小型宽带短波对数周期天线的设计

小型宽带短波对数周期天线的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ()第 52 卷 第 1 期Vol . 52 No . 1 理学版 武汉大学学报 ( )J . Wuha n U niv. Nat . Sci . Ed. 2006 年 2 月 Feb. 2006 ,124,128 () 文章编号 :167128836 20060120124205 小型宽带短波对数周期天线的设计 † 刘熠志 , 高火涛, 张小林 ()武汉大学 电子信息学院 , 湖北 武汉 430072 () 摘 要 : 利用对数周期天线 L PDA设计的基本理论和电磁场数值方法 ,详细分析了 L PDA 各参数与电性能 之间的关系 . 针对传统方法设计 L PDA 纵向长度大和频带超过 10 个倍频程后次激励区明显破坏其宽带性能的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,采用增大 L PDA 张角的方法来缩短纵向长度 ,提出了两种抑制次激励区的方法 ,同时寻找最佳的结构参数优化 L PDA 的性能 . 结合 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实际要求设计了一副 1 . 5,30 M Hz 的大张角 L PDA . 计算机模拟结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 :该天线在 20? 1的超宽频带内驻波比小 、方向图不分裂 ,纵向长度比传统方法设计的 L PDA 缩短一半以上 . 关 键 词 : 矩量法 ; 对数周期天线 ; 短波 ; 小型化 中图分类号 : TN 82 文献标识码 : A L N ( )= 1 S (α)2t a n 0 引 言 式中 , S 为天线顶点 o 至最长振子之间的距离即天 短波通信通常是指利用频率为 1 . 5, 30 M Hz 线的纵向长度 , LN 为最长振子的总长 ,一般由最低 ( ) 的电磁波进行无线电通信 ,也称为高频 H F无线电 () 工作频率决定 . 由 1式可得 :天线张角增大 ,天线纵 通信. 它主要利用电离层反射 ,不需任何中继 ,适合 向长度可 以 大大 缩短 . 因 此 , 本 文 采 用 增 大 L PDA 进行中 、远距离通信 . 短 波通 信 与其 他通 信 方式 相 的张角的方法来缩短其纵向长度 ,为预测大张角情 比 ,有如下突出特点 :建设周期短 、抗毁能力强 、维持 况下 ,L PDA 的方向图 、增益等电特性的变化 ,先利 (费用低. 对数周期天线 lo g2p erio dic dipole a nt e nna , 用矩量法详细分析了 L PDA 各参数与电性能之间 ) 缩写 L PDA作为一种结构简单 、性能良好的超宽带的关系 ,然后优化设计了一副频带为 1 . 5,30 M Hz 天线 ,非常适用于短波通信并且可以利用一副对数 的大张角 L PDA . 在设计工程中 ,提出了两种抑制激 周期天线覆盖整个短波波段. 励区的方 法 . 计 算机 模拟 结 果 表 明 , 设 计 的 L PDA 目前设计 L PDA 大都是采用传统方法 ,即通过 在整个工作频带内方向图不分裂 、驻波比性能良好 查找相应的图表来找出最佳的天线参数 ,然后再利 [ 1,5 ] 且增益较高 ,天线的纵向尺寸只有 129 m 远小于传 用电磁场数值方法分析天线电性能. 这样设计 统小张角的 L PDA .( ) 出来的 L PDA 的半 张 角都 较小 ?10?, 虽 然在 很 宽的频带内可以获得几乎不变的阻抗 、增益和方向 图 ,但是天线的纵向尺寸很大 ,往往限制了它的实际 [ 6,8 ] 应用,例如工作在整个短波波段的对数周期天 线 ,如果以 10?为半张角 ,则天线的纵向长度至少为 270 m. 另外 ,当 L PDA 的带宽超过 10 个倍频时 ,次 激励区会明显破坏其宽带性能. 为了设计超宽带的 L PDA ,必须寻找抑制次激励区的方法 . 如图 1 所示 ,对数周期天线的纵向长度 S 与张 α 角 2有下列关系 :图 1 对数周期天线的结构示意图 收稿日期 : 2005206206 † 通讯联系人 E2mail : gao ght 863 @163 . co m ( )基金项目 : 国家“863”计划资助项目 2001 A A631050 ( ) 作者简介 : 刘熠志 19822,男 ,硕士生 ,现从事天线理论与设计 、电磁场理论及工程应用研究. 电流矩阵 . 