宽带短波环形天线项目设计方案

1 宽带短波环形天线 项目设计方案 第一章 课题研究的背景及意义 带短波环形天线的研究背景 近几十年来，科学技术的飞速发展和人们生活日益现代化与社会化，对电子技术的应用提出了更高的要求。例如电视、广播、通信等业务，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且还要求设备宽带化、共用化。因此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为天线学科研究领域中的一个重要分支。 在现代通信技术中，为了实现保密通信，消除干扰，将广泛应用多频段、多功能电台和宽带跳频电台，跳频速率越来越高，跳 频范围也越来越宽。原有的窄带天线已无法满足要求，即使可调谐天线也无法满足快速的跳频速率。同时，在移动平台，狭小的空间内若密布多副天线，相互之间的干扰较为严重，影响通信质量，这也要求研制的天线能覆盖很宽的频段，有的甚至达到十几个倍频以上，使多个电台共用一副天线来减少天线数量，并且要求天线效率高，损耗小，能承受较大的发射功率等特点，从而保证通信质量。在这种背景下，天线的宽带化和小型化就成为天线研究中的一个重要课题，特别是工作在短波波段上的天线，由于工作频率低，天线的工作波长都比较长， 天线的物理尺寸都比较小，而且 采用环形集总加载的方法是比较方便和容易实现的 ，从而研发性能优良的宽带短波环形天线成为工程实现中亟待解决关键技术。 题研究的意义 波通信 短波通信是历史最为久远的无线电通信。它是战略通信网的重要组成部分。 2 短波通信设备简单、机动灵活、成本低廉，可用较小的发射功率直接进行远距离通信。所以，在很长一段时期中，一直是重要的通信手段，特别是实现远距离通信的主要手段。由于卫星通信的出现和发展，使短波通信受到了较长时间的冷落。和卫星通信比较，短波信道是随机参量信道，稳定性和可靠性差，通信速率低。人们 以为短波通信会被卫星通信取代。由此造成对短波通信投资的急剧减少和科研的削弱。连美军 1976 年制定的综合战术通信计划中，仅把短波通信列为补充和备用手段。由于短波通信技术的进步，其可靠性、稳定性、通信质量与通信速率提高到新的水平。与卫星通信及有线通信相比，短波通信介质的电离层不易遭受人为破坏。短波通信被重新确定了其重要的位置。美国重新把短波信道作为战略的和战术主干线和二级线路。在我国短波通信网是战略通信网之一。是战时作战指挥通信中的“杀手锏”之一，是和平时期防暴乱、抢险救灾的应急通信手段。短波通信有时甚至是唯一 的通信手段。短波通信愈来愈受到重视。 1、 短波传播方式 短波的基本传播途径有两种：地波（表面波）传播 和 天波传播。天波传播是短波通信的主要传输方式。 （ 1） 地波传播 沿大地与空气的分界面传播的电波，叫地面波或表面波，简称地波 。 其传播途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于部份能量被大地吸收，很快减弱，波长越短，减弱越快，因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可靠性高。通常，超长波、长波、中波无线电通信，利用地波传播。 （ 2） 天波传播 天波是指由天线向高空辐射的电磁波受到天空电离层反射或折射后返 回地面的无线电波。 天波是短波的主要传播途径。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以多次反射，因而传播距离很远（可上万公里），而且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。随着无线电通信新技术的不断涌现，天波传播弱点对短波通信的影响，正在逐步被克服。 2、短波 通信盲区 上面已介绍了地波和天波两种传播方式。 3 一般来说，地波的传播距离可达 20 30 公里，而天波从电离层第一次反射落地（第一跳） 到发射点的最短距离约为 80 100 公里，从而 20 到 100 公里之间这一段，地波和天波都够不到，形成了短波通信的“寂静区”，也称为盲区。