一种宽带短波环形天线的设计

一种宽带短波环形天线的设计

Design of a Broadband HF Loop

Antenna

目 录

中文摘要、关键词 ................................................................................ Ⅰ 英文摘要、关键词 ................................................................................ Ⅱ 引 言 .................................................................................................. 1 第一章 课题研究的背景及意义 ........................................................... 2

1.1 宽带短波环形天线的研究背景 .......................................................... 2 1.2 课题研究的意义 ............................................................................. 2 1.2.1 短波通信..................................................................................... 2 1.2.2 短波天线..................................................................................... 4 1.2.3 车载宽带短波NVIS半环鞭天线的意义............................................ 5

第二章 环形天线的宽带化和集总加载技术 ........................................ 7

2.1 环形天线 ....................................................................................... 7 2.1.1天线的电性能指标......................................................................... 7 2.1.2环形天线的概念 ............................................................................ 9 2.2 宽带天线的概念及实现 .................................................................... 9 2.2.1 天线的工作带宽及限制带宽的主要因素 ........................................... 9 2.2.2 实现线天线宽带化的主要方法 ....................................................... 10 2.3 集总加载对小环天线性能的影响 ...................................................... 11

第三章 宽带短波环形天线的优化设计方法 ......................................... 15

3.1宽带短波NVIS半环鞭天线的设计 .................................................... 15 3.1.1 天线模型.................................................................................... 15 3.1.2宽带短波NVIS半环鞭天线的原理 .................................................. 16

3.1.3 宽带短波NVIS半环鞭天线设计方案 .............................................. 16 3.1.4天调系统 .................................................................................... 18 3.2 矩量法 ......................................................................................... 18 3.2.1 矩量法基本原理 ........................................................................ 19 3.2.2 矩量法方程的求解 ....................................................................... 21 3.3遗传算法在线天线优化设计中的应用 ................................................ 22 3.3.1遗传算法原理 .............................................................................. 22 3.3.2遗传算法在天线加载问题中的应用 ................................................ 23 3.4 宽带短波NVIS半环鞭天线的设计结果及分析.................................... 25

第四章 基于CST的宽带短波NVIS半环鞭天线优化设计 .................. 27

4.1宽带短波NVIS半环鞭天线的CST优化设计 ...................................... 27 4.1.1 CST概述 .................................................................................... 27 4.1.2 使用CST优化天线性能参数的主要过程 ......................................... 28 4.2 短波环天线主要性能参数的CST仿真及结果分析 .............................. 29 4.2.1天线输入阻抗的CST仿真及结果分析 ............................................. 29 4.2.2天线方向图的CST仿真及结果分析 ................................................ 33 4.3结果分析及改进方案 ...................................................................... 41

结 论 ................................................................................................... 43 致 谢 ................................................................................................... 44 参考文献 ............................................................................................... 45 附录....................................................................................................... 46

一种宽带短波环形天线的设计

摘要：在现代通信技术中，天线的宽带化和小型化是天线研究中的一个重要课题。环形天线具有结构简单、成本低、体积小、重量轻等诸多优点。同时在短波（2～30MHz）通信中存在明显的盲区效应，解决该问题的方法是对这一区域的通信采用近垂直入射天波（NVIS，Near Vertical Incidence SKY wave）传播通信方式。论文提出了一种车载宽带短波NVIS半环鞭天线，对这种天线进行集中加载来实现宽带化，通过矩量法(MoM)计算加载元件对天线电流分布的影响，继而估算出天线的输入阻抗、电压驻波比（VSWR）以及天线增益等特性参数；利用遗传算法（GA）对加载元件参数进行优化，得到趋于某一平均值、较平缓的输入阻抗曲线，然后在CST中设置初始参数进行优化。使该半环天线增益达到1dBi~11dBi,在

2MHz?f?6MHzVSWR?2?3，在6MHz?f?30MHz频率范围内频率范围内VSWR，且在6MHz?f?30MHz范围内驻波比可小于1.5。该半环天线在

