基于楞形线网结构的短波宽带偶极天线优化设计研究

柳湘川?艾文珵?黄浩

摘要：设计了一款辐射体为两个正交平面线网结构的短波楞形偶极子宽带线天线。天线由两个楞形线网辐射单元组成，为了使天线宽频带工作，辐射单元的截面为十字形，分别对应一个水平面线网和一个垂直面线网，在两个辐射单元的中间设置一个平衡—非平衡阻抗变换器。采用FEKO软件对该天线的电特性进行了建模仿真，分析了不同结构参数时天线的电压驻波比（VSWR）和增益特性。仿真结果表明，在3～30MHz频带内，该天线电压驻波比小于3，在一般地面上平均增益可达9dBi。

关键词：线天线；宽带天线；短波天线

一、前言

短波以天波传播，可用较小功率和较简单的设备达到超视距无线通信。现代短波军事通信要求短波天线宽带化，短波宽带天线与宽带收发信机连接使用时无须调谐，可实现宽带跳、扩频通信，使短波通信系统具有对付现代通信电子战的能力。

为了保证天线的高辐射效率，不宜对天线体进行加载。在此条件下，实现双极类天线宽频带特性的最有效的方法就是加大天线体的直径[1-2]，笼形天线就是一种经典的短波宽带天线。短波低频端工作波长较长（可达100m），要实现天线宽带化，则要求加大笼形天线的笼径，这就给天线的结构设计和安装架设增加了难度。本文提出一款“基于楞形线网结构的短波宽带偶极天线”，它将笼形振子中间段圆柱面上的笼线和两端圆锥面上的笼线用两正交平面线网结构代替，且水平面线网的宽度远小于垂直面线网的宽度，便于悬挂在天线两端的支撑杆之间。该天线工作频带为3～30MHz，天线平均增益可达约9dBi。作为一种中近距离的短波收/发天线，该天线具有工作频带较宽、辐射效率高、方向性弱等特点，可用于短波通信基站的全向发信或收信天线。本文对基于楞形线网结构的短波偶极天线进行宽带化设计和电气性能分析。

二、天线结构

基于面型线网结构的短波宽带偶极天线结构如图1所示。天线由两个楞形线网辐射单元组成，在两个辐射单元的中间设置匹配器。天线体两端悬挂在两个支撑桅杆的顶部，桅杆的高度取决于通信距离。作为主要用于3000km以内短波天波通信的天线，天线支撑杆的高度可在17.5～27.5m的范围内选取，典型的天线线网结构上边沿的高度取22.5m，线网结构下边沿的高度取约15m。

为了使天线宽频带工作，该天线的辐射体为一个线网结构的楞形偶极子；该偶极子的截面为十字形，分别对应一个水平面线网和一个垂直面线网。为了便于安装，水平面线网的宽度远小于垂直面线网的宽度；垂直面线网振子线数量可取7～11根，水平线网振子线数量一般取3根，且这两个面的中心振子线共线。该楞形线网辐射单元由三段组成，中间段为矩形线网，内外两端为三角形线网。天线由辐射组件、固定组件、下引线、馈线杆、支撑杆等组成。其中，辐射组件包括垂直辐射体和水平辐射体；固定组件包括顶吊索、垂直吊索、中吊索、下吊索，除垂直吊索呈竖向或近似竖向设置外，其他吊索均呈水平或者近似水平设置。天线辐射组件可通过固定组件中的各吊索张拉至两侧的支撑杆上。

垂直辐射体包括7～11根呈水平状态的振子线，这些振子线通过若干并排设置的十字支架实现上下平行间隔排列，相邻振子在竖向上的间隔为0.6～1.2m。最上层的振子与顶吊索共线，最下层的振子与下吊索共线。所有振子先在中部通过中部连接板进行固定并对应连接至下引线，所有振子的端部均通过端部连接板进行固定并连接至中吊索。中部连接板通过垂直吊索固定在顶吊索上，顶吊索、中吊索和下吊索的端部连接至支撑杆进行固定。

水平辐射体为三根在同一水平面上并排设置的振子线，这些水平面上并排设置的振子线固定在各十字支架的水平支架上，各水平振子线之间的间隔在0.3～0.8m之间选取，典型间隔取0.5m。水平辐射体中所有振子线的中部也通过中部连接板进行固定，且所有振子的端部通过端部连接板进行固定并连接至中吊索。水平辐射体中心的振子与垂直辐射体中心的振子为同一根振子线。

中间连接板包括并排间隔设置的两块垂直连接板，两块垂直连接板之间通过两块绝缘板连接，使得两块垂直连接板之间绝缘。中间连接板两侧中部分别设置有呈水平状态的水平连接板，该水平连接板与对应的垂直连接板应进行可靠的结构连接和电气连接。垂直吊索的底端与中间连接板的顶部对应连接，天线匹配器就设置在两块中间连接板的中间。在两块中间连接板两侧分别开设有若干个连接孔连接辐射体的振子线。

合适选择楞形线网各段线网的长度、导线的数量，导线之间的间距等可以获得10∶1的工作带宽。顶吊索采用直径为8mm的不绣钢丝绳，其他线网导线采用直径为3mm的不绣钢丝绳，钢丝绳的柔软特性可方便天线重复收放，使之具有可机动架设的特点[3]。天线匹配器设计为一个平衡—非平衡阻抗变换器[4-5]，它将非平衡的同轴电缆变换到偶极子天线两臂的平衡馈电，同时完成阻抗变换，实现天线与50Ω同轴馈线的阻抗匹配。该平衡—非平衡阻抗变换器基于传输线变压器原理进行设计，具有比普通阻抗变换器宽得多的带宽，可以满足3～30MHz频率范围使用要求。