盲区内的通信大多是比较困难的。 地波电离层天波跳跃区通信盲区图 波天波通信跳跃距离与通信盲区示意图 如图 示，跳跃区：发射站与无线电波首次由电离层返回地面的地点之间的距离。盲区：在天波跳跃区内和地波传播极限之间有一段距离，短波信号经过电离层折射越过了此区，信号无法到达该区域 ，这段距离就是我们常说的短波通信盲区。 波天线 短波通信的方式和特点决定了短波通信天线的特殊性。 （ 1）需克服短波通信的“盲区” 解决通信盲区常用的方法：一是加大电台功率以延长地波传播距离；二是常用的有效方法就是选用高仰角天线，也称“高射天线”或“喷泉天线”，缩短天波第一跳落地的距离。 目前解决该盲区问题的最实用而且性能优良的的方法是对这一区域的通信采用近垂直入射天波 （ KY 信方式。短波“近垂直入射天波”通信指：短波传播 信号接近于垂直辐射，由电离层返回地面的短波信号正好可以覆盖整个跳跃区（见图示 4 图 垂直入射天波传播特点示意图 术是试图在地波极限与第一跳距间的盲区中建立短波通信，其原理是在临界频率下以近乎垂直的仰角（ 600 900）向上辐射水平极化电磁波，进而以大角度从电离层反射，使回波接近发射天线 ，入射仰角越高天波的落地距离越短，如果入射仰角是垂直的（ 900），天波的落地距离近似为 0，就不存在盲区。 实践证明，地貌因素对 信几乎没有影响，同时还可 以弥补复杂地面条件对短波地波造成的严重衰减。 （ 2）需克服笨重的体积 另一方面，由于天线设计与其工作波长的关系，使得短波波段的天线的尺寸与体积比较大，限制了天线应用的场合及灵活性。 为解决天线尺寸及体积大、使用不灵活的问题，通常对天线进行加载设计：在天线结构上作适当改变，可以保持天线上的电流近似均匀分布，以满足所要求的电性能，通过天线加载亦可改变天线的方向性。由于天线上电流的总效应为各负载及激励源单独产生电流的线性叠加，通过对天线的加载，不仅极大地扩展了天线工作频带，而且可以控制天线的方向性。另外采用环形集 总加载的方法是比较方便和容易实现的。 因此，研制和发展体积小、重量轻、安装和撤收均方便的宽带短波环形 复杂地域通信以及军用通讯是非常有意义的。 载宽带短波 环鞭天线的意义 在短波通信广泛应用的早期，人们就对短波通信盲区效应有了较为深入的认识，并致力于研究解决这一问题的 线。我军现有的 线装备以陆军配备的种类较为完整，在某种程度上能够解决短波中距离通信问题，但是同时也存在各自的缺陷。由于短波 线对于我军现代化的敏感因素，国外目前尚对我 国 禁运。同时 ，国内学术届对短波天线研制也未给予足够的重视，使我国在该领域的技术水平与先进国家的距离不断加大。 近年来，随着电磁场理论的发展，以及新技术新材料的采用， 线技术也获得了长足进步。深入研究表明： （ 1） 近垂直入射天波（ 线与垂直极化天线互为补充从而实现无盲区覆盖，在短波战术通信系统中具有重要意义 。（ 2）天线结构由线天线向环天线的变化是 线的发展趋势。分析表明，环天线具有结构紧凑可靠、建立通信快、盲区覆盖质量好等优点 。（ 3） 采用环形 线 5 有利于通过采用新技术、新材料和新器件改善天线 整体性能。这方面对于简化天馈设备、提高天线辐射 和 接受效率、以及应用于跳频通信等都是十分重要的，是当前装备发展的关键技术。然而，理论分析表明：工作在 2 30波波段的环 形 天线，其输入电阻很小，难与普通馈电线相匹配。所以 线研制需要突破的关键技术之一是：合理设计天线结构以便在整个工作频带内实现合理的阻抗特性分布和尽可能高的辐射效率。 例如在车载短波通信领域，半环 天线是近年来发展起来的新型 线类型，其结构轻巧牢固、通过性好，天调智能化高、尺寸紧凑，系统响应快、鲁棒性好，能够在各种机动 车辆上进行装备，同时它能在整个频带上提供接近理想的全向辐射，能够为机动部队短波语音及数据通信突破盲区、实现全天候中距离通信提供有效保障，实践证明车载环形天线的综合性能比传统车载鞭天线更加优越。