由于振子阵网络和集合线网络并联 , 因此有 1 天线结构和基本原理 ( )8 U A = UL 和 IA + IL = I 如图 1 所示 ,对数周期天线由 N 根平行排列的式中 I 为 L PDA 的激励电流向量 , 因已知 , 则 IL = ( 偶极子构成 ,它们都连接在一对双线传输线 即集合 YZI= I - I, 即L A A A - 1 ) 线上 ,馈源接在最短振子一端 ,相邻两振子交叉馈 I= [ YZ+ U ] I( )A L A 9 电 ,为了减小电磁波在终端的反射以改善天线在低 其中 U 为 N 阶单位矩阵. Y为集合线导纳矩阵 , 可L [ 10 ] 频段的电特性 ,可在最长振子端接一短路支节或匹 以由传输线理论求出. Z为阻抗矩阵 , 可以用分 A [ 11 , 12 ] τ 配负载. L PDA 有 3 个 重 要 的 结 构 参 数 : 周 期 率 段正弦基伽辽金法求得. ( ) α() σ即比例因子、间距因子、张角 2即结构角,只 为了验证本文所用分析方法的正确性 , 首先分 [ 6 , 12 ] 要知道其中的任意 2 个就可以确定 天线 的 几何 结 τσ析一个 典 型 L PDA , 其 参 数 为 := 0 . 917 、= 构 ,它们的定义如下 : α 0 . 169 、2= 14?、振子数目 N = 18 、工作频带为 f = R L d a p p p p Ω200,600 M Hz 、集合线特性阻抗 Z= 83 、终端负 C τ ( )= = = = 2 R L d a p +1 p +1 p +1 p +1 Ω载 Z= 83 、L = 0 . 75 m 、振子的 长 度直 径比 为T 18 L p 250 . 天线的输入阻抗 Z和增益 G 的计算结果与文 α ( )in ( )= a rct a n 3 2 R p献给出的值进行比较如表 1 所示 . d pσ ( )=4 由表 1 可以看出 , 计算的输入阻抗和增益与文 2 L p +1 献值具有较高的一致性 . 可见 , 本文所用的分析方法 τσα、和有下面的关系 : 是正确的 . τ1 - α ( )( )= a rct a n 5 表 1 单个 L PDA 增益与输入阻抗比较表 σ4 式中 L 是第 p 根振子的长度 , R 是第 p 根振子到p p ΩZ/ G/ dB in f / M Hz 天线虚顶点 o 的距离 , d 是第 p 和 p + 1 根振子间 p [ 6 ,12 ] [ 6 ,12 ] 文献值计算值文献值 计算值 的距离 , a是第 p 根振子的半径.p 150 89 + j20 88 . 0 + j12 . 7 5 . 54 5 . 68 对某一工作频率而言 , 按照组成 L PDA 的各个200 69 - j7 74 . 45 - j7 . 2 8 . 75 8 . 97 振子所起作用的不同 , 可以将它们划分成 3 个区 :传 300 72 - j4 73 . 99 - j2 . 95 9 . 43 9 . 57 [ 9 , 10 ] 450 76 - j6 76 . 34 - j5 . 41 9 . 51 9 . 60 输区 、激励区和未激励区. 当激励区的振子和集 600 78 - j11 79 . 08 - j9 . 06 9 . 37 9 . 39 合线充分耦合时 , 沿集合线传输的能量大部分被激 励区转化成对外传播的电磁波 . 不然 , 泄漏到未激励 ( λλ) 区的能量将会激发高次模 3/ 2 、5/ 2 等的振子谐 2 设计方法 振 , 形成几个次激励区 , 对于带宽超过 10 ?1 的 L P2 L PDA 的传统设计方法是通过查找相应的图表 DA 它们的影响很大 , 会明显地破坏天线的周期性 . 来寻找最优的天线参数 ,这样设计出来的 L PDA 的 要减小它们的影响 , 必须选择合理的天线参数来增 ( ) 半张角都较小 ?10?,虽然在很宽的频带内可以获 强集合线与激励区的耦合或者削弱集合线与次激励 得几乎不变的阻抗 、增益和方向图 ,但是天线的纵向 区的耦合 . 具体的处理方法将在后面天线设计部分 尺寸很大 ,往往限制了它的实际应用. 另外当 L PDA 详细讨论 . 的带宽超过 10 个倍频程后 ,次激励区会明显破坏天 本文结合 等 效 电 路 理 论 和 矩 量 法 来 分 析 L P2 线的宽带性能 . 本文通过大量的数值计算和分析 ,详 DA ,将 L PDA 看成是两部分的并联 :振子阵部分和 细研究了 L PDA 的结构参数 、带宽与天线性能之间 馈电 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 部分 . 