一种小型化曲流回线高频天线及仿真方法
【专利摘要】本发明提出的一种小型化曲流回线高频天线，通过本发明的在高频天线上开槽这一分形技术，可以有效降低天线谐振频率，进而可以缩小天线各部分尺寸，实现小型化。同时随着谐振频率的下降，天线在低频段的输入阻抗实部有所提高，提高了天线的辐射效率和增益。
【专利说明】
一种小型化曲流回线高频天线及仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及天线技术，尤其是高频天线技术领域。
【背景技术】
[0002] 对于无线通信系统，天线是最重要的部件之一。一副设计良好的天线能够分担系 统的要求并提高整个系统的性能。天线作为系统部件用来辐射或接收电磁波。可以说，天线 是电磁换能器，天线对于一个通信系统来说就相当于眼睛对于人的作用。高频天线可以实 现远距离、无中继通信，广泛应用于军事、海事、航空系统以及全球广播。如果不用昂贵的地 面和卫星设施，那么高频通信就是唯一能够覆盖全球的通信方式。因此高频天线是远距离 通信的必要组成部分，其性能决定着整个高频通信系统性能的优劣。
[0003] 天线的尺寸与其工作频段电磁波的波长密切相关，当波长与天线尺寸可比拟的时 候，天线对于辐射或接收此波长的电磁波能达到最好效果。天线的工作频率越低，其对应波 长越长，要求天线的物理尺寸也就越大。高频天线工作频率段为2-30MHZ，因此天线尺寸较 大。随着技术的发展，机载、车载等天线对于尺寸的要求越来越小。而物理尺寸明显小于其 工作波长的天线存在很大的品质因数，也就是说其储能远多于辐射，效率会大大降低。 [0004]回线天线是目前常用的性能优越的高频天线之一，但是回线天线仍存在尺寸较 大，尺寸小的回线天线存在天线输入阻抗实部较小、效率和增益较低等缺点。例如，文献[1 ] [王乃志，李建周，许家栋.机载隐蔽式短波天线设计[J].电子信息学报，2011，33(2) :504-508.]中回线高频天线尺寸为:长度285cm，下宽面宽度50cm，上窄面宽度30cm，高度40cm，整 体尺寸较大。高频通信设备发展的主要挑战也是天线尺寸小型化问题，因此在保证回线高 频天线基本性能的前提下实现天线小型化成为了我们的研究方向。
[0005] 常见的天线小型化技术有加载技术和分形技术两种。加载技术以其方便和有效而 应用广泛。分形技术通过有效降低天线的谐振频率而实现天线小型化，进而得到广泛研究， 但是分形技术多用于印刷天线，由于工艺水平的限制，分形结构很难应用在高频天线上。本 发明针对该问题，利用曲流效应，研究通过简单的分形结构实现回线高频天线的小型化。
[0006] 由文献[1 ]中的结果来看，普通高频回线天线在2MHz-4MHz的输入阻抗实部为0.13 Ω -0.16 Ω，方向增益在-35dB，最大增益和最小增益的差值在IOdB以上，谐振频率在24MHz， 天线长度285cm，宽面宽度50cm，窄面宽度30cm，高度40cm。因此，该高频天线输入阻抗实部 较小，天线与天线调谐器之间匹配困难，天线效率和增益较低，并且天线的长度和高度尺寸 相对较大。
【发明内容】
[0007] 要解决的技术问题
[0008] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种小型化曲流回线高频天线及仿真 方法，在满足原有天线的输入阻抗、效率、增益等电性能指标不变的情况下，实现对高频天 线的小型化，
[0009] 技术方案
[0010] -种小型化曲流回线高频天线，包括开路端面、短路端面、上窄面和下宽面，在短 路端面上馈以特性阻抗为50 Ω同轴激励;其特征在于在上窄面左右两边非对称开有槽形成 一个曲流效应。
[0011]当天线的工作频率为2MHz-30MHz，矩形槽数量为5个，在上窄面距离短路端300mm， 每隔30mm依次开矩形槽，槽长230mm，槽宽30mm。
