径3.5m，内环3.49米，口径0.01米的铜环天线为基础结构，下面展示嵌套环数量以及缺口位置对天线性能的影响。

当一个普通单环天线，其半径长度为2.5米，3米，3.5米时，其天线反射系数仿真结果如图2所示。

从图2可知，普通单环天线为单一谐振频率，半径为3.5、3米、2.5米时，谐振点为14.3MHz、17Mhz、20MHz，反射系数为-17dB附近。随着半径的减小，环天线发生蓝移现象;而当普通单环天线分别引入半径为3米、2.5米的嵌套环时，其天线反射系数的仿真结果如图3所示：

从图3可知，普通单环天线为单一谐振频率，此时谐振点为14.3Mhz，反射系数-17dB;当嵌套进3米形成双环天线时，以-10dB为界，有明显的双频段，第一谐振点为14.6MHz，反射系数为-27.61db，第二谐振点为18.2Mhz，反射系数为-17.86dB;当嵌套进2.5米和3米形成三环天线时，以-10dB为界，有明显的三频段，第一谐振点为15.2MHz，反射系数-17.89dB，第二谐振点为18.50Mhz，反射系数为-23.44dB，第三谐振点为22.70MHz，反射系数为-12.75dB。三环嵌套天线谐振点近似于三个不同尺寸的环天线各自独立谐振频率，从三环天线三个频率对应的表面电流也可以看出，如图4所示。

图4所示三个表面电流图分别对应从低频到高频的三环谐振频率，在每个环间距为0.5米的情况下，三环嵌套天线效果近似于三个独立环天线谐振频率。因为天线的部分结构之间间距较小，环与环之间会产生互耦，所以3个环之间并不独立，因而谐振点不完全符合三个独立环天线频率。当嵌套环大小变化时，也就是环之间间距变动时，在一定范围内，其谐振点是可以控制的。以双环嵌套为例，如图5所示。

图5所示双环嵌套，当内环从3.2米减小到2.6米时，双环天线的高频频点发生蓝移现象，说明嵌套环天线可以根据环大小变化来调整实际需要的频点。

文献说明了当环天线引入缺口，可有效分割出不同的电流模式，引入不同的谐振频率，且缺口的大小并不会导致频率明显的偏移[4]。以外侧大铜环天线圆心为顶点，以圆心到馈线端中心为圆弧起始线，旋转a的角度确定缺口位置，为简洁结果说明，只摘出a角度为90度和120度两个角度说明缺口环天线的特性，其结构和反射系数如图6、7所示。

常规环天线仅能谐振于某一固定窄带频点，但借助于嵌套结构和引入缺口，可以有效扩展其频带和增加频点。本文通过仿真与分析，证实了该结构的有效性与独特性：嵌套环的数量增加谐振点数，引入适当缺口可以获得多频点和宽频性。此研究结果可能为环天线的进一步应用与发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1] Balanis C A. Antenna theory： Analysis and design[J]. IEEE Antennas & Propagation Society Newsletter， 2003， 24（6）：28-29.

[2] 李明. 复式环电视发射天线设计研究[D]. 兰州大学， 2010.

[3] 胡章芳， 胡银平， 罗元，等. 一种新型共边矩形环嵌套的分形多频天线设计[J]. 电子器件， 2017， 40（1）：33-39.

[4] 刘宏. 缺口对环天线的影响[J]. 现代工业经济和信息化， 2017， （6）：33-39.