今日薦文
今日薦文的作者為中國人民解放軍 91290部隊專家尹立， 汪松年， 戴菁。 本篇節選自論文《小型短波寬頻鞭天線研究》， 發表於《中國電子科學研究院學報》第12卷第2期。
摘 要：設計了一副用於天線陣列的5米鞭狀天線， 綜合運用了集中載入和頂負載的方法， 降低了天線阻抗對頻率的敏感程度， 採用矩量法和遺傳演算法對載入網路的數量、位置、載入元件阻值進行優化設計， 實際製作的天線測試結果與模擬結果基本吻合， 測試結果表明天線的駐波比在5~20MHz頻率範圍內小於2.5。
引 言
工程中要求設計一套天線陣列系統， 對單元天線的要求主要有以下幾點：
（1）在工作頻帶(5~20MHz)內， 天線的方向圖基本保持穩定；
（2）儘量簡化天線匹配網路， 保證各單元天線的幅相一致；
（3）天線要有一定的接收效率；
（4）天線結構簡單輕便、可快速裝卸， 可靠、耐用， 高度不超過5m。
在短波波段常用的寬頻天線有籠形天線和錐形天線，
1 集中載入設計
實現鞭天線駐波比寬頻化的一個較為有效的方法就是對天線體進行載入。
常見的無源載入方法有：頂部載入、介質載入、分佈載入、集總元件載入等。 在短波波段， 介質載入和分佈載入難以實現， 採用頂部載入和集總元件載入比較方便。 集總元件載入可採用電阻元件也可採用電抗元件：電抗載入， 天線效率高， 但頻帶窄， 難以滿足4個倍頻程內寬頻的要求；而電阻載入， 雖然天線頻帶寬，
在矩量法中， 激勵區採用δ電壓源時， 外加電場可表示為
Eiz=Vδ(z) (1)
其中：V為激勵電壓。
對於集中載入， 在載入區長度比天線長度小很多的情況下， 可用狄拉克函數來代替載入區及其鄰域中載入阻抗的分佈規律。 天線集中載入阻抗分佈可表示為
Z(z)=Ziδ(z-zi) (2)
式中：Zi為載入處的集總元件阻抗；為載入區中心點位置。
矩量法計算可得到天線的電流分佈進而得到天線的其他輻射參數。
由於單鞭天線在低頻段的輸入阻抗電阻部分很小， 導致匹配困難， 因此考慮在天線的根部進行載入， 單電阻載入對天線的效率影響很大， 因此考慮RLC並聯載入， 其中L=8mH， C=300pF， 採用不同阻值載入後， 天線的駐波比和輻射效率如圖1所示。
圖1 底部載入， 不同阻值時的駐波比和輻射效率
圖2 底部載入200歐姆時天線的輸入阻抗
圖3 採用不同載入方案時天線駐波比
從模擬結果來看，採用底部單載入時，載入的阻值對天線的效率和阻抗特性有影響，載入阻值小，天線的輻射效率總體偏低，綜合駐波比和效率來看，底部載入選取200歐姆左右比較合適。對比載入前後天線的駐波比，可以看到，單載入可明顯增加降低天線在低頻段的駐波比，起到了平滑天線輸入阻抗的作用，但駐波比仍然偏高，從圖2中可以看出，底部載入有效地增加了低頻段的輸入電阻，但對電抗部分的影響很小，整體呈容性，電抗值偏高，因此還必須進一步降低輸入阻抗對頻率的敏感程度。
2 頂負載設計
在鞭狀天線的頂端載入小球、圓盤或輻射葉稱為頂負載，由於頂負載加大了垂直部分頂端對地的分佈電容，頂端將不再是開路，電流也不再為零，其效果相當於在頂端載入了一個電容，可在不增加天線幾何高度的情況下提高天線的有效高度，增大輻射電阻，同時降低了天線的輸入容抗，有效改善天線在低頻段的匹配性能。
文獻表明，二個載入點就可以使7m鞭天線的輸入阻抗在3～30 MHz頻率範圍內大為平滑，通常上載入點為RL並聯載入，下載入點為RLC並聯載入。為了在一根高度為5m、直徑不超過50mm的單鞭上實現駐波比和效率（增益）的寬頻化（5～20MHz），本設計綜合採用集中載入和頂負載載入方案，並採用數值演算法，對天線的載入位置、載入元件值進行了初步的優化設計，採用單載入、單載入頂負載、雙載入頂負載方案時天線駐波比如圖3所示。從圖中可以看出，集中元件載入和頂負載均可有效地平緩天線的輸入阻抗，提高天線的匹配性能，採用雙載入頂負載方案時，天線的駐波比除低頻端外，均滿足設計要求，考慮到低頻段主要是電阻小，電抗大，因此可由匹配電路解決。