美军 线通过全新结构和技术，已使环形天线实现宽带通信能力，这对于实现 频通信具有重要意义。随着我军现代化对于通信系统保障的要求的不断提高，建立连续的短波通信覆盖已成为当前紧迫的任务。车载宽带短波 环鞭天线的研制对于我军通信系统现代化建设具有广泛的实际需求背景和重要的实际意义。 6 第二章 环形天线的宽带化和集总加载技术 环形天线一般是电小天线，所谓电小天线是指天线的最大几何尺寸远小于工作波长的天线，根据 定义，电小天线要求 ，其中 l 是天线的最大尺寸， /2k 为与电磁场相关的波数。由于天线是一种转换导波能量为辐射波 能量的或相反过程的器件，而这种过程是直接与工作的波长相关联的，所以天线尺寸的减小将影响天线的带宽、增益、效率以及极化纯度等，而且电小天线也很不容易实现有效的馈电。正因为如此，在确定天线的性能时，天线尺寸往往比天线技术更为重要。长期以来，许多作者对天线的辐射性能与天线尺寸的关系进行了深入的研究，而且这种研究迄今还在继续。 形天线 线的主要电性能指标 （ 1）定向性 定向性几乎是天线最重要的参量，描述天线定向性的参数有方向图和方向系数等。 天线的方向图用来描述电（磁）场强度在空间的 分布状况，它是三维立体图形。工程上常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图来表示天线的方向性，它们分别称为 E 面和 H 面的方向图。 E 面是平行于电场矢量的平面， H 面是平行于磁场矢量的平面，也可以令 E 面表示垂直于地平面的平面、而 H 面表示平行于地平面的平面来观测天线的方向性。描述天线方向图的参数有：主瓣宽度（或称半功率波瓣宽度）、副瓣电平（指副瓣中的最大值与最小值之比）、前后辐射比（指前向与后辐射场强之比）等。方向图最直观地反映了电磁场大小的空间分布。 方向系数用 D 来定量的说明天线辐射电磁波能量的集中程度。定义 D 为：在总辐射功率相同的情况下，天线在其最大辐射方向上某处的场强的平方，与一无 7 方向性的点源在相同处产生的场强的平方之比。数学表达式为： 242( , ) s i n d （ 2 式中， ( , )F 为天线归一化的方向函数。若天线的副瓣电平很小，工程上常用两主面的半 、来估算方向系数的值，即 0 . 5 0 . 53300022 （ 2 天线的方向性越强，方向系数越大。 （ 2） 效率 天线的效率A可以度量天线转换能量的有效性，它也是天线的重要指标之一。例如发射天线的效率定义为 ：天线的辐射功率与输入功率之比。 若天线的效率小于 1，天线输入功率一部分转化为辐射功率，一部分为消耗功率。其他损耗功率可包括有：天线系统的导线损耗、介质损耗、网络损耗以及天线支架、周围物体和大地中的电磁感应引起的损耗等等。一般电小天线的效率较低。 （ 3）增益 天线增益 G 是一个实际参量，该参量因天线或天线罩的欧姆损耗而小于定向性，增益与定向性之比是天线的效率，这种关系可表示为： 1 0 l g ( ) 1 0 l g ( ) D（ 2 具体可表述天线增益为：天线输入功率相同的情况下，某天线在其最大辐射方向上的场强平方，与一理想的无方向性的电源在相同处产生的场强平方之比。 （ 4）阻抗特性 天线的输入阻抗是天线馈电点处的电压与电流之比，通常它是一个复阻抗，而且是频率的函数。对于某些天线如底馈鞭天线，由于它和周围环境有较强的电磁耦合，因此，其输入阻抗值除决定于天线自身的结构、电尺寸等因素外，还与设置的环境有关；而有些天线输入阻抗对馈电点的结构异常敏感；严格从理论上计算天线的输入阻抗是比较困难的，工程应用中一般都采用测量的方法确定 。 （ 5）频带宽度 天线的频带宽度是指天线的主要电指标如增益、主瓣宽度、副瓣电平、输入阻抗、极化特性等均满足设计要求时的频率范围，或称天线的工作带宽，简称天 8 线带宽。 根据无源天线收、发的互易性，同一付天线作为发射或接收时，电特性是相同的。 形天线的概念 顾名思义环形天线就是将导线弯成环形所构成的天线。