三、性能仿真及分析

对于复杂线网结构的天线可以采用矩量法进行分析[6-7]。本文采用基于矩量法的FEKO仿真软件，对基于楞形线网结构的短波宽带偶极天线建立了电气性能仿真模型，模型不但包含直接参与天线辐射的部件，而且对支撑杆等金属结构也一并进行了建模。模型中天线导线和支撑结构件材质的导电率取σ=1.4×106s/m，一般地面的电参数取σ=1×10-2s/m， εr=15，μr=1 。

楞形短波宽带偶极天线的结构尺寸和器件参数为：天线臂长ι=17.5～27.5m，其中ι1=2～6m，ι2=11.5～21.5m，ι3=2m；垂直面线网宽度ω1=7.6m，水平面线网端宽ω2=1m；天线高度（顶吊索距地面高度）h=17.5～27.5m；垂直面线网振子线数量N1=7～11根，水平线网振子线数量N2=3根，传输线变压器的变比为4∶1。

在建立了天线电气性能仿真模型后，在3～30MHz工作频带内对天线的驻波比、增益、方向图等电气特性进行了仿真计算。

（一）不同臂长ι时天线VSWR和增益性能

天线臂长ι分别取17.5m、22.5m、27.5m，其中ι1=4m，ι2=11.5m、16.5m、21.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；N1=9根；N2=3根；传输线变压器的变比为4∶1。不同臂长ι时天线驻波比和增益随频率变化的仿真结果如图2所示。

由图2可以看出，可以看出，天线臂长ι越长，低频段驻波比越小；当ι=22.5m时，3MHz频率驻波比小于3。天线臂长ι越长，低频段增益越高；高频段天线增益随臂长变化不明显。

（二）不同内端三角形线网段长ι1时天线VSWR和增益性能

楞形短波宽带偶极天线的内端三角形线网是天线振子臂从馈电点逐步展开的过渡段，该段长度ι1是天线设计需要考虑的一个重要参数。天线臂长ι取22.5m，其中ι1=2m、4m、6m，ι3=2m，ι2=ι-ι3-ι1；ω1=7.6m； ω2=1m； h=22.5m； N1= 9根； N2=3根；传输线变压器的变比为4∶1。不同三角形线网段长 时天线驻波比和增益随频率变化的仿真结果如图3所示。

由图3可以看出，振子内端三角形线网段长度ι1越长，高频段驻波比越大；当ι1=4m时，3～30MHz频带内的驻波比均小于3。在ι1长分别取2m、4m、6m时天线增益仿真结果中，ι1=4m时的天线增益随频率变化最稳定。

（三）不同振子线数量时天线VSWR和增益性能

垂直面线网振子线数量N1分别取7根、9根、11根；N2=3根；天线臂长ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；传输线变压器的变比为4∶1。不同振子线数量时天线驻波比和增益随频率变化的仿真结果如图4所示。

可以看出，垂直面线网振子线数量越多，天线驻波比和增益性能越好。当 N1≥9根时，天线驻波比和增益性能趋于稳定，因此本文垂直面线网振子线数量N1取9根是合适的。

（四）不同架设高度时天线VSWR和增益性能

天线架设高度h分别取17.5m、22.5m、27.5m；天线臂长ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；N1=9根；N2=3根；传输线变压器的变比为4∶1。不同架设高度时天线驻波比和增益随频率变化的仿真结果如图5所示。可以看出，天线高度h越高，低频段天线驻波比越低；高频段天线驻波比与天线架高关系不明显。天线架设高度越高，增益亦整体越高。

（五）天线方向图

根据以上分析，综合考虑天线增益及驻波比性能，天线参数取值如下：天线臂长ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；N1=9根；N2=3根；传输线变压器的变比为4∶1。该天线三个典型频率的方向图仿真结果如图6所示。

由图6可知，在低频段，该天线方向图仰角较高，适合近距离通信。随着频率的升高，该天线方向图仰角降低，适合中远距离通信。该天线水平面方向图呈现多个波瓣，有利于中近距离内对多个通信对象的通信。该天线低频段高仰角水平面的方向性较弱，由于水平架设天线高度越低，水平面方向图的全向性越好[3]，因此在低频段该天线可采用低架的方法来实现全向通信。

四、结语

本文设计了一款基于线网结构的新型短波宽带偶极子天线，采用楞形偶极子线天线形式和平衡—非平衡变换器馈电，实现了10∶1工作宽带，获得了优良的天线电气性能。并对不同结构参数时的天线电压驻波比和增益特性进行了计算和分析。仿真结果表明，该天线在3～30MHz工作频段内驻波比小于3，在一般地面上平均增益可达约9dBi。该天线占地面积小，架设方便，适用于中小型基站3000km以内的短波通信。

参考文献

[1]王元坤，李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安电子科技大学出版社，1995.

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[4]王衡峰，柳超，谢旭，等.辐射叶加载的短波宽带鞭状天线优化设计[J].国防科技大学学报，2019，41（5）：159-165.

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[6]尹亚兰，张志刚.复杂线天线的一种矩量法算法[J].海军工程大学学报，2003，15（3）：98-101.

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