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宽带甚高频/超高频双鞭形天线
摘要：本文提出了一种宽带甚高频/超高频双鞭天线，该天线采用一种无损匹配方案，采用嵌入式传输线匹配和集总分布混合匹配两种方法。通过调整嵌入式传输线的长度，双鞭天线与传输线的连接可以达到共振，从而实现粗匹配。通过在双鞭天线馈电点加入集总分布混合匹配网络，可以进一步改进双鞭天线的匹配。在此基础上，设计并制作了一种双鞭天线。测试结果表明，双鞭天线的电压驻波比分别在最小工作频率和最小工作频率下，在17：1倍频程范围内小于2。 天线的宽宽和水平增益在4.2~6.8 dB之间。本文提出的双鞭天线具有高增益、宽频带、低折射率等优点，是一种理想的车载无线通信应用。
关键词-宽带匹配网络，双鞭天线，甚高频/超高频天线
- 导言
鞭形天线以其体积小、结构简单、方向性强等特点，在超短波、短波、甚高频/超高频无线通信中得到了广泛的应用。实际上，鞭形天线的一个独特的特点在于其极小的辐射电阻和极高的低频负电抗。因此，它获得了大的Q因子和窄的工作带宽，并导致大部分能量难以辐射，而只在天线周围振荡。在这种情况下，从馈电线路直接馈电到天线，会导致系统前端的接收或发射机发生故障甚至故障。为了解决这一实际的过度反射或失配的问题，学者们已经讨论了许多方法。一个建议是在天线上使用集中或分布式负载来改善天线表面的电流分布。[1]具有匹配网络的lr负载线单极子可获得20：1带宽，电压驻波比小于3.0，系统增益大于3.2分贝。另一种思路是采用由集总分量组成的嵌入式宽带匹配网络来消除天线阻抗的虚部。在[2]中，一种2米宽的宽带鞭子天线可以在23-60 mhz的频率范围内工作，电压驻波比小于3.5，系统增益大于5分贝。文献[3]同时利用负载技术和“体上”匹配网络实现了VHF/UHF鞭子天线，其电压驻波比小于2，系统增益大于0 DBI。第三种方法利用分形技术改善各种甚高频/超高频天线的阻抗特性[4]。近年来，超材料研究的迫切性促使一些学者设计了超高频/超高频超材料天线[5]。此外，[6]借助传输线匹配圆锥天线。加入一段传输线形成的锥形天线的谐振结构，获得更高效的运行在较低的频率。然而，上述所有方法在实施方面或多或少都存在具体的缺陷。例如，负载将不可避免地降低天线的辐射效率和结构强度；集总分量的宽带匹配网络将提高带宽的系统增益。 与之匹配，超材料的成本通常太高。
为了获得更高的增益、更宽的带宽和更低的折射率，本文研究了一种VHF/UHF双鞭天线和两种无损匹配方法。由两段传输线连接成双鞭子天线的两个单独的鞭子分别工作在30-520 MHz的上下频段。通过调整嵌入式传输线的长度，可以使鞭形天线和传输线产生共振，天线基本能满足阻抗的工程要求。该方法为双鞭天线提供了粗阻抗匹配。为了进一步匹配双鞭天线，分别设计了两个匹配网络。在天线的馈电点分别加入传统的集总匹配网络和新的集总分布混合匹配网络。这两种匹配网络在不同的频带上工作，可以获得更高的增益和更好的双鞭天线匹配性能。采用这两种匹配方法设计的双鞭天线在VHF/UHF频段具有良好的性能。
- 双鞭天线的粗阻抗匹配
- 双鞭形天线
双鞭天线的结构如图所示.。1(A)。它由两个高度分别为L1=1.6m和L2=0.3m的鞭子天线组成，并且它们的直径都是2.5cm。
图1.(A)双鞭天线(B)(A)的等效电路。
两条长度和直径的嵌入式传输线，用于连接这些传输线。鞭形天线和嵌入线与地面平面之间的距离分别是h3和h4。两个嵌入式线路的接合点通过一个电气开关连接到两个匹配的网络。在其他端口的匹配网络是馈电点。图1(B)显示等效图中1(A)双鞭天线电路。Z1 in是高度为h1鞭形天线的输入阻抗，Z2 in是高度为h2鞭形天线的输入阻抗。Z2T是连接点的输入阻抗。ZD3和ZD4是长度为L3和L4的嵌入式传输线阻抗，具体数值可以通过一下公式计算出：(1)
双鞭子天线可以看作是两个平行的装置，连接在图中1(A)的连接点。其中单元1由一个高度和一个电子层传输的鞭子天线组成。 单元2由高度的鞭子天线和带有长度的嵌入式传输线组成。
图2.(A)要素2.(B)(A)的等效电路。
- 要素设计
在下面的理论分析中，我们以元素2为例，如图所示。2描述了它的结构。从图2(B)得出，元件2在连接端口处的输入阻抗为
其中表示在与长度L2鞭端口的反射系数.