[0012] -种小型化曲流回线高频天线进行的仿真方法，其特征在于步骤如下：
[0013]步骤1:将原始尺寸的回线天线在HFSS中建模仿真，记录其各项电性能指标；
[0014]步骤2:在上窄面中间位置左右依次开三个槽，以形成曲流效应;通过HFSS参数扫 描，依据天线电性能优化处最佳开槽起始位置；
[0015] 步骤3:在开槽起始位置和槽的长度、宽度、间距均不变的前提下，通过HFSS参数扫 描，依据天线电性能优化处最佳开槽数量；
[0016] 步骤4:在开槽起始位置和开槽数量不变的前提下，再确定槽的长度、宽度、间距三 者最佳效果时，固定三者中的两者，根据天线性能指标优化第三者；
[0017] 步骤5:将步骤1-4优化出的最佳方案应用于原始尺寸天线上，以50mm为单位缩减 天线长度；当缩减后的天线电性能指标与原始尺寸天线电性能指标相差不多时，此时的天 线尺寸为最大小型化程度尺寸。
[0018] 有益效果
[0019] 本发明提出的一种小型化曲流回线高频天线及仿真方法，通过本发明的在高频天 线上开槽这一分形技术，可以有效降低天线谐振频率，进而可以缩小天线各部分尺寸，实现 小型化。同时随着谐振频率的下降，天线在低频段的输入阻抗实部有所提高，提高了天线的 辐射效率和增益。
【附图说明】
[0020] 图1是基本回线高频天线模型示意图
[0021] 图2是本发明的分形开槽模型示意图
【具体实施方式】
[0022]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0023] 本发明所设计的在高频天线上的分形结构为：
[0024] 在高频天线上有电流流过的部分的两边，依次左右开槽，相邻两槽在电流流向上 须有重叠，使得电流非直线流通，进而形成分形技术中的曲流效应，限制和延长了电流的流 动路径。
[0025] 在高频频段，每一次开槽，就相当于一次分形，增加了天线的电流流向有效长度， 形成一段小"曲流"，等效于在天线上开槽部分增加一段电感。根据谐振频率的计算公式：
[0026]
[0027]可知，L越大，谐振频率f越低，进而可以对天线小型化，且低频段的输入阻抗实部 也随之提高。但是随着分形次数的增加，天线的谐振频率下降越来越缓慢，而且在谐振频率 处的辐射电阻略有减小。也就是说，当分形次数增大到一定数目时，天线的性能也趋于饱 和。这是因为高次分形生成的微小辐射元远小于波长，对天线的辐射影响甚微。但同时也注 意到由于分形引起的曲流效应可能会导致较严重的交叉极化现象而影响方向图。因此分形 次数应依据天线性能要求而定。
[0028]本发明所设计的分形结构适用于在高频天线上各种方式的开槽。下面以在回线高 频天线上开矩形槽设计为例，模型如图1，对本发明所涉及技术进行说明。
[0029]文献[1]中普通的回线天线的等效模型近似于一个终端短路、馈以特性阻抗为50 Ω同轴激励的平行传输线，尺寸和电性能均比较差。
[0030] 依据回线天线结构，首选方案为在电流分布较大的上窄面开槽。通过在天线结构 上开槽，限制和延长了电流的流动路径，进而达到分形技术中的曲流效应。如图2所示。
[0031] 影响本发明所设计的开槽方式的因素主要有:槽的位置、槽的数量、槽的宽度和长 度、槽间距。
[0032] 下面分别给出这四个影响因素的分析方法：
[0033] 槽的位置。回线高频天线主要有开路端面、短路端面、上窄面和下宽面四部分组 成。电流分布由强到弱的部分依次为:短路端面、上窄面、开路端面、下宽面。首选在电流最 大的部分开槽，更利于改变天线性能指标。但实验结果显示，短路端面电流过大，由于槽与 槽之间的耦合效应，槽的宽度和长度过小不能改变电流的流向路径。槽的宽度和长度开的 过大，又不足以增加电流的有效长度。因此，最佳的开槽位置为在回线上窄面开槽。