3 天線匹配網路設計
圖4 Γ形匹配網路
儘管對天線體進行載入大大平滑了天線的輸入阻抗，但在一根橫向尺寸比波長小得多的直立天線上要實現天線與固定阻抗的饋線的匹配還需要在天線與接收機之間加匹配網路。對於天線陣而言，需要精確控制天線陣各單元天線的幅相關係來實現空間濾波，因此為了提高單元天線的幅相一致性，在設計的過程中，儘量簡化天線的匹配電路，減少非線性器件和相位不穩定的因素。
天饋系統中常用的匹配網路是集總參數網路，為了提高天線的輻射效率，主要是無源的、由電抗元件（L、c）組的T形、Γ形、和Π形網路等，常用的一種阻抗匹配網路是一純電抗結構的Γ形網路，如圖4所示。通常電源端阻抗接近純電阻，為了能與電源端較好的匹配，要求電抗Z1，Z2性質相反。對於無源匹配網路，通常用插入衰減和相移來表示一網路加到電路系統中對負載的影響結果，當Z2為感抗，Z1為容抗時，構成一並聯諧振電路，網路引起相位滯後；當Z2為容抗，Z1為感抗時，構成一串聯諧振電路，網路引起相位超前。可根據實際天線的阻抗特性選擇合適的網路形式，以實現阻抗的最佳匹配。
圖5 5m鞭天線加匹配電路後的輸入阻抗
從圖5中可見，採用匹配電路以後，天線的輸入阻抗實部在120~450歐姆之間，虛部在-130～130歐姆之間起伏，直接與50歐姆的收信機相連則由於阻抗相差太大導致適配，因此還需要增加一級為寬頻傳輸線變壓器，以實現阻抗的變比。傳輸線變壓器的阻抗變換特性是很複雜的，變比並不是固定的4:1，它將隨頻率和負載阻抗的變化而變化。通過調節傳輸線變壓器和天線體的各個參數，使傳輸線變壓器變比的變化規律與天線輸入阻抗的變化規律較好地協調，那麼變換後阻抗的波動程度將大大減小，從而獲得寬頻匹。經優化載入天線的最終設計指標如下：上載入點距天線頂部1m，元件值為R1=300Ω，L1=6μH。下載入點位於天線底部，元件值為R2=250Ω，L2=6μH，C2=300pF，頂負載採用4葉輻射線方案，線長1.5m，傾斜角為45度，天線最終的駐波比如圖6所示。
圖6 優化設計後天線駐波比
測試值與計算值的趨勢基本一致，總體而言，實際測量值比計算值略低，兩者的差別主要是以下因素的影響：
1）匹配器為非線性元件，對駐波比由一定的優化作用；
2）實際測試場地與計算時的理想情況有一定的差別，如地面的電導率，周圍物體的影響等。
測試結果表明天線的駐波比均在2.5以下，達到了設計的指標要求。
結 語
本文設計了一副用於天線陣列的5米短波鞭狀天線，綜合運用了集中載入方法和頂負載的方法來展寬天線的工作頻帶，採用矩量法和遺傳演算法對載入網路的數量、位置、載入元件阻值進行了優化設計，實際製作的天線測試結果表明天線的駐波比在5~20MHz頻率範圍內小於2.5，天線整體體積小、架設方便，匹配電路非常簡單，適合於組陣使用。
（參考文獻略）
《 召 集 令 》
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圖2 底部載入200歐姆時天線的輸入阻抗
圖3 採用不同載入方案時天線駐波比
從模擬結果來看，採用底部單載入時，載入的阻值對天線的效率和阻抗特性有影響，載入阻值小，天線的輻射效率總體偏低，綜合駐波比和效率來看，底部載入選取200歐姆左右比較合適。對比載入前後天線的駐波比，可以看到，單載入可明顯增加降低天線在低頻段的駐波比，起到了平滑天線輸入阻抗的作用，但駐波比仍然偏高，從圖2中可以看出，底部載入有效地增加了低頻段的輸入電阻，但對電抗部分的影響很小，整體呈容性，電抗值偏高，因此還必須進一步降低輸入阻抗對頻率的敏感程度。
