嵌套結構在短波環天線的應用

王瑞玉

摘 要：常規環天線受制于其尺寸而僅能諧振于某一固定窄帶頻點，因而限制其多場合使用。本文提出一種嵌套環天線，通過仿真與分析，指出該型環天線設計的有效性與獨特性：嵌套環的數量增加諧振點數，引入適當缺口可以獲得多頻點和寬頻性。這為環天線的進一步應用與發展奠定了基礎。

關鍵詞：環天線;缺口;多頻;短波

Abstract：The conventional loop antenna is limited by its perimeter and only resonates at a certain fixed narrowband frequency point， and thus its practical application is limited. In this paper， a nested ring-loop antenna is proposed. Through simulation and analysis， the effectiveness and uniqueness of this type of loop antenna are pointed out： the nested number increases the number of resonance points， and the introduction of an appropriate gap can obtain multiple frequency points or broadband frequencies. It lays a foundation for the further application and research of the loop antenna.

Keywords： Ring antenna， notch， multi-band，shortwave

環形天線是一種閉路天線[1]，其中包括的諧振環天線有適中的輸入阻抗，對稱的方向圖和適當的方向性系數，很多參數與直線振子極為相似，研究表明每個諧振環可等效為兩個半波振子的疊加[2]。環天線結構簡單，架設靈活且工作在諧振狀態的高Q值的特點使得其在無線電監測、電磁兼容測試有廣泛應用。但環天線的缺點如單頻點、窄頻帶性較突出，因而在短波收發場合應用較少。如果一副以普通環為基礎的天線能彌補其缺點，發揮其優勢，就可以顯著降低使用成本，擴大環天線使用場合。所以，具有低成本、易制作特性的多頻環天線成為需要克服的難題。

雖然近些年引入機電結合、插入阻抗元件或網絡、補償技術、開槽結構等可以顯著增加短波天線的諧振點和擴展工作頻帶，但整體結構較復雜，成本較高，實用性較差，且難以移植到環天線上。若借助于分形結構，引入結構的自相似性，可以使環天線能夠在多個頻段工作。研究表明，天線的通頻帶由嵌套環數量大小控制，且各諧振頻點與相應輻射單元的尺寸密切相關[3]。因此本文提出一種簡易的嵌套環天線結構，并根據實際情況可自行調整嵌套環大小和缺口位置、數量，可有效引入多頻點和寬頻性，克服單環天線的缺點，為其廣泛應用奠定了研究基礎。

具體天線結構如圖1所示：

選定一個外環半徑3.5m，內環3.49米，口徑0.01米的銅環天線為基礎結構，下面展示嵌套環數量以及缺口位置對天線性能的影響。

當一個普通單環天線，其半徑長度為2.5米，3米，3.5米時，其天線反射系數仿真結果如圖2所示。

從圖2可知，普通單環天線為單一諧振頻率，半徑為3.5、3米、2.5米時，諧振點為14.3MHz、17Mhz、20MHz，反射系數為-17dB附近。隨著半徑的減小，環天線發生藍移現象;而當普通單環天線分別引入半徑為3米、2.5米的嵌套環時，其天線反射系數的仿真結果如圖3所示：

從圖3可知，普通單環天線為單一諧振頻率，此時諧振點為14.3Mhz，反射系數-17dB;當嵌套進3米形成雙環天線時，以-10dB為界，有明顯的雙頻段，第一諧振點為14.6MHz，反射系數為-27.61db，第二諧振點為18.2Mhz，反射系數為-17.86dB;當嵌套進2.5米和3米形成三環天線時，以-10dB為界，有明顯的三頻段，第一諧振點為15.2MHz，反射系數-17.89dB，第二諧振點為18.50Mhz，反射系數為-23.44dB，第三諧振點為22.70MHz，反射系數為-12.75dB。三環嵌套天線諧振點近似于三個不同尺寸的環天線各自獨立諧振頻率，從三環天線三個頻率對應的表面電流也可以看出，如圖4所示。

圖4所示三個表面電流圖分別對應從低頻到高頻的三環諧振頻率，在每個環間距為0.5米的情況下，三環嵌套天線效果近似于三個獨立環天線諧振頻率。因為天線的部分結構之間間距較小，環與環之間會產生互耦，所以3個環之間并不獨立，因而諧振點不完全符合三個獨立環天線頻率。當嵌套環大小變化時，也就是環之間間距變動時，在一定范圍內，其諧振點是可以控制的。以雙環嵌套為例，如圖5所示。

圖5所示雙環嵌套，當內環從3.2米減小到2.6米時，雙環天線的高頻頻點發生藍移現象，說明嵌套環天線可以根據環大小變化來調整實際需要的頻點。

文獻說明了當環天線引入缺口，可有效分割出不同的電流模式，引入不同的諧振頻率，且缺口的大小并不會導致頻率明顯的偏移[4]。以外側大銅環天線圓心為頂點，以圓心到饋線端中心為圓弧起始線，旋轉a的角度確定缺口位置，為簡潔結果說明，只摘出a角度為90度和120度兩個角度說明缺口環天線的特性，其結構和反射系數如圖6、7所示。

常規環天線僅能諧振于某一固定窄帶頻點，但借助于嵌套結構和引入缺口，可以有效擴展其頻帶和增加頻點。本文通過仿真與分析，證實了該結構的有效性與獨特性：嵌套環的數量增加諧振點數，引入適當缺口可以獲得多頻點和寬頻性。此研究結果可能為環天線的進一步應用與發展奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] Balanis C A. Antenna theory： Analysis and design[J]. IEEE Antennas & Propagation Society Newsletter， 2003， 24（6）：28-29.

[2] 李明. 復式環電視發射天線設計研究[D]. 蘭州大學， 2010.

[3] 胡章芳， 胡銀平， 羅元，等. 一種新型共邊矩形環嵌套的分形多頻天線設計[J]. 電子器件， 2017， 40（1）：33-39.

[4] 劉宏. 缺口對環天線的影響[J]. 現代工業經濟和信息化， 2017， （6）：33-39.