[0034] 槽的数量是第二大影响因素。槽的数量等同于分形次数，根据以上所述，当分形次 数增大到一定数目时，天线的性能也趋于饱和，故槽的数量也不宜过多。在确定槽的数量这 一第二影响因素时，需保证槽的长度和宽度以及槽间距不变，在HFSS等电磁仿真软件中，通 过改变槽的数量，来观察天线的各项性能指标，据此确定出最佳开槽数量。
[0035]槽的宽度、长度以及槽间距为第三影响因素。槽的宽度过宽，会导致两槽间距过 小，出现耦合效应。槽的长度过短不足以改变电流流向，过长会导致边缘电流过大。槽间距 与槽的宽度的影响效果一样。在确定这三者最佳效果时，在槽的数量不变的前提下，固定三 者中的两者，根据天线性能指标优化第三者。
[0036] 在文献[1]中的高频回线天线上窄面进行分形技术，经过仿真优化，最佳方案为： 距离短路端300mm，每隔30mm左右依次开矩形槽，槽长230mm，槽宽30mm，最终达到的基本电 性能指标为：
[0037] 2MHz-4MHz输入阻抗:0 · 2 Ω -〇 · 4 Ω
[0038] 2MHz-4MHz方向图：增益均在-25dB以上，最大增益和最小增益差小于8dB
[0039] 谐振频率：18·5ΜΗζ
[0040] 可见，通过本发明的技术，高频回线天线在低频段的电性能指标得到了较好的改 善。同时，谐振频率降低近6MHz，以此也可以对天线尺寸进行小型化:单将天线长度缩减为 2400mm时的性能指标与未缩减长度时的性能指标基本相同。
[00411仿真方法如下：
[0042]步骤1:将原始尺寸的回线天线在HFSS中建模仿真，记录其各项电性能指标；
[0043]步骤2:在上窄面中间位置左右依次开三个槽，以形成曲流效应;通过HFSS参数扫 描，依据天线电性能优化处最佳开槽起始位置；
[0044]步骤3:在开槽起始位置和槽的长度、宽度、间距均不变的前提下，通过HFSS参数扫 描，依据天线电性能优化处最佳开槽数量；
[0045]步骤4:在开槽起始位置和开槽数量不变的前提下，再确定槽的长度、宽度、间距三 者最佳效果时，固定三者中的两者，根据天线性能指标优化第三者；
[0046]步骤5:将步骤1-4优化出的最佳方案应用于原始尺寸天线上，以50mm为单位缩减 天线长度；当缩减后的天线电性能指标与原始尺寸天线电性能指标相差不多时，此时的天 线尺寸为最大小型化程度尺寸。
【主权项】
1. 一种小型化曲流回线高频天线，包括开路端面、短路端面、上窄面和下宽面，在短路 端面上馈以特性阻抗为50 Ω同轴激励;其特征在于在上窄面左右两边非对称开有槽形成一 个曲流效应。2. 根据权利要求1所述的一种小型化曲流回线高频天线，其特征在于：当天线的工作频 率为2MHz-30MHz，矩形槽数量为5个，在上窄面距离短路端300mm，每隔30mm依次开矩形槽， 槽长230mm，槽宽30mm。3. -种对权利要求1所述的小型化曲流回线高频天线进行的仿真方法，其特征在于步 骤如下： 步骤1:将原始尺寸的回线天线在HFSS中建模仿真，记录其各项电性能指标； 步骤2:在上窄面中间位置左右依次开三个槽，以形成曲流效应;通过HFSS参数扫描，依 据天线电性能优化处最佳开槽起始位置； 步骤3:在开槽起始位置和槽的长度、宽度、间距均不变的前提下，通过HFSS参数扫描， 依据天线电性能优化处最佳开槽数量； 步骤4:在开槽起始位置和开槽数量不变的前提下，再确定槽的长度、宽度、间距三者最 佳效果时，固定三者中的两者，根据天线性能指标优化第三者； 步骤5:将步骤1-4优化出的最佳方案应用于原始尺寸天线上，以50mm为单位缩减天线 长度；当缩减后的天线电性能指标与原始尺寸天线电性能指标相差不多时，此时的天线尺 寸为最大小型化程度尺寸。
【文档编号】G06F17/50GK106058439SQ201610313268
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】韦高, 韩贺飞, 朱朕宾, 张申达, 任亮
【申请人】西北工业大学