分别把这两部分看作 N 端口无源网 [ 10 , 11 ] 的关系 ,发现 了 下面 几条 规 律 , 为 小 型 宽 带 L PDA 络. 的设计提供了一种新的方法. 振子阵网络的电流 、电压关系为 : - 1 ( )) τταU = ZI或 I= ZU6 1每个对应几个局部最优的半张角,大于 某个 A A A A A A 集合线网络的电流 、电压关系为 :值时它所对应的局部最优半张 角 的个 数将 增 加 ; ( )τα τ7 不同的相应局部最优半张角随值的增大 I= YUL L L 式中 U= U为各振子端口的电压矩阵 , I为流经( ) () τA L A . 这一现象如图 2 所示 . 图 2 a、b分别是 而减小 振子各端口的电流矩阵 , I为流经集合线各端口的L = 0 . 875 和 0 . 91 , 频率 f = 20 M Hz 时 ,L PDA 的增 ( )武汉大学学报 理学版第 52 卷 126 α . 这 里 令 所 有 振 子 的 半 径 为 2 mm. 图 3副瓣增 大 益 G 随半张 角的 变 化 示 意 图. 天 线 的 其 他 参 数 是 :工作频带 1. 5,30 M Hz 、振子的长度直径比 500 、 () ( ) ταa、b分别是参数= 0 . 875 、= 32?的 L PDA 在 频λλ最长振子 L = 0. 54 、最短振子 L = 0. 35 、 Zmax max min min C 率 f = 28 M Hz 时的电流分布图和电场方向图 . 图 Ωτ= Z= 100 . 从图 2 可以看出 :当= 0. 875 时 ,几T () ( ) 3 a说明次激励区确实存在 ,从图 3 b可以看出 天τ个局部最优的半张角大致是 11?、19?和 32?;= 0. 91 线的方向图变差了 , E 面方向图有点分裂 ,副瓣比 较时 ,局部最优的半张角分别是 7. 5?、11?、15?和 22?. 其 τ大. 可以通过增大,增加主激励区振子的个数 ,减 τ实 ,每个对应的局部最优张角中的最小值就是很多 文献提供的设计图表上的最佳设计值 ,它们往往小于 () 少能量的泄漏 ,从而抑制次激励区的影响 ,如图 4 a、 ( ) τα b所示 ,它们分别是参数= 0. 91 、= 22?的 L PDA 10?. 从图 2 还可以看出张角增大 ,增益有所降低. 在频率 f = 28 M Hz 时的电流分布图和电场方向图.) 2当 L PDA 带宽很大尤其是大于 10 个倍频程 ) 3增大集合线的特性阻抗也可以削弱次激励 时 ,在高频段将出现 2 个或 2 个以上的次激励区 ,它 区的影响 ,从而避免方向图主瓣分裂 、改善天线的宽 们会破坏 L PDA 的周期性 , 严重时会使主瓣分裂 、 带 性能 . 但是增大集合线的特性阻抗会降低天线的 α图 2 f = 20 M Hz 时 ,L PDA 的增益 G 随半张角变化的示意图 τα图 3 = 0 . 875 ,= 32?的 L PDA 在 f = 28 M Hz 时的电流分布和电场方向图 τα图 4 = 0 . 91 ,= 22?的 L PDA 在 f = 28 M Hz 时的电流分布和电场方向图 增益 、增大天线的输 入阻 抗 , 有 可能 导致 阻 抗不 匹 配 ,这时可以加一个阻抗变换器使天线匹配. ) 4减小振子的长度与直径之比可以增大天线 的增益. 理论上 , 振子长 度与 其 直径 之比 应 等于 常 数 ,以保证并联振子的平均特性阻抗相同 ,有利于展 宽天线带宽 . 但实际加工时 ,振子直径通常采用一种 或者有限的几种规格 ,这时天线的性能会有所降低 . ) 5实验表明 ,在 L PDA 的最短振子前或最长振 子后各增加 1 到 2 个振子 ,能够分别改善 L PDA 的 图 5 增益计算值 高频和低频性能. 不过 ,这将增加天线成本 ,在实际 工程中应综合考虑. 3 工程应用 本文设计的 L PDA 要求频带为 1 . 5,30 M Hz , 增益大于 6 dB ,天线的纵向长度小于 140 m ,所有振 子的半径均为 2 mm. 根据 L PDA 的纵向长度 ,确定 ( ) 天线的半 张 角 ?20?. 利 用 以 上 小 型 宽 带 L PDA τ 的分析与设计方法 ,最终确定天线参数为 := 0 . 91 ,图 6 驻波比计算值 αλ = 22?,最长振子 L = 0 . 54 ,最短振子 L =max max min ( ( ) ) λΩ 的平均增益高 ?7 . 5、驻波比小 ?1 . 5. 0 . 35 , Z= Z= 100 , 馈 线 的 特 性 阻 抗 取 75min C T 图 7 是 3 个典型频率 f = 1 . 5 M Hz 、20 M Hz 和Ω 、振子单元个数为 37 、纵向长度为 129 m . 