CN106887679B - 一种可重构短波回线天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可重构短波回线天线，涉及短波天线领域，天线主体由4块导体面组成一个矩形环状结构，导体面包含短路端面、长窄面、长宽面和馈电面，长窄面与长宽面两两相对，在长窄面和长宽面上加载弯折导带，且弯折导带在长窄面和长宽面之间左右交错排布，在不同工作频率时利用开关控制与天线主体连接的弯折导带的位置和数量，本发明由于采用在天线左右两侧长导体面上加载弯折导带的方案，改变天线上电流分布，并用可重构技术中的控制开关进行调节，提高低频段天线输入阻抗实部，提高与馈源匹配效率，实现匹配后系统总辐射效率和增益的提高，同时，天线上电流分布灵活可控，工作频段可进一步展宽。

Description

一种可重构短波回线天线

技术领域

本发明涉及短波天线领域，尤其是一种短波回线天线。

背景技术

短波无线电系统以其探测距离远、抗毁性强、无需中继等优点被广泛应用于通信、雷达、电磁环境监测、海态遥感、广播等领域，在进行远距离无线电通信时，特别是在没有条件建立稳定的中继站的情况下，短波通信显得尤为重要。随着无线通信设备的高性能、小型化、智能化发展，对通信天线的性能要求更加严苛，短波天线作为短波通信系统信号的转换器，其性能影响着整个通信系统性能的优劣，因此对短波天线性能进行改善有很大的应用价值。

一般具有优良辐射性能的天线，尺寸应与其工作频段波长相比拟，短波天线工作频段为2-30MHz，波长较长，限制天线的尺寸不能过小。而现今应用于飞机、车辆等平台的天线的越来越多要求小尺寸，这就导致传统的短波天线存在效率低的缺点，限制了他们的广泛使用。

回线天线作为常用的短波天线体现出多方面优势，但是其尺寸相对于短波波长较小，尤其在低频段，输入阻抗实部较小，不利于与馈源匹配，总辐射效率很低。例如，郭陈江、丁君、许家栋等在《机载隐蔽式短波天线研究》中采用位于飞机垂尾前缘的回线天线，天线低频阻抗很小，不利于调谐系统调谐，经过对天线调谐特性的测试得出，该天线在2MHz附近不能调谐，而且调谐时间长，存在个别频率点上驻波比大于2的情况。王乃志、李建周、许家栋在《机载隐蔽式短波天线设计》中设计的短波回线天线在2-10MHz频段内输入阻抗实部均小于1Ω，与调谐系统匹配效率低，天线总辐射效率和增益较低。因此在设计短波天线时，在一定尺寸范围内实现优良的性能成为了研究的重点方向。

可重构天线技术通过可重构手段改变天线的电流分布达到重构天线性能的目的，可以得到频率可重构、方向图可重构、极化可重构和多电磁参数可重构的天线，通过切换天线不同的状态可以使天线具有不同的电特性，正因为如此，可重构天线技术将成为未来通信发展的主要方向之一。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种可重构短波回线天线，在尺寸不变的情况下，实现对短波回线天线性能的提升，本发明针对普通短波回线天线的缺点，利用可重构天线技术，研究通过简单的加载结构提高短波回线天线的性能。

本发明的可重构短波回线天线，天线主体由4块导体面组成一个矩形环状结构，4块导体面包含短路端面、长窄面、长宽面和馈电面，，短路端面位于顶部，短路端面为一个梯形，馈电面位于底部，在馈电面使用特性阻抗为50Ω的同轴线激励馈电，长窄面与长宽面两两相对，在长窄面和长宽面上加载弯折导带，且弯折导带在长窄面和长宽面之间左右交错排布，弯折导带的厚度为0.1mm，在不同工作频率时利用开关控制与天线主体连接的弯折导带的位置和数量，从而改变天线上电流分布，达到重构天线电性能的效果。

本发明的有益效果在于由于采用在天线左右两侧长导体面上加载弯折导带的方案，改变天线上电流分布，并用可重构技术中的控制开关进行调节，提高低频段天线输入阻抗实部，提高与馈源匹配效率，实现匹配后系统总辐射效率和增益的提高，同时，天线上电流分布灵活可控，工作频段可进一步展宽。

附图说明

图1是本发明短波回线天线主体模型示意图。

图2是本发明加载弯折导带和开关的结构示意图。

图3是本发明中弯折导带中相邻导带单元的尺寸示意图。

图中，1-短路面，2-长窄面，3-长宽面，4-馈电面，5-同轴馈电端口，6-控制开关，7-导带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

回线天线如同一个不平衡传输线，按奇偶模分解其电流：奇模，两并列振子上的电流反向，与双线传输线相同，称为传输线模，不参与辐射；偶模，两并列振子上的电流同向，如同一幅振子天线，称为天线模，进行辐射，通过开关调节加载导带改变等效电长度使得天线奇模(传输线模)电流接近开路状态，偶模(天线模)电流相对增大进行辐射，既改善输入阻抗又提升辐射效率。