环形天线的终端负载阻抗可以为零，也可以等于环的特性阻抗，其上的电流分布和平行传输线类似。终端短接的环的周长不大于 工作波长时，称为小环天线 ,环上的电流近似按等幅同相分布。短接环的半径较大时，环 上电流为驻波分布。当端接负载的阻抗等于环的特性阻抗时，环上的电流为行波分布。依据电磁辐射的二重性原理，小环天线和垂直于环面放置的小电偶极天线的辐射场除将电和磁的量互换外都是类似的，即在环面的平面上方向图是圆，环轴所在平面上方向图是 8 字形 ,沿环轴方向的辐射为零。环可以是空心的或磁芯的；单匝的或多匝的。理论和实验证明，辐射场与环的面积、匝数和环上的电流成正比，与工作波长的平方和距离成反比；与环的形状关系不大。由于小环天线的周长远远小于一个波长，主要产生和响应电磁信号的磁分量，而大多数人造干扰源主要产生电场辐射， 所以小环天线具有噪声免疫特性，尤其适合用于干扰和抖动的工作环境。小环天线的辐射效率很低，通常用作接收天线，广泛应用于测向、无线电罗盘和中、短波广播接收机。 带天线的概念及实现 线的工作带宽及限制带宽的主要因素 由于天线的各项电指标一般都是随频率变化的因而天线带宽也就取决于各项电指标的频率特性。若同时对几项电指标都有具体要求时，则以其中最严格的要求作为确定天线带宽的依据。 天线带宽通常有两种表示方法：（ 1）相对带宽；（ 2）倍频带宽。 相对带宽的定义是：天线的绝对 带宽 2f 与工作频带内的中心频率0 m a x m i fR （ 2 式中， 倍频 带宽的定义是：工作频带的上限频率与下限频率之比，即 9 m f （ 2 一般窄带天线多使用相对带宽一词，而宽带天线多采用倍频带宽的表示方法。窄带和宽带都是相对的概念，没有严格的定义，习惯上认为m a x m B f f就是宽带天线。 天线带宽主要取决于各项电指标的频率特性。通常，天线主要 电指标均有其各自定义的带宽，它们分别是： （ 1）方向图带宽 由于方向图是描述天线方向性的重要指标，而当频率偏离设计频率时，有可能发生主瓣指向偏移、主瓣分裂萎缩、副瓣电平增大、前后辐射比下降等。当方向图恶化到不能满足设计要求时，即限定了方向图的带宽。一般来说，高频端方向图容易迅速恶化，因此，它往往是限制上限频率 （ 2）增益带宽 是指增益下降到允许值时的频带宽度。通常定义增益下降到工作频带内最大增益值的 50%时相应的频带宽度为 3增益带宽。通 常，频率降低，天线电尺寸变小。增益比较明显地下降，因此，该项指标往往限定了下限工作频率 （ 3）输入阻抗带宽 简称阻抗带宽，输入阻抗随频率变化，当天线输入端电压一定时，输入端电流会随频率变化，因此可以通过天线输入端电流的变化来计算天线的阻抗带宽。通常，谐振式天线（如对称振子或单极子天线等）多采用这种表示方法。在中心频率0线长度调整到谐振长度，即输入电抗为零，谐振时的天线电流为0()频率偏离 f ，即0f f f 时，使输入端电流恰好为谐振时电流的 应的带宽 2f 就称为 3抗带宽。 此外，天线的阻抗带宽也可以用馈线上的电压驻波比来表示。根据设计这对电指标的要求，以驻波比低与规定值的频率带宽为天线的阻抗带宽。这种表示方法既反映了天线阻抗的频率特性，也说明了天线与馈线的匹配效果，在天线工程中使用性很 强。 现电小线天线宽带化的主要方法 （ 1）采用机机电结合的方式，合理设计天线结构，使具有宽频特性 例如伸缩式短波、超短波直立天线，其天线长度利用机电结合的办法进行控制，使之在不同频率上始终保持在串联谐振长度上，即电长度保持不变，以实现在相当宽的频带内具有良好的方向性和阻抗匹配特性。这种方法由于是机械伸缩，因而使应用范围受到一定限制，但仍不失为一种易于实现、行之有效的宽带化措 10 施。 （ 2）利用插入分布或者集总网络来展宽天线的工作带宽 将电抗元件、阻抗元件、介质材料或有源器件置于天线的某一部分之中， 其目的或是为了缩小天线尺寸、或是为了提高效率、或是为了增大带宽，这种方式称为天线加载加载元件可以是有源的或是无源的，可以是分布参数元件，也可以是集总参数元件。 加载天线可以放置在天线内部或者天线的馈电端。