2MHz～30MHz内辐射仰角高、全向辐射特性好，通信距离可达1000km。论文设计的半环天线不仅消除了短波通信盲区，而且基本实现天线的宽带化和小型化，达到通信要求。

关键词：短波通信 加载 矩量法 遗传算法 半环天线 CST

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Design of a Broadband HF Loop Antenna

Abstract：In modern communication technologies, the development of antenna with wideband and small size characteristics became an important subject in the field of antenna. Loop antenna has simple structure, low cost, small volume, light weight, and many other advantages. While short-wave (2 ~ 30MHz) communications obvious blind spot effect, to solve the problem is the communication of this region using NVIS transmitted communications. This paper puts forward a kind of car NVIS shortwave broadband antenna, which is whip half ring. Concentrated load of such antennas to achieve broadband. Through the method of moments (MoM) calculated load components of the antenna current distribution, then estimate the antenna input impedance, voltage standing wave ratio (VSWR) and the antenna gain and other parameters. Using genetic algorithms (GA) to optimize the parameters of the load device, have become a mean, more gentle curve of input impedance. And then set the initial parameters in the CST to optimize. So that the half-loop antenna gain of 1dBi ~ 11dBi. In the frequency range of 2MHz?f?6MHz,VSWR?3; in the frequency range of 6MHz?f?30MHz,VSWR?2; and VSWR can be less than 1.5 in the range of 6MHz?f?30MHz. The half-loop antenna radiation in the 2MHz ~ 30MHz in high elevation, all the radiation properties is good, and the communication distance can up to 1000km. This design not only eliminates the short-wave communications blackout, and realizing the broadband antenna and small, to communication requirements.

Key words：Short-wave communications; Lumped Loading; MoM; GA ; Loop antenna ; CST

II

引 言

天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备。天线从简单的偶极子天线，发展到目前不同频段、不同形式的线天线、面天线，而用于不同部门，如雷达天线、广播电视天线、微波通讯天线等等，只要把有用的信息有效地向空间辐射出去而不引起自身出现问题的物体都可以认为是天线。按用途，天线可分为发射和接收两大类。

随着科学技术的飞速发展，社会已经进入了信息时代，信息的快速而广泛的传递形成了信息社会最重要的特征。以现代无线通信、卫星通信、舰船通信以及雷达信息为代表的各种无线传递方式对电子技术的应用提出了越来越高的要求。随着无线通信中语音业务、窄带和宽带数据业务、卫星广播、卫星定位的兴起，移动通信产品市场需求的日益膨胀，只有那些体积小，携带方便，高灵敏度，高稳定性的无线通信产品才能满足需求。天线作为通信设备中的前端部件，对通信质量起着至关重要的作用，传统的天线形式和功能在一定程度上不能跟上电子器件小型化发展的需求，这种与现代信息传递要求相适应的天线的发展方向是小尺寸、宽频带、高效率、大容量、多功能等。

宽带短波环形天线具有天线所要求的宽带化、小型化，实现保密通信，消除干扰等优点，在现代通信中对其的研究越来越重要。短波（2～30MHz）通信设备紧凑，通信距离远，建立速度快，抗摧毁性强，是军事通信中最基本的通信手段。但是，短波通信存在明显的盲区效应。例如，使用常见的短波车载天线，地波传播距离一般最远达20~30公里，在实际中，由于高山或建筑物的遮挡，也会出现在5km外接收不到信号的情况；而天波从电离层反射落地的最短距离一般约为100公里，这样在地波极限与天波传播最短距离之间就形成了通信“盲区”。传统上盲区处于30～480公里之间，这一区域在战术通信中十分重要，但在这一区域建立短波通信却比较困难。解决该问题的方法是对这一区域的通信采用近垂直入射天波（NVIS，Near Vertical Incidence SKY wave）传播通信方式。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4bqv.html