船用双馈笼锥组合式宽带天线

船用双馈笼锥组合式宽带天线

宗显政　聂在平　杨学恒

(电子科技大学电子工程学院,xz_zong@163.com,四川成都610054)

3

摘　要　实验研究了一类采用组合复用、双端馈电和套筒结构匹配等技术设计的用

于船用短波超短波通信的小型宽带天线,详述了各物理结构参数对天线性能的影响。据此设计的天线在超过5个倍频程的带宽范围内,电压驻波比(VSWR)基本低于2.5,而尺寸远小于相同用途的传统盘锥、discage等天线。关键词　宽带天线,船用天线,组合复用技术,双端馈电中图分类号　TN82　　　　文献标识码　A

Shipboarddualfeedbroadbandantennaswithacage2conecombinedshapeZONGXian2zheng　NIEZai2ping　YANGXue2heng

(SchoolofElectronicEngineering,UESTofChina,xz_zong@163.com,

ChengduSichuan610054,China)

Abstract　AkindofsmallsizedHForVHF/UHFbroadbandantennaforshipboardcommunicationisdesignedthroughexperimentalstudies.Theantennaintegratesthetechniquesofconstructioncombination,dualfeedandmatchingwithsleeves.Theeffectsofvariousphysicalparametersontheantenna’sperformancewerede2scribedindetail.Inabandwidthgreaterthan5octaves,theantenna’svoltagestandingwaveratio(VSWR)isunder2.5,anditsdimensionsaremuchsmallerthanthoseofthetraditionaldisconeanddiscageantennas.

Keywords　broadbandantenna,shipboardantenna,combinationtechnique,dualfeed

1　引　言

实际的船用短波超短波通信需要在很宽的频率

范围内使用多个信道。因船上空间极为有限,若为不同信道分别架设天线,将导致平台负荷增加并给安装和维护带来诸多不便,更易滋生相互间的电磁干扰。小型化宽带天线成为克服上述困难的亟待解决的关键技术。

各种单馈天线由于天线结构简单,本身效率较低且带宽有限,采用加载或宽带匹配网络能够改善

天线的匹配,但同时也引入了损耗[1～5],为克服这些缺点,提出了discage[6]及盘锥-单鞭[7]双馈组合式天线,将各具优点的两类天线加以结合,采用双端馈电、覆盖不同的频段,既减小了整体尺寸同时可以保证所需工作带宽。而这种结合也并非简单的叠加,两路馈电之间存在较强的相互作用。在文献[8]中进一步应用组合复用、双端馈电、套筒匹配、结构变形等技术,提出了一类双馈笼锥组合式天线。通过反复实验能够得到这种天线各结构参数对天线性能影响的规律,并可在此基础上设计、优化天线样机。

3

收稿日期:2005208226

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92电　波　科　学　学　报第22卷

2　双馈笼锥组合式宽带天线结构

双馈笼锥组合式天线结构如图1所示:

cm,d=25cm、d=35cm时,下馈及上馈VSWR曲

线分别如图2及图3所示。

图1　双馈笼锥组合式天线结构图

该天线是典型的双馈结构:第一路同轴电缆内外导体分别与金属盘及金属基座(1)连接,金属盘及主辐射体上部在此构成一典型盘锥天线[10]的两极,称为上馈;第二路同轴电缆内外导体分别与金属基座(2)及套筒结构连接,天线主辐射体在整体上形成具有套筒结构的笼形单极天线,称为下馈。上馈电缆穿过中心支柱、地板后置于地板底部,通过分布参数调整,可使下馈的工作频段进一步向低端扩展。为获得稳定的驻波特性、提高机械强度,上下两路均采用非对称馈电形式,在两个基座及套筒结构内部还进行了同轴腔式阻抗渐变结构设计。上馈的盘锥天线主要覆盖频段的高端部分;下馈则能够谐振于天线整体结构,同时利用顶盘及套筒结构进一步改善阻抗,从而覆盖频段的低端部分。两个频段间还需有一段重叠部分作为调节余量,最终的整个工作带宽由两个频段合成。

θθ天线结构涉及较多参数,主要包括d、D、u、b、

h、H及两个绝缘子的厚度,它们对两路馈电的输入

由图可知,下馈驻波随盘口径减小在整体上逐

渐降低;对于上馈则恰好相反,较大口径的盘有利于拓展工作频带,然而由于对上馈方向图的影响较敏感,盘的口径不能太大。传统盘锥天线盘直径的经验设计公式为d≈0.7Dmax,其中Dmax为锥体底面直径,显然该公式对双馈笼锥组合式天线已不再适用。3.2　主辐射体横向口径D

θ研究时天线总体高度H=144cmθ,u、b分别为

60°及35°,下馈基座上端距地板h=25cm,横向口径D分别取24cm、34cm、50cm,考虑到盘对上下馈的影响,顶盘直径d与D取值一致。不同D值时下、上馈VSWR曲线分别见图4、5。

当天线主辐射体横向口径收缩时,下馈VSWR在其工作频段的低端基本保持不变,高端明显降低,中段有所抬高;上馈VSWR在其工作频段的中、高端略有改善,但在低端明显抬高。若VSWR以3为界,在D=24cm时下馈与上馈工作频段已不能很好地衔接,伴随产生的另外一个问题是下馈工作频段的抬高较快,使得其纵向高度在下馈频率高端已较大超出了四分之一工作波长从而使俯仰面方向图

