一種新型VHF/UHF雙頻寬帶車載全向天線

吳榮遠，曾百華

(中國電子科技集團公司第七研究所，廣州 510310)

0 引言

當(dāng)今通信車都有多個不同頻段的通信系統(tǒng)同車工作，即使各系統(tǒng)多部同頻段電臺可用多路耦合器的方法實現(xiàn)共用一副天線，各系統(tǒng)不同頻段電臺仍需自配天線。

如能提供一些能供多頻段公用的超寬帶天線，最大限度地減少天線數(shù)量，使能減少電臺共址干擾，提高通信質(zhì)量和抗毀能力。

1 雙頻段寬帶車載全向天線設(shè)計

1.1 技術(shù)指標(biāo)要求及設(shè)計分析

某通信設(shè)備需要30 MHz～110 MHz、150 MHz～225 MHz和800 MHz～880 MHz三個頻段的垂直極化車載全向天線，供頻譜監(jiān)測、頻率規(guī)劃設(shè)備使用。按常規(guī)設(shè)計，須采用三副天線，但車上已有若干天線，只能提供一副天線的安裝空間，需要研制一種同時覆蓋這三個頻段的超寬帶天線。

一般雙頻垂直極化全向天線，均采用底饋直線陣形式［1］。這類雙頻天線須遵循3倍頻諧振的設(shè)計原則，天線輻射單元長度一般取低端頻率的0.5λ，高端頻率的1.5λ。在高頻端工作時，只需在天線體中部加一個倒相線圈，構(gòu)成一種串聯(lián)饋電型二元直線陣天線。

若采用上述方法設(shè)計 30 MHz～110 MHz、150 MHz～225 MHz和800 MHz～880 MHz三頻段天線，從天線輻射原理上分析，有兩種途徑:(1)可設(shè)計一副底饋雙頻天線，在天線體中部加一個高頻倒相線圈來覆蓋VHF頻段(30 MHz～110 MHz、150 MHz～225 MHz)，再在天線頂部加800 MHz～880 MHz天線來滿足三頻段覆蓋。這種天線需用同軸電纜給800 MHz～880 MHz天線饋電，在天線頂部和底部都必須采取信號隔離措施，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可靠性低，匹配也難以實現(xiàn)，不適合作車載天線使用。(2)可以把800 MHz～880 MHz天線放在30 MHz～110 MHz、150 MHz～225 MHz雙頻天線高頻倒相線圈底部。這種天線結(jié)構(gòu)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠，缺點是800～880 MHz天線架設(shè)高度低，接收信號不理想，且難以實現(xiàn)三頻段匹配。

1.2 天線設(shè)計

設(shè)計該采用同軸中饋天線結(jié)構(gòu)形式，增加了天線帶寬［4，5］，且有效地克服了一般底饋雙頻垂直極化全向天線低頻段增益低、輻射主波瓣容易上翹的不足。這種VHF/UHF雙頻寬帶垂直極化全向天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、超寬頻帶、增益高的優(yōu)點，在超寬帶無線監(jiān)測、無線通信系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。用FEKO軟件對天線進行了仿真計算，并通過實測獲得了良好的輻射方向圖和電壓駐波比(VSWR)，其中實測的輻射方向圖與仿真值基本一致。

選天線上、下輻射體基本長度均為0.625λ225MHz。天線下輻射體的頂端加一個λ840MHz/4長的同軸扼流套;將上輻射體分為三段，最下段長度為λ840MHz/4，上兩段基本長度為λ840MHz/2，在相鄰兩段之間各接一個λ840MHz/2電長度的倒相線圈，由此構(gòu)成在VHF頻段工作于對稱振子模式、在UHF頻段工作于串聯(lián)饋電三元直線陣模式的雙頻超段寬帶天線，天線構(gòu)成如圖1所示。

圖1 雙頻段寬帶車載天線構(gòu)成圖

天線由同軸扼流圈A、下輻射體和上輻射體組成。下輻射體由輻射體B、同軸扼流套C組成;上輻射體由輻射體D1、D2、D3和兩個倒相線圈H組成。同軸扼流圈A用SFF-50-2-1同軸電纜在3個NQ-20-37x23x15磁環(huán)上繞而成。輻射體B、D1和同軸扼流套C采用Ф12x0.5黃銅管材，輻射體D2和D3采用Ф8x0.5黃銅管材，倒相線圈用Ф1的漆包線在一段Ф8的環(huán)氧纖維棒上對繞而成。

該天線構(gòu)成在VHF頻段近似為一個對稱振子天線，在UHF頻段近似為由三個半波振子組成的三元直線陣天線。

2 天線的仿真測試分析

設(shè)計方案選天線輻射體總長度約為1.25λ225MHz，在天線下輻射體頂端放置一個λ 840 MHz/4長同軸扼流套;將上輻射體分為三段，最下段為λ840MHz/4長輻射體，上兩段為λ840MHz/2長的輻射體，三段輻射體之間各串接一個電長度約λ840MHz/2，線圈直徑為Ф8的倒相線圈。利用FEKO軟件對兩個倒相線圈的長度、圈數(shù)進行優(yōu)化，使得天線在800 MHz～880 MHz頻率范圍內(nèi)盡量保持在水平面輻射最大、增益最高，并在此前提下來滿足30 MHz～225 MHz頻率范圍內(nèi)輻射能量在水平面保持最大。