2 頂負載設計
在鞭狀天線的頂端載入小球、圓盤或輻射葉稱為頂負載，由於頂負載加大了垂直部分頂端對地的分佈電容，頂端將不再是開路，電流也不再為零，其效果相當於在頂端載入了一個電容，可在不增加天線幾何高度的情況下提高天線的有效高度，增大輻射電阻，同時降低了天線的輸入容抗，有效改善天線在低頻段的匹配性能。
文獻表明，二個載入點就可以使7m鞭天線的輸入阻抗在3～30 MHz頻率範圍內大為平滑，通常上載入點為RL並聯載入，下載入點為RLC並聯載入。為了在一根高度為5m、直徑不超過50mm的單鞭上實現駐波比和效率（增益）的寬頻化（5～20MHz），本設計綜合採用集中載入和頂負載載入方案，並採用數值演算法，對天線的載入位置、載入元件值進行了初步的優化設計，採用單載入、單載入頂負載、雙載入頂負載方案時天線駐波比如圖3所示。從圖中可以看出，集中元件載入和頂負載均可有效地平緩天線的輸入阻抗，提高天線的匹配性能，採用雙載入頂負載方案時，天線的駐波比除低頻端外，均滿足設計要求，考慮到低頻段主要是電阻小，電抗大，因此可由匹配電路解決。
3 天線匹配網路設計
圖4 Γ形匹配網路
儘管對天線體進行載入大大平滑了天線的輸入阻抗，但在一根橫向尺寸比波長小得多的直立天線上要實現天線與固定阻抗的饋線的匹配還需要在天線與接收機之間加匹配網路。對於天線陣而言，需要精確控制天線陣各單元天線的幅相關係來實現空間濾波，因此為了提高單元天線的幅相一致性，在設計的過程中，儘量簡化天線的匹配電路，減少非線性器件和相位不穩定的因素。
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圖5 5m鞭天線加匹配電路後的輸入阻抗
從圖5中可見，採用匹配電路以後，天線的輸入阻抗實部在120~450歐姆之間，虛部在-130～130歐姆之間起伏，直接與50歐姆的收信機相連則由於阻抗相差太大導致適配，因此還需要增加一級為寬頻傳輸線變壓器，以實現阻抗的變比。傳輸線變壓器的阻抗變換特性是很複雜的，變比並不是固定的4:1，它將隨頻率和負載阻抗的變化而變化。通過調節傳輸線變壓器和天線體的各個參數，使傳輸線變壓器變比的變化規律與天線輸入阻抗的變化規律較好地協調，那麼變換後阻抗的波動程度將大大減小，從而獲得寬頻匹。經優化載入天線的最終設計指標如下：上載入點距天線頂部1m，元件值為R1=300Ω，L1=6μH。下載入點位於天線底部，元件值為R2=250Ω，L2=6μH，C2=300pF，頂負載採用4葉輻射線方案，線長1.5m，傾斜角為45度，天線最終的駐波比如圖6所示。
圖6 優化設計後天線駐波比
測試值與計算值的趨勢基本一致，總體而言，實際測量值比計算值略低，兩者的差別主要是以下因素的影響：
1）匹配器為非線性元件，對駐波比由一定的優化作用；
2）實際測試場地與計算時的理想情況有一定的差別，如地面的電導率，周圍物體的影響等。
測試結果表明天線的駐波比均在2.5以下，達到了設計的指標要求。
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本文設計了一副用於天線陣列的5米短波鞭狀天線，綜合運用了集中載入方法和頂負載的方法來展寬天線的工作頻帶，採用矩量法和遺傳演算法對載入網路的數量、位置、載入元件阻值進行了優化設計，實際製作的天線測試結果表明天線的駐波比在5~20MHz頻率範圍內小於2.5，天線整體體積小、架設方便，匹配電路非常簡單，適合於組陣使用。
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