30 M Hz 上天线的方向图 ,由图可以看出天线的方 天线增益和驻波比计算值分别如图 5 和图 6 所 向性好 ,方向图主瓣不分裂 ,副瓣较小 . 示 ,在 1 . 5,30 M Hz 的频带内增益和驻波比随频率 综合以上的计算结果可知 : 本文设计的 L PDA呈周期性起伏变化并且变化比较平稳 ,显示天线具 性能良好 ,达到了工程设计要求 .有 良 好的 宽 带性 能 . 从 图 5 和图 6 还 可以 看 出 天 线 ()图 7 电场方向图 实线 E 面 ,虚线 H 面 寻找一组最优的天线结构参数来改善天线性能 ,本 文在大量数值计算的基础上得出了一些用于指导优 4 结 论 化天线的结论. 当 L PDA 的带宽超过 10 个倍频程 后 ,次激励区会明显破坏天线的宽带性能 ,本文通过 传统方法设计的 L PDA 张角 小 , 纵 向尺 寸大 , 往往限制了它的实际应用 ,本文通过增大 L PDA 的 大量的对比分析 ,提出了两种抑制次激励区的方法 . 张角大大缩短了 L PDA 的纵向尺寸 ,这在天线尺寸 基于这些设计思想 ,结合工程实际要求 ,本文设 计了一副 1. 5,30 M Hz 的大张角对数周期天线. 计 受到限制的情况下 ,具有重要的实用意义 . 但是增大 算机模拟结果表明 : 该天线在 20?1的超宽频带内驻 L PDA 的张角必然要引起天线性能恶化 ,可以通过 ( )武汉大学学报 理学版第 52 卷 128 tio n of L a r ge A ngle a nd Broadba nd L PDA [ J ] . S a f et y 波比小 、方向图不分裂 ,纵向长度比小张角的对数周 () ( ) & Emc ,2005 , 1:12214 Ch. 期天线缩短一半以上 ,实现了天线的小型化和超宽 [ 8 ] 高火涛 ,扬子杰 ,李 杰 ,等 . 岸基远程高频表面波雷 带. 达小型宽带天 线 系 统 的 设 计 [ J ] . 电 子 与 信 息 学 报 , () 2004 ,26 1:1122117 . 参考文献 : Gao H uo tao , Yang Zijie ,L i J ie , et al . Design of a Small Ca r rel R L . The De sign of Lo g2Perio dic A ntenna s [J ] . [ 1 ] Broadba nd A r ray System fo r High2Frequency Surf ace I R E I nt Conv Rec ,1961 ,A P21 :61275 . Wave Rada r [ J ] . J ou rnal o f El ect ronics & I n f orm a2 Peixeiro C. De sign of Lo g2perio dic Dipole [ 2 ] A ntenna s () ( ) t i on Tec hnol o g y ,2004 ,26 1:1122117 Ch. () [J ] . I E E P rocee d i n g ,1988 ,135 2:982102 . [ 9 ] 朱崇灿 ,黄景熙 ,鲁 述 . 天线 [ M ] . 武汉 :武汉大学出 Vito G D , St racca G B . Co mment s o n t he De sign of [ 3 ] 版社 ,1995 . Lo g2Perio dic Dipole A nt enna s [ J ] . I E E E T ra ns act i ons Zhu Cho ngca n , H uang J i ngxi ,L u Shu. A nten n as [ M ] . 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Co mp ut e r si mulatio n s reveal t hat a mo ng t he 20?1 ult ra2 wi de f reque ncy ra nge V SW R i s small ,a nt e nna p at t er n doe sn’t sp lit a nd t he lo gnit udi nal le ngt h i s le ss t ha n half of t he t ra ditio nal small a ngle L PDA . Key words : met ho d of mo me nt s ; lo g2p erio dic dipole a nt e nna ; H F ; mi niat urizatio n