設(shè)計完成的天線水平面仿真增益曲線如圖2所示，天線垂直面輻射方向圖的仿真值和實測值分別如圖3～圖8所示。天線的水平面輻射方向性是由天線自身結(jié)構(gòu)決定的。增益最高的200 MHz和860 MHz的水平面輻射方向圖仿真結(jié)果，如圖9所示?？梢娞炀€具有很好的水平面全向輻射特性。在UHF頻段800 MHz時天線輻射方向圖主瓣稍有下傾(見圖6)，在880 MHz時天線輻射方向圖主瓣稍有上翹(見圖8)，充分體現(xiàn)了中饋天線和串饋天線的輻射特性的差異性，一般串饋天線最佳輻射特性帶寬不大于±5%f0。

圖2 雙頻段寬帶車載天線水平面增益仿真圖(dBi)

圖3 雙頻段寬帶車載天線30 MHz方向圖

該天線設(shè)計關(guān)鍵點在于，如何選擇天線上、下輻射體基本長度，來滿足30 MHz～225 MHz頻帶內(nèi)輻射方向圖主波瓣保持在水平面輻射最大，使天線增益達到最佳值;如何優(yōu)化上輻射體的兩個倒相線圈的長度和圈數(shù)來保證800～880 MHz頻帶內(nèi)天線輻射方向圖主波瓣基本保持在水平面輻射最大，使天線增益達到最高。

設(shè)計時須注意的是:(1)天線輻射體長度選得太長時，在30 MHz～225 MHz高頻端，天線輻射方向圖會出現(xiàn)裂瓣現(xiàn)象，反之在低頻端天線阻抗實部很小、虛部很大，不易匹配。(2)由于天線頻帶太寬，天線下輻射體的同軸扼流套只能滿足800 MHz～880 MHz頻段扼流要求;30 MHz～225 MHz頻段的天線是靠加在天線底部的同軸扼流圈A來完成天線底部扼流的，用它來滿足天線輻射方向性要求。

從圖3～圖8可以看出，仿真方向圖和實測方向圖形狀、天線增益基本相同，證明該優(yōu)化設(shè)計方法是可行的。圖10、圖11表明天線在VHF頻段內(nèi)(30 MHz～225 MHz)VSWR≤3.5，UHF頻段內(nèi)(800 MHz～900 MHz)VSWR≤2。這些測試結(jié)果表明此天線在30 MHz～225 MHz、800 MHz～880 MHz實現(xiàn)了雙頻段超寬帶性能。

該天線是一種底部配有減震彈簧，供在車頂安裝在天線倒伏裝置上使用的雙頻段垂直極化水平面全向車載天線，其外形如圖12所示。

3 結(jié)語

本天線在一副30 MHz～225 MHz超寬帶中饋車載天線結(jié)構(gòu)上進行改進，采用在天線下輻射體頂端加一個λ840MHz/4同軸扼流套，把上輻射體分為三段，在兩段間各加一個電長度為λ840MHz/2倒相線圈的方法，實現(xiàn)了天線的VHF/UHF雙頻段超寬帶工作特性。該結(jié)構(gòu)改善了天線的輻射性能，能保證工作頻率范圍內(nèi)天線在水平面上輻射能量最大，增加了天線在水平方向的增益。在30 MHz～225 MHz頻帶內(nèi)天線水平面增益為1.5～4.5 dBi，在800 MHz～880 MHz頻帶內(nèi)天線水平面增益大于6 dBi。該天線具有良好的匹配特性，在30 MHz～225 MHz頻帶內(nèi) VSWR≤3.5，在800 MHz～900 MHz頻帶內(nèi)VSWR≤2。

該天線已批量投入使用，是一種較為理想的VHF/UHF復(fù)合型超寬帶垂直極化車載全向天線。用此設(shè)計方法可設(shè)計其他VHF/UHF超寬頻帶垂直極化全向天線。

［1］李慶浩，鄭會利，校歡慶.一種雙頻寬帶天線設(shè)計［J］.電子科技，2008(9):18-20.

［2］WERNER P L，WERNER D H.Design Synthesis of Miniature Multiband Monopole Antennas with Application to Ground-based and Vehicular Communication Systems［C］//IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2005(4):104-106.

［3］I-FONG CHEN.Bandwidth Enchancement of a Coupled Meander-line-feed High Gain Whip Antenna［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，2007，55(11):3078-3082.

［4］吳勇興.VHF寬帶中饋天線［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1989(12):24-27.

［5］湯杰.一種新型VHF全向高增益天線［J］.科技通報，1985(06):51-52.