为了匹配，ZinT-2在（2）必须是实部指数必须满足条件。的结果由下面的公式给出
因为嵌入式传输线的电长度不可能是负值，而且会随着n产生周期性的变化，所以的一个解决方法就是
由于输入阻抗随频率变化而变化，从(4)我们可以注意到：对于任何鞭子天线，为了与嵌入式传输线相匹配，电的长度会增加。 随着工作频率的变化，嵌入线的值应该是可变的。然而，事实上，在工程设计中，嵌入式线路的长度必须是固定的。换句话说，在给定的长度和特性阻抗的嵌入式传输线，它只能匹配鞭子天线在一个窄带。为了重视宽带匹配，可以将整个匹配带宽的平均值作为嵌入式传输线的长度，这样就可以得到一个近似的匹配带宽。 我们就可以获得图像元素的匹配。
图3给出了L2=0.3m鞭形天线的输入阻抗，其第一共振频率为250MHz。图3能更清楚地说明宽带范围内的阻抗波形：从第一共振频率开始，随着频率的增加，输入阻抗的实部在一定范围内的波动几乎是中等的。当它的虚部接近零时波动范围为296。相应地，我们将传输线的特性阻抗设为29，并将结果输入(3)。然后在平均带宽处理后计算传输线电长度的理论解。在实际工程设计中，我们确定了中心频率的物理长度cm。此外，如果嵌入线的半径设置为cm，我们可以计算出从(1)到地面的相关嵌入线之间的距离cm。图4显示了该埋设在鞭子与50条馈电线之间的反射系数。如图中圆形实线所示，在180~410 MHz的频率范围内，驻波比小于3，在410-520 MHz的频率范围内，驻波比小于3.5。当频率低于1 50 MHz，元件2将反映所有馈电电流。为了使双鞭天线工作在150 MHz以下，单元1的设计应考虑工作在较低频段上。
图3：0.3米鞭子天线阻抗 图4.元件2的传输线埋设前后反射系数的比较
图5给出鞭子天线m的输入阻抗，其第一共振频率为46.8 MHz。在30-150 mhz的频率范围内，从30到55 mhz和从100到140兆赫输入导入的实际部分为。为了从(3)中求出嵌入线的物理长度，并考虑整个波段的粗匹配。我们以42欧姆作为嵌入式线路的特性阻抗，即欧姆。然后计算(3)，取平均值。在实际工程设计中，确定了中心频率MHz处的物理长度，得到了m值。图6给出了在鞭形天线与50欧姆馈电线之间嵌入传输线前后的反射系数。从图6得出，VSWR 2：1带宽增加，第一共振频率减小到30 MHz左右。
图5：1.6 m鞭形天线阻抗 图6：元件1的传输线埋设前后反射系数的比较。
- 双鞭天线设计
从图4了解到、元件2将所有馈电电流反映为150 MHz以下的频率，部分反映的是150 MHz以上的馈电电流。从图6得知元件1的第一共振频率已降至30 MHz左右。在上述单元设计分析的基础上，我们将两个元素并行连接在排列中，如图1(A)所示。实际天线可如图7所示。在图7中，地面顶部分别显示两条黑白涂层的嵌入式传输线，单极底部采用两个象牙白色塑料固定部件。 连接地下的方形金属基座。最后，我们把后两个匹配网络进入方形金属基座。在两个嵌入式传输线的连接点，当低频信号出现时，它将被元件2所反映，并主要流向元件1。图8显示了测量反射系数的比较，其中虚线代表1.6米高的鞭子天线，没有嵌入传输线，三角形固体线。。。 对于0.3 m高的鞭子天线，不需嵌入传输线和实线，则为双鞭天线，具有两根嵌入式匹配传输线。通过比较，我们可以看出，简单地使用无损传输线进行粗匹配，在30-520 mhz波段采样的频率中，超过50%的驻波比小于2，超过75%的频率驻波比小于3。
图7.双鞭天线
图8.匹配传输线前后测量反射系数的比较
目前，采用两条无损嵌入式传输线的双鞭天线可以工作在30 MHz到520 MHz之间。但如图8.所示。匹配结果尚不能满足实际工程需要，例如驻波比小于2尤其是在较低频率下。为了进一步提高双鞭天线的阻抗匹配性能，增加了两个集总分布的混合匹配网络在联合端口下面，如图1(A）所示，并在下一节进行分析。
图9。作为频率函数的47 pF单片陶瓷电容器阻抗的绝对值。
- 宽带匹配的进一步改进