从广义的角度讲，天线阻抗匹配网络也算是一种加载方式，用以补偿天线阻抗频率随频率的变化，从而展宽阻抗带宽。目前，自动天线调谐器获得了广泛的应用，它以全自动方式，通过微机控制、自动检测阻抗信息并按照预定的调谐软件改变匹配网络参数，进行快速调谐和阻抗变换，以使天线系统与同轴线电缆（特性阻抗为 50 欧姆）较好地匹配。 （ 3）利用一付天线的多模工作方式来展宽工作频带 一般天线在基模和高次模工作时，要求其电性能变化较小，但也有个别应用场合却有不同的要求。如果能够设计一种天线，当它用于基模工作时构成较低频段的天线，而用高次模工作时构成高频段的天线，就可以在天线体积尺寸不变的情况下获得较宽的工作带宽。 总加载对小环天线性能的影响 线天线的输入阻抗或导纳和电流分布受到天线加载的很大影响，通过对线天线的加载，使天线上部分或全部呈现行波电流分布，不仅极大地扩展了天线工作频带，而且可以控制天线的方向性。 在各种关于加载天线的 研究工作中，研究人员先后提出了分布加载和集总加载天线的理论方法和应用。分布加载通常是由导电介质按照一定规律涂敷到绝缘芯上形成无反射行波天线；而集总加载则是通过在天线上加载 总电路元件来改变天线上电流分布的。对于工作在短波波段上的天线 , 由于其工作频率低 , 天线的物理尺寸相对比较大 , 采用集总加载的方法是比较方便和容易实现的，同时使天线具有足够的结构强度，不易折断损坏等。 下面以小环天线为例，简要介绍有关天线集总加载的知识。 （ 1）电阻加载 11 若在圆环天线的中部串入适当数值的电阻 (如图 示 )，可以 使沿线电流近似行波分布，这不仅能够提高天线的输入阻抗，便于和馈线匹配，而且为单向辐射，并具有较好的宽频带特性。 图 环天线电阻加载 根据传输线理论可知，若负载阻抗加载圆环可看成是一行波天线，端接匹配负截的两个半圆环起着向外辐射电磁波的作用。用类似计算对称振子平均特性阻抗的方法，可以近似求出加载圆环天线的平均特性阻抗。 0 00121 2 0 l n ( s i n )1 2 0 2 l n l n ( s i n ) 1 2 0 l （ 2 上式在 b （ 2 ）较小时是足够准确的。若忽略沿线电流的衰减，加载圆环上行波电流分布的表示式为： | |0 e (0 | | ) （ 2 电流环在远区观察点 (、 、 ） 产生的矢位 A 为 s i n c o s ( )00 c o s ( )4bI j r j b j bA e e e （ 2 式中， r 为坐标原点至观察点 P 的距离，有上标“ ”表示源点坐标，无“ ”表示场点坐标。要注意到，由于线上电流的相 位连续滞后，因而方向图不具有轴 12 对称特点，故 A为 的函数。远区辐射场为 s i n c o s ( )00 c o s ( )4bI j r j b j bE j w A j e e e （ 2 将 90 代入，即可求出环所在平面的方向图。 当计入电流衰减之后所得方向图与不计电流衰减时的情况相差不大。加载小圆环天线，两主平面方向图均接近心脏形。 由于环内接有负载电阻，故天线效率较低，当天线电尺寸较小时，效率可 用下式估算： 45 1 3 2 （ ） （ 2 由上式可知：当环的电尺寸 2 b（ ） 一定时，环的平均特性阻抗线效率愈高，因此，增大环天线直径可适当提高加载环天线的效率。 （ 2）电感加载 如果在半环天线的中部某点加入一定数值的感抗（将图 的电阻加载换为电感加载），就可以适当地 点距离天线接地点之间的线段所呈现的电抗，从而改变加感点距离馈电点之间的电流分布，使环线上总电流均匀分布。它对加感点以上的电流分布作用不大。 分析加感点的电抗可知，在电感元件接入之前 2 由传输线理论近似估算得： t a n ( )a b C A b Z l （ 2 式中b、 c 两点间的长 度，即加感点与接地点之间天线线段的长度。在接入电感元件后有： t a n ( ) t a n ( )a b L C A b c L C X Z l X Z l （ 2 式中l 为加感点与接地点之间天线线段的的折合长度。