本发明所设计的加载弯折导带的影响因素主要有：导带的形状、导带的位置、导带的间距和导带的数量，各影响因素的优化分析如下：

导带的形状为首要影响因素，短波回线天线由四部分导体面组成，要在低频段增加天线电长度提高输入阻抗实部，需要加载导带达到一定数量，因此选择在两边较长的导体面上加载导带，同时天线高度有限，导带数量不能过多，所以导带选择长度接近天线长度的矩形，实验结果显示，矩形导带宽度越宽，对天线电长度增加越明显，因此导带宽度与天线窄面宽度一致，最终导带形状确定为具有一定间隙的弯折矩形长导带。

导带的位置是第二影响因素，加载矩形弯折导带主要影响传输线模，在接近馈电面加载导带对传输线输入阻抗影响更显著，选择在馈电面处依次加载矩形弯折导带，可以减少导带数量，简化控制开关数量同时减轻天线总体重量。

导带的间距是第三影响因素，左右相邻两弯折矩形导带相当于平板传输线的一小段，两者之间的距离影响传输线特性阻抗，减小导带间距，加载导带对传输线输入阻抗的改变更大，减少导带数量，但间距过小又会导致耦合效应，且开关控制电长度变化精度不够，不能在整个工作频段达到优良性能，在确定导带间距这一影响因素时，需保证导带的形状和加载位置不变，在HFSS等电磁仿真软件中，通过改变导带间距，观察天线的各项性能指标，据此确定出最佳导带间距。

导带的数量是第四影响因素，导带的数量不宜过多，需要控制天线总体重量并简化控制系统，在上述三个影响因素确定后，需要通过仿真确定天线工作在最低频率2MHz时，使传输线模接近开路状态的导带个数。

一种可重构短波回线天线，天线主体由4块导体面组成一个矩形环状结构，4块导体面包含短路端面(1)、长窄面(2)、长宽面(3)和馈电面(4)，短路端面位于顶部，短路端面为一个梯形，馈电面位于底部，馈电面使用特性阻抗为50Ω的同轴线激励馈电(5)，长窄面与长宽面两两相对，在长窄面和长宽面上加载弯折导带(7)，且导带在长窄面和长宽面之间左右交错排布，导带厚度为0.1mm，在不同工作频率时利用开关控制与天线主体连接的导带位置和数量，改变天线上电流分布，达到重构天线电性能的效果。

本发明的短波回线天线两长边导体面上加载矩形弯折导带，经过仿真优化，最佳方案如图2和图3所示，长宽面的长度为300cm，长宽面的宽度为40cm，长窄面的宽度为12cm，长宽面和长窄面之间的间距为40cm，弯折导带左右各29个，最底端弯折导带与馈电面距离为30mm，弯折导带的间距为8mm且左右交错排布，弯折导带长380mm，宽12mm，弯折间隙10mm，29个控制开关(6)位于长宽面上的弯折导带与长宽面之间。

如图1所示，普通的回线天线近似等效于一个终端短路的有耗传输线，天线在低频段阻抗实部很小导致效率低下。

根据一般短波回线天线结构，选择方案为在回线天线长窄面和长宽面上加载矩形弯折导带，改变天线电长度，在不同工作频率，利用控制开关改变加载导带的位置和数量达到调节输入阻抗增大效率的目的，实现天线频率可重构。

本发明所设计的加载弯折导带的结构适用于在短波天线上各种形式的加载，下面以在短波回线天线上加载矩形弯折导带为例，如图2所示对本发明所涉及技术进行说明。

本发明所设计的在短波回线天线上加载弯折导带的结构，在短波回线天线两长边导体面上依次左右加载弯折导带，使得电流沿导带表面流动，进而改变了天线等效电长度，在不同工作频率下，通过开关控制加载弯折导带的位置和数量，调节电长度到最佳值。

最终天线达到的电性能指标为：低频段2MHz-10MHz，输入阻抗实部10Ω-50Ω，能与馈源达到良好匹配。

天线与L型匹配网络调谐后总辐射效率提升，2MHz时提高到普通回线天线的15.8倍，其它工作频率也有提高；匹配后增益提高，2MH水平方向最大增益比普通回线天线提高12.38dB，最大增益与最小增益差值与普通回线天线一致。

同时天线输入阻抗等电参数可通过控制开关重构，在不同工作频率能灵活改变天线性能，为短波天线智能化和实现复杂功能提供基础技术支撑。

由此可见，本发明的可重构短波回线天线技术，使得天线在低频段的输入阻抗实部提高，辐射效率和增益得到了改善，另一方面，在不提高天线辐射效率的前提下，此发明也为短波天线的小型化提供了优秀的技术方案。

Claims (1)

1.一种可重构短波回线天线，其特征在于：

天线主体由4块导体面组成一个矩形环状结构，4块导体面包含短路端面、长窄面、长宽面和馈电面，短路端面位于顶部，短路端面为一个梯形，馈电面位于底部，在馈电面使用特性阻抗为50Ω的同轴线激励馈电，长窄面与长宽面两两相对，在长窄面和长宽面上加载导带，且导带在长窄面和长宽面之间左右交错排布，其中导带为矩形，交错排布的矩形导带之间的间隙构成弯折间隙，导带的厚度为0.1mm，在不同工作频率时利用开关控制与天线主体连接的导带的位置和数量，从而改变天线上电流分布，达到重构天线电性能的效果。