阻抗、辐射方向图均具有程度不同的影响,也关系到两个工作频段的恰当衔接。

3　影响天线性能的各个参数

3.1　顶盘直径d

在主辐射体横向口径D=2413cm,天线总高

θθH=144cm,及50°,下馈基座上端u、b分别为60°距地板h=25cm的结构下,盘口径分别取:d=6

第1期　　　　　　　　　　宗显政等:船用双馈笼锥组合式宽带天线93

3.5　上下锥体张角的选择及套筒结构的设计考虑

对于上馈盘锥天线,锥体张角介于45°、75°之间时性能较好,一般可选为60°;对于下馈单极天线,

套筒结构提高了天线的馈电点,实验表明,下锥体张角较大时有利于驻波的改善,一般可在100°～110°间选择。另外,较高的套筒高度h有利于天线下馈工作频段向低端扩展。

4　天线设计及性能测试

在上述实验规律基础上设计并实测了一副双馈笼锥组合式天线,顶盘直径d=27cm,总体高度H=

θθ100cm,横向口径D=34cm、、、下馈基u=60°b=35°

座顶端距地板高度h=11.5cm,主辐射体的直通部分向下略有收敛。实测结果显示所设计的天线表现出良好的宽带特性。合成工作频带14.9MHz～494.9MHz,共约33.2倍频,其中下馈14.9MHz～210.9MHz,上馈165.7MHz～494.9MHz,VSWR曲线分别见图6、7。产生裂瓣。

3.3　主辐射体长度L

将上馈电流在天线主辐射体上电流路径长度记为L,对于完整的双馈结构,L将包括主辐射体上下两个锥体的斜长及连接它们的直通部分(传统盘锥天线只具有锥体的斜长,并不包括双馈天线由于结构复用而不可避免的向下延伸的部分)。

θ当顶盘直径d=40cm,,主辐射体横向u=60°

口径D=50cm时,考查L分别取38cm、87cm、118cm的情况,L=118cm时上馈VSWR与完整结构几乎没有区别,即使在L=87cm时工作频段仍具有稳定的低端。当L=38cm时,上馈VSWR低、中端均明显抬高。对上馈而言,仅从驻波角度考虑,L增大到一定程度后,频段低端已较稳定。据此结论,在设计天线时,可尽量压缩两个锥体的连接部分从而在整体上减小天线的纵向高度。3.4　天线整体高度H

实验结果表明:在一定程度上通过减小主辐射体直通部分来压缩天线整体纵向尺寸,结果对上馈VSWR的影响并不明显,但下馈VSWR在频段高端显著上升,使得上下两路馈电工作频带的重叠部分增加。

由图可知,工作频段内VSWR基本小于2.5,完全能够满足船上发射用一般VSWR低于3的要

94电　波　科　学　学　报第22卷

求。

在下馈及上馈的典型频点上双馈笼锥组合式天线E面方向图参见图8。

际制作并测试了带宽超过30倍频的船用全向宽带短波超短波通信天线,在工作频带内电压驻波比基本低于2.5,效率高、功率容量大,尺寸小,其性能与文献[8]相比有较大改进,在船用通信工程应用上具有较强的竞争优势。参考文献

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图8　天线下馈30MHz、80MHz,上馈

150MHz、300MHzE面方向图

大部分工作频带内,天线能够维持俯仰面侧射、

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[5]　延晓荣,金元松,等.阻容加载偶极天线的宽带性能及

,这种情况符合盘锥天线的特性,通过一定技术措施可以抑制。

该天线的工程应用优点还包括:尺寸小、风阻低;损耗小、效率高、功率容量可达1～2kW以上;较单馈天线更适用于多信道收发机共用。根据天线缩比理论,将相同工作频段及短波频段内的传统盘锥天线,discage天线的尺寸和双馈笼锥组合式天线尺寸作比较详见下表,可见后者在尺度减缩方面的优越性。

表1　实验天线工作频段及短波波段内天线所需尺寸与传统盘锥天线及discage天线的比较频　段

14.9～550MHF(2～30M)

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传统盘锥

4.6/5.334.1/39.4

discage1.7/2.712.8/20.0

双馈笼锥

0.34/1.02.5/7.5

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注:表中尺寸为“横/纵向尺寸”,单位(m)。

5　结论

针对综合了组合复用、双端馈电和套筒匹配等技术而形成的双馈笼锥组合式天线,通过反复实验,研究归纳了各参数对天线影响的规律,这些规律可作为此类双馈笼锥组合式天线的经验设计规则。实

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(下转第99页)

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人,于2003年获得电子科技大学通信与信息系统硕士学位,目前在电子科技大学电子工程学院攻读博士学位,主要从事雷达信号处理、信号检测与参数估计等研究工作。杨建宇　(1963-),男,四川人,博士(后),现为电子科技大学电子工程学院教授,博士生导师。研究领域:雷达理论、关键技术与系统应用,毫米波雷达成像,数字信号处理,信号检测与估计。

唐　斌　(19-),男,四川人,博士(后),教授、博士生导师。长期从事电子对抗技术与系统、雷达抗干扰能力提高及效能评估和新一代移动通信技术与系统等研究与教学工作。获部级科技成果二等奖一项,发表论文80余篇。

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　　宗显政　(1979-),男,山西人,2002年于电子科技大学获得学士学位,电磁场与微波技术专业博士生,主要研究方向:宽带天线.大型复杂载体平台上的天线。

聂在平　(1946-),男,四川人,教授,博士生导师,电子科技大学副校长,中国电子学会会士,IEEE高级会员。先后获国家科技进步二等奖一项,省、部

级科技进步一、二、三等奖共七项,在国内外发表学

术论文350余篇,主要研究方向包括:计算电磁学、电磁散射与逆散射、非均匀介质中的场与波、新一代移动通信中的多天线技术等。

杨学恒　(1944-),男,云南人,副教授,长期从事天线理论及工程、微波技术的教学及研究,发表论文10余篇,并具有多项国防应用成果。