传统的宽带匹配方法通常采用集总元件加载，不受频率影响。因此，该方法可以将阻抗的实数部分匹配到50欧姆，虚部匹配到零，并配以多个LC匹配网络。然而，这种传统方法忽略了集总分量的频率可变性，这在实际设计中确实存在，并且会导致增益较低，匹配带宽较窄。参考文献[7]表明这个现象。例1-4在[7.p.19]表明实际电容器的电容频率范围从直流到几百兆赫严格遵守。然而，当频率进一步增加时，电容就不会遵守。对于一个真正的感应器，例如1-5，在[7]中，p.。25)情况是一样的。用网络分析仪E5071C对国产47 PF单片陶瓷电容器进行了测量，得到了其电容阻抗。给出了该电容器阻抗的绝对值随频率的变化。在图9中，.当频率增加到100 MHz左右时，测试电容将不遵守。
考虑到VHF/UHF频段集总和直流电子元器件的上述特性，传统的匹配方法在整个工作波段都不能有效。因此，本文设计了两种匹配网络，分别工作在30~120 MHz和120~520 MHz。对于30-120兆赫匹配网络，集总分量的阻抗特性尚未改变，如图9所示，实现了一种传统的集总匹配网络。在120~520 MHz的频率范围内，实现了一种有效的集总分布混合匹配方法。两个匹配网络的拓扑结构如图10所示。10(a)是30~120 MHz范围内的宽带集总匹配网络，它与传统匹配网络具有相同的原理。图10(a)是30~120 MHz范围内的宽带集总匹配网络，它与传统匹配网络具有相同的原理。图10(b)给出建议的“集总分布匹配”PCB布局范围为120-520兆赫。它由六个部分组成：1和3分布电容；2是一个三阶阶梯阻抗变换器，与1组成一个并行多级阻抗匹配电路。该匹配电路作为集总元件的多级阻尼网络，能有效地抑制低频天线阻抗的波动，4是一种LC低频滤波器。 该电路可以滤除频率低于120 MHz的部分输入信号，5是阻塞电容，6是输入和输出端口的50欧姆匹配电阻。“集总分布混合匹配”方法至少具有以下优点：(1)无损匹配提高系统效率；(2)采用分布式组件实现宽带。 (3)简单的匹配网络结构可以避免复杂集总匹配电路产生的电磁兼容性问题； (4)平面微带结构的匹配网络易于等角设
图10.匹配网络的拓扑结构，(a)30-120 MHz宽带匹配网络，(b)120~520 MHz宽带匹配网络。
两个匹配网络都打印在微带板上，其介电常数为2.2，厚度为1mm。表一显示了30-120 mhz匹配网络中集总电子元器件的值，而表二显示了在120-520 mhz“集总”下的分布式电子元器件的尺寸和值。
天线结构的最终测量结果如图11-13所示。在馈送端口的反射系数如图11所示。进一步与“集总分布混合网络”匹配后，在整个带宽范围内的反射系数一般小于10dB。最后给出了图12中所示双鞭天线水平增益的测试结果。在频率为45，170，330，500 mhz时，E面和H面的辐射模式如图13所示。
表一：30-120 MHz匹配网络中元素的取值
表二：120~520 MHz匹配网络中元素的取值
图11.测量了双鞭天线的反射系数，(a)30-120 MHz，(b)120-520 MHz.
四：结论
本文提出了一种具有两种无损匹配方法的甚高频/超高频双鞭天线。该天线系统具有如下优点。首先，它体积很小，便于车辆隐藏。在最小工作频率下两个鞭形天线的电长度分别是0.16和0.03。第二，它有一个非常宽的操作范围，包括VHF和UHF波段从30到520 MHz，其测量的驻波比小于2。第三，与其他有损匹配方法相比，我们的无损耗匹配方法在操作频带内的水平增益相对较高，在4.2~6.8 分贝之间。
该天线具有增益高、频带宽、反射率低等特点，可广泛应用于车载、船舶、民用移动通信等领域。
图12.测量双鞭天线的地平线增益。
图13.测量了不同频率的双鞭天线的辐射方向图，(a)45兆赫，(b)170兆赫，(c)330兆赫，(d)500兆赫。
参考文献
- S. D. Rogers, C. M. Butler, and A. Q. Martin, “Design and realization of GA-optimized wire monopole and matching network with 20:1 band-width,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 51, no. 3, pp. 493–502, Mar. 2003.
-
K. Yegin and A. Q. Martin, “Very broadband loaded monopole
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