显然此时天线的有效长度较加感前增大。 因此，合理选取加感点的位置以及加感值的大小，可以增加半环天线的有效长度，并且使天线上电流达到较均匀分布。由于电感仅对加感点以下线段上的电流分布起较明显的 作用，如果采取在天线的中部加感以及在天线终端加负载电阻 13 相结合的方式，可进一步改善天线沿线电流分布、改变天线的等效长度，从而改善天线的阻抗特性，提高辐射效率。 由小环天线加载实例分析可以看出，线天线集总加载可改变天线上电流分布，从而控制天线的输入阻抗、增益、辐射特性等主要特性指标。然而天线加载在拓宽天线频带的同时往往牺牲了天线的增益。因此需要综合考虑加载对天线性能的影响，选取比较折中的加载方式使天线的综合性能最优。 14 第三章 宽带短波环形天 线的优化设计方法 带短波 环鞭天线的设计 线模型 本设计是一种宽带短波半环 线，该天线工作于短波波段（ 2 30驻波系数可小于 有全向辐射特性，通信距离可达 0 1000上，除能够提供有效的 信外，还具有结构稳定、风阻系数小、轮廓低以及雷达散射截面积小等性能，使得该天线很适合应用作 车载天线。 图 带短波半环 线系统结构图 如图 示这种天线包括金属鞭状半环、 联等效网络、终端加载电阻，天调系统，同轴线以及天线反射板。其中， 联等效网络加载于金属鞭状半环的顶部中间；终端加载电阻其一端与金属鞭状半环鞭的终端固定连接，另一端与安装金属鞭状半环的载体（反射板）通过螺纹固定连接，天调系统的输出端与天线鞭的输入端，天调系统的输入端与同轴线的输出端固定连接，实现电信号的连通。从而，同轴线、天调系统、金属鞭状半环天线鞭、加载于天线鞭顶部中间的 联等效网络、加 载于天线鞭终端与反射板之间的终端加载电阻、以及承载天线的反射板（天线载体）共同构成本天线系统。 这种天线在短波频段电压驻波系数可在 下，回波损耗小，增益高、结构 15 稳定，除能够提供有效的 信外，具有风阻系数小、轮廓低以及雷达散射截面积小等性能，能够更好地符合车载天线、特别是军用车天线环境所考虑的重要因素。 带短波 环鞭天线的原理 在我们所研究的区域之外，可以用假想的电荷或电流来代替原来的边界，只要这些电荷或电流和区域中原有的电荷或电流产生的场满足原来的边界条件，则根据电磁场唯 一性定理，两种情况在所研究的空间中有相同的解。称假想的电荷或电流为原有的电荷或电流的镜像，称这种处理方法为镜像法。如果实际地面与理想情况差别较大，例如地面不是理想导电面或者金属面不是无限大的平面，则应对此作适当修正。在理想导电平面上，一垂直放置的电基本振子，它辐射的是垂直极化波，当光程相同时，直射线和反射线的电场矢量是等幅同相的，故为正镜像，亦即镜像振子和实际振子上的电流是等幅同相的；反之，水平放置的一电基本振子，镜像振子和实际振子的电流是等幅反相的，为负镜像；倾斜放置的电基本振子的电流可看作是垂直电流与水 平电流的叠加。而任意一线天线均可分成苦干首尾相接的电基本振子，因而可由每个电基本振子的镜像得出整个天线的镜像。对于垂直放置在理想导电面上的半环天线，有镜像原理可等效为垂直放置的偶极振子天线。 车载半环鞭天线依据所配置的车辆大致可以分成履带式和胶轮式两类。根据镜像原理，对于两种半环天线配置，其工作原理可以看作垂直放置的单环天线和上下放置的双环天线两种情况。因为等效环天线半径小于工作波长，因此可以用电小环天线辐射特性来估这种天线的辐射方向图。典型电小环天线为一全向辐射天线，其 H 面方向图为 8 字型， E 面方向图为圆形 。在实际车辆加载的情况下，由于车辆尺寸有限及地面非理想导电，实际镜像辐射方向略偏离垂直方向。 根据上述设计原理，本设计的 车载宽带短波 环鞭天线 结构如 图 示，该天线为 鞭状半环结构 ， 通过在天线半环顶部中央加载 联等效网络以及在终端加载电阻来进一部改善普通短波半环鞭天线上的电流分布，从而进一步改善该种天线的辐射特性、阻抗特性等，大幅度提高天线的带宽，以便在 此基础上采用天调 匹配 系统 （ 其功能包括频率检测、天线驻波检测、预调控制等 ） ， 实现大幅度改善馈电点全频段的阻抗特性，实现全频带匹配 ，最终构成性能 优越的车载短波通信天线系统 。 