短波宽带双环天线设计

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                1  引言

                        环天线具有结构简单、成本低、体积小、重量轻等诸多优点，广泛应用于UHF波段的电视和调频广播电台接收等场合，到目前为止已经有很多文献对环天线进行了分析。但要将其作为短波测向校准的发射天线，对环天线的有效辐射功率、工作带宽、幅度和相位不圆度都具有非常高的要求。本文提出了双环设计，有效地克服了传统单环的幅相不圆度大的缺点，同时设计了新的匹配网络提高了双环天线的有效辐射功率和带宽。通过仿真和实验验证了本文设计有效性。
                         
                        2  天线的设计

                        环天线按尺寸分为小环天线和大环天线。若环的半径b很小，其周长 ，称为小环天线。小环天线上沿电流的振幅和相位变化不大，近似均匀分布。但是在短波波段作为发射用途的环天线尺寸往往不能达到电小环尺寸要求，非电小环上电流分布呈现出不均匀性，导致了其幅相不圆度大，尤其是相位不圆度。图1~图4给出了环直径1m，线径25mm环天线远场方位面相位方向图（相位参考点：环中心），图5给出了实测相位差结果。从图中可以明显看到环天线的相位呈正弦变化，波动范围较大，可达到60度的差异，显然不能直接利用环天线作为校准天线。
                         
       

               

       

                图1  2MHz时相位方向图

       

               

       

                图2  11MHz时相位方向图

       

               

       

                图3  20MHz时相位方向图

       

               

       

                图4  30MHz时相位方向图

       

               

       

                图5  环天线实测相位差(freq=20MHz)

                 
                        2.1  双环天线设计原理

                        根据单环天线电流分布在馈电方向上呈现最大分布，而在其对面180度方向上呈现小分布的特点，提出了双环设计，将两个相同的环天线上下两侧排放，两个馈电点分别放置在0°和180°方向。工程上设计两个环天线分别用平衡双线进行馈电，在环中心位置进行交叉连接馈电，实现了两个馈电点0°和180°方向排放要求。
                         
                        此双环天线的工作原理可以这样解释，对于一个环天线其在0度方向馈电，那么其在0度方向电流分布最大，在180度电流分布最小，辐射电场相位正弦分布；而与此同时另外一个环的馈电位置和第一个环馈电位置对调，电流分布也同样对调，那么在远区两个环辐射电场合成后，其电流流向相同，电流相互补充，到达各个方向上场强幅度、相位基本相同，有效地改善了幅相不圆度。
                         
                        2.2  双环天线电气特性

                        结构示意图如下图所示。双环天线直径Ф1000 mm，两环上下间隔2.5cm，相对于单环天线，在方位面幅度起伏和相位起伏都较小。从仿真结果看，频率30MHz时相位相差5.6°。
                         
       

               

       

                图6  双环天线结构示意图

                         
                        根据经验公式，环天线的辐射电阻为 （式中b为环的半径，C为环的周长），得到其辐射电阻很小。由于用作校准发射天线，为了与发射机匹配，须提高辐射效率。环天线的效率为 ，估算得天线的效率非常低。必须设计合理适中的加载网络，以提高天线的辐射效率。
                         
                        双环天线采用中心交叉馈电方式，采用4：1阻抗变换器，实现天线到同轴电缆平衡到不平衡端转换。所以在中心馈电处设计多级加载网路，提高辐射效率，实现1.5MHz～30MH宽带匹配。
                 
                        3  仿真与实验结果

                        3.1  双环天线方向图

                        根据环天线的辐射场公式，推导出各个频率的双环天线远场方位面幅度和相位方向图如图7。
                         
       

               

       

                （a）f＝2MHz幅度方向图

       

               

       

                （b）f＝8MHz幅度方向图

       

               

       

                （c）f＝30MHz幅度方向图

       

               

       

                图7  双环天线远场幅度和相位方向图

                         
                        如上图所示，在1.5~30MHz频段内, 双环天线在方位面幅度最大起伏0.9dB，相位最大起伏5.6?。
                 
                        3.2  实验结果

                        根据理论计算所设计的尺寸，我们制作了一付模型天线，以保证双环天线工作效率的前提进行了网络匹配实验和幅相校准测试，驻波测试如图8所示, 其电压驻波系数1.5MHz~30MHz整个频段基本在3.5以下。
                         
       

               

       

                图8  VSWR随频率变化曲线图

                         
                        将标准环天线作为发射源，同一方向水平旋转，双环天线作为接收天线进行接收场强的幅相一致性测试，由于低频幅度、相位变化不大，我们只选取频率为30MHz时的测试数据（表1）与单环进行实际对比。
                         
                        从表1可以看出，相位最大相差9°，测试与仿真结果基本一致，说明该天线的幅相一致性较好，与单环天线相位差60度比较，双环天线有效改善了幅相不圆度。
                         
                        表1  双环天线幅相测试数据表
       

发射源方位	接收电平（dBm）	相位差
0°	-55	-42°～-46°
90°	-55	-38°～-41°
180°	-55	-38°～-43°
270°	-55	-42°～-47°
360°	-55	-41°～-45°

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