16 带短波 环鞭天线设计方案 如图 示 ，其中： 1 是金属（如特种钢）鞭状半环，被集中加载网络 2 分成两段，并通过集中加载网络 2 固定连接实现电信号的连通，其作为天线的辐射器向外辐射电磁波，需合理设计金属鞭导体的截面直径 d 及金属鞭环的半径 D 以实现最佳辐射效率及方向图特性； 2 是 联等效网络。 联等效网络 2固定加载在金属鞭状半环 1 的顶部中间，将金属鞭状半环分做两段，并通过螺纹结构分别与两天线鞭臂固定连接，它的作用是改善未加载该 效网络时的鞭状半环上 的电流分布，从而改善未加载天线的辐射特性和阻抗特性； 3 是终端加载电阻，其一端与金属鞭状半环 1 的终端固定连接，另一端通过螺纹固定在反射板上（实际应用中，反射板通常是汽车车顶板等），其作用是进一步改善鞭状半环上的电流分布，从而进一步改善天线的辐射特性和阻抗特性； 4 天调系统，是由阻抗变换器（可使用变压器实现阻抗变换）及 、并联电路组成的匹配网络以及控制开关等组成的系统，其输出端与金属鞭状半环 1 的输入端连接，输入端与同轴线馈线 5 的输出端固定连接，其作用 协调 馈电电缆 输出端口与 天线输入 之间的关系 ， 完成阻抗匹配 ， 可以 很大程度上提高发射效率 ，实现电信号的有效传输； 5 是馈电电缆，此处采用同轴线馈电，其输出端与天调系统 4 的输入端固定连接，实现电信号的连通。 电阻加载天线的优点是工作频带宽，缺点是电阻吸收功率，使效率降低，特别是对电长度较小的天线，效率仅为百分之几，而单纯的电抗加载的天线的带宽又非常的窄，因为对于这种天线来说，加载的电抗和加载位置都是频率的函数。所以在设计中，如果采用 合加载，则效率将会大大提高。 b 17 图 中加载元件的等效电路图 集中加载天线是把加载元件集中地加在天线的一个或几个部位上，如图 示是集中加载元件的等效电路图，包含电阻 R，电感 L 和电容 C，图 a 采用的是并联，图 b 采用的是 R 和 L 先串联再和 C 进行并联， 经过多次理论计算与分析发现：该两种网络都可以达到改善天线带宽性能的目的，但后者的频率稳定性更好，而且在达到优化目标的同时，其使用的电感比前者更小，加载网络体积便可相对缩小，这对于实际加载较为有利 ；然而 有自身的优点，即改善效果更明显， R 值对加载网络总体影响小于后者，因而比较方便地控制加载网络引起的损耗。由于 联网络便于在电磁场仿真软件中实现，本文选择 联电路作为集中加载元件进行设计和仿真。 调系统 天调系统用于 协调 馈电电缆 输出端口与 天线输入 之间的关系 ， 完成阻抗匹配 ，可以很大程度上提高发射效率 ，从而实现电信号的最大功率传输，如，可采用由阻抗变换器（如理想变压器实现阻抗变换）及 、并联电路组成的无源网络来实现阻抗匹配，并由开关控制不同频率段接入系统的具体的匹配电路结 构。图 中，采用了 5 个理想变压器阻抗变换器及 L 型无源网络，控制开关起到在不同频率段将适合该频率段的匹配电路接入系统的作用， 1 为从天线馈线流入的电信号， 2为经天调系统流入天线的电信号， 3 为控制开关， Li、i=1,2, ,5），为电感和电容， 理想变压器阻抗变换器的线圈匝数比（ i=1,2, ,5）。该结构用以实现在天线工作频带内进行分频段匹配（ 如图 工作频带分为 5 段分别匹配），从而进一步降低天线输入端的 压驻波比），减小向天线馈电的回波损耗。 18 图 调系统结构简图 量法 量法基本原理 在电磁场中的矩量法是指将基本的电磁场方程简化为一组可以用计算机处理的线性代数方程，从而可用简单的矩阵运算得到数值解的方法。对于线天线结构，当天线的最大尺寸不大于两个波长时，非常适合于用矩量法，因此本节给出线天线矩量法计算的基本方法。 假设导线的线径与波长相比非常细，导线上的电流只沿导线的轴线流动，则线上电流 表示为： s 1（ 3 其中 线41（ 3 是需要确定的未知电流， 中的符号含义参考图 表示成有限个展开函数 之和，则有 1 （ 3 如果求出了未知系数 则能够算出所感兴趣的参数，包括输入阻抗和辐射电场等。 展开函数又称为基函数，常分为两类，一类是整域基函数，定义在 9 上。另一类为分段基函数，定义在 段基函数可以对任一形状的辐射体分段处理，因而更方便，应用也更广泛。 分段正弦基函数首先由 970引入，即 )(0s i ns i i ns i th e r 3 式中， 1 分别是从 1 1段的长度。 1 相应分段的单位矢量。设馈点处由馈源产生的已知电场为 对于理想导线，在导线表面的边界条件为 0 （ 3 式中 垂直于导线表面的单位矢量。将以上有关各式代入 (3就得到了相对于 在用矩量法求 (3数值解过程中，可以选用与式 (3同的权函数，即伽辽金方法。权函数与基函数作内积形成矩阵方程，从而可以将未知量 成以下形式 1, （ 3 式中 V是电压矩阵 ,为列矢量，除了馈电点电压之外，列矢量中所有单元都为零。 Z是 M M阶的阻抗矩阵，其中的各个元素可由 感应电流 J (r)在线元外作用点 )( 1111 1 （ 3 图 中 1三个点 1 位矢量， 定义与上述相同。 1 、 1 分别为 20 11111111111111111c o ss i o ss i i nc o sc o tc o i i nc o sc o tc o i （ 3 式中 11是 1 1间的夹角， 1、 和 的定义与具有相类似的含意，可参见图 由此可见 ，如果方程 (3建起来，则剩下的工作就如何有效地求解矩阵方程，得到天线上的电流分布，从而获得所感兴趣的辐射场问题和输入阻抗问题等。 图 单元上的电流 图 单元坐标 量法方程的求解 应用矢量位 j k s i i nc 1 （ 3 式中 22)( 。 天线中馈激励电压 取脉冲函数作为展开函数 ,权函数： （ 3 21 令 4e x p （ 3 c o ss 20 （ 3 则由 1 （ 3 得 c i ns i i ns i 12012010 （ 3 ll 221010 4)(ex p)4ex p,（ 3 式中 m=1,2,N 。 根据电流条件 0,01 3 令 s s in,c o s 0 （ 3 海伦方程的矩阵形式就写成 )2(（ 3 电流系数矩阵： 2 （ 3 所以天线电流分布： n 1（ 3 则根据公式： ，就能求出 天线的输入阻抗。 本文根据上述矩量法原理，基于 写出利用矩量法估算半环天线的电流分布进而估算其输入阻抗等特性的程序（见附录）。 22 传算法在线天线优化设计中的应用 在天线电性能优化领域，目前流行的且比较实用的优化算法有最速下降法、模拟退火算法，禁忌搜索 法、以及 仿生算法 在诸多优 化算法中各有各的优点和局限性，需根据实际待解决的问题合理选取、适当设计，甚至可以将各种优化算法取精去粗结合使用。在上述天线优化领域常用的优化算法中，仿生算法就是一大类目前研究的比较火热的算法，有 蚁群优化算法 、遗传算法、神经网络算法、模糊逻辑算法等等。 本文利用发展较为完善、应用范围很广泛、程序设计相对简单的遗传算法作为本设计的优化算法。 传算法原理 遗传算法是仿生算法的一种，就是仿照自然界中生物进化过程的一种算法。它不仅可以解决我们一般意义所理解的最优化问题，而且，目前在越来越多的领域内取得了成 功：如，最优化图像分割、图像检测、图像识别、神经网络权重设计、数据挖掘、载人航天、大坝安全监测、天线设计、物流管理、控制理论、集成电路设计、聚类分析、医疗诊断、材料设计等等。 遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全优化概率搜索算法。它的主要特点是：以决策变量的编码作为运算对象；直接以目标函数值作为搜索信息；并同时使用多个搜索点的搜索信息；使用概论搜索技术。它是一种全新的全域优化搜索方法 ， 它是模拟自然界生物进化过程与机制求解极值问题的一类自组织、自适应人工智能技术。它模拟达尔文的自 然进化论和孟德尔的遗传变异理论 ， 具有坚实的生物学基础；提供从智能生成过程观点对生物智能的模拟 ， 具有鲜