工艺拖鞋∗
收稿日期：2020年12月14日，修回日期：2021年1月25日
作者简介：曹永恒，男，硕士，高级工程师，研究方向：舰船电子与信息系统设计。李文华，男，硕士研究生，研究方向：微波技术与天线。 1引言
超短波天线频率范围为30MHz~300MHz ，其在 舰船、飞机以及汽车等领域的应用范围十分广泛［1~5］，可以实现较远的通信距离以及较高的通信质量。
船舶远洋通信的发展，对舰船的超短波通信提出越来越高的要求，要求天线集成化、小型化和平面化，可将天线嵌入、集成到上层建筑中，实现与船舶的一体化和隐身设计。通常情况下用于舰载超短波频段的通信天线形式为振子天线，如分支振子、折合振子、盘锥振子等，这种天线结构简单，但
是天线尺寸较大。为了便于安装和确保天线的鲁棒性和低RCS （雷达散射截面积），有必要对其进行小型化。此外传统的振子天线带宽较窄，难以满足实际舰船多信道开通的通信要求，所以要对其进行宽带化设计。目前实现宽频带、小型化的手段大多为曲流技术、加载技术及引入渐变结构等［6~12］，但是对工作在30MHz~88MHz 的超短波天线而言，其对低频段的改善效果并不明显，难以同时满足宽带和小型化的要求。 本文设计了一种具有小型化、宽频带的超短波刀型天线。通过在天线表面开多条引流缝隙延长 宽带小型化超短波刀型天线设计
∗
曹永恒1
李文华2
（1.中国船舶及海洋工程设计研究院
上海
200011）（2.西安电子科技大学
西安
710071）
摘
要
论文设计了一种宽频带、小型化的超短波刀型天线。首先，采用开引流缝隙的方法，不仅能有效拓展天线的阻
抗带宽，还能实现天线的小型化（0.11λ×0.08λ）；其次，通过引入断流缝隙，实现了天线输入阻抗虚部的容性化，便于集总元件的加载。最后，设计了一款适用于该天线的宽带匹配网络，实现了天线在30MHz~88MHz 的全频段匹配。仿真结果表明天线在30MHz~88MHz 频带驻波比小于3.5，水平方向增益在-10dBi 左右，且具有良好的水平面全向辐射特性。为了验证设计的准确性，加工了超短波天线缩比模型进行测试，仿真与实测结果吻合良好。
关键词
宽带；小型化；超短波天线；缩比模型
中图分类号
TN821
DOI ：10.3969/j.issn.1672-9730.2021.06.016
Design of Miniaturized Broadband VHF Blade Antenna
CAO Yongheng 1
LI Wenhua 2
（1.Marine Design &Research Institute of China ，Shanghai 200011）（2.Xidian University ，Xi 'an
710071）
Abstract
In this paper ，a miniaturized ，broadband very high frequency （VHF ）blade antenna is designed.Firstly ，the minia ⁃
turization of the antenna （0.11λ×0.08λ）can be achieved by slotting current guiding gaps ，which can also expand the bandwidth of the proposed antenna.Then ，an inverted-U shaped slot located on the bottom of the antenna is introduced to achieve capacitive in ⁃put impedance ，which is convenient to load the lumped element.Finally ，a broadband matching network is designed to realize the
broadband matching of the full band.The simulation results show that the antenna has a voltage standing wave ratio （VSWR ）of less
than 3.5in 30MHz~88MHz ，and the horizontal gain is around -10dBi ，and it has good horizontal omnidirectional radiation charac ⁃teristics.A shrinkage model of VHF antenna is fabricated for validation.The numerical simulation results have a good agreement with the measured results.
Key Words broadband ，miniaturization ，VHF antenna ，shrinkage model Class Number
TN821
总第324期
电流路径，实现了小型化。除此之外，通过引入断流缝隙、加载集总元件以及π型匹配网络展宽天线
带宽，使天线能在较宽的频带内实现全频段
S 11<-5dB 的阻抗匹配。天线的全向性能也较好，水平方向增益在-10dBi 左右。最后制作天线缩比模型进行实测，经对比仿真与实测结果有较高一致性。
2天线设计
刀型天线看作单极子天线的变形，天线与地面
有一个倾角［13］，倾角的大小会影响天线的增益以及带宽。
在超短波频段内，天线与金属材质的船体结构相距在0.1个波长以内，天线周围的电磁环境对天线方向图影响很大，所以要将船体的结构考虑在内，再进行整体仿真研究。在设计超短波天线之前，需要根据超短波天线实际安装的空间环境来进行建模。为了简化计算，这里采用金属地板来模拟实际船体。此外，为了满足舰载电子设备要求，将馈电点置于天线底部，有利于降低能量在同轴线缆中的传输损耗以及减小对船体内部其他结构的影响，从而提高天线的效率。所设计的刀型天线如图1（a ）所示，其中L a =45.5cm ，L b =51.9cm ，H =64.9
cm ，
θ1=52°。（a ）
刀型天线结构
（b ）反射系数
图1天线结构及反射系数
图1（b ）给出天线的反射系数。由图1（b ）可知，由于天线尺寸的限制，天线在低频段不能有效谐振，反射系数接近于0，只有部分高频段的反射系数低于-5dB （对应VSWR=3.5）。图2（a ）给出原
天线在50MHz 频率处的电流分布，可以看出电流方向沿斜边向下，因此可以通过采用曲流技术，延长电流的有效路径，
从而扩展天线带宽。
（a ）原天线电流分布（@50MHz
）
（b ）开引流缝隙后电流分布（@50MHz
）
（c ）反射系数
图2开引流缝隙对天线性能的影响
这里采用开引流缝隙的方式实现曲流。图2（b ）给出引流缝隙的位置以及电流分布。易知，在
引流缝隙影响下，电流方向由初始的沿尾翼两侧纵向向下，变为绕开缝隙向下，有效延长了天线的电流路径。此外，图2（c ）表明开引流缝隙能够增强天线在高频段的谐振特性，同时适当展宽高频段带宽，驻波比小于3.5的频段范围由原先的67.46MHz~81.40MHz 改善为68.79MHz~88MHz ，这也印证了开引流缝隙展宽带宽的有效性。
然而，这种拓宽带宽的效果并不明显，原因是天线的阻抗特性较差，尤其是在低频段。图3（b ）虚线部分给出天线开引流缝隙后的阻抗特性曲线，可以看出由于天线尺寸的限制，天线在低频段阻抗实部较小，虚部较大且为容性，随着频率的升高容值逐渐增大，在70MHz 以后阻抗虚部变为感性，并
曹永恒等：宽带小型化超短波刀型天线设计66
2021年第6期舰船电子工程逐渐增大。因此，通过在天线电流路径上开断流缝隙引入寄生电容，相当于容性加载，使得天线阻抗在全频段呈容性，从而改善天线在高频段的阻抗特性。
图3（a ）所示为天线表面开断流缝隙后的电流分布，电流先沿曲流路径向下，再沿断流缝隙两侧向下流动。图3（b ）给出天线表面开断流缝隙对天
线输入阻抗的影响。
（a ）电流分布（@50MHz
）
（b ）输入阻抗
图3
开断流缝隙对天线性能的影响
（a ）
加载电阻
（b ）加载电感图4加载不同电阻、电感对反射系数的影响图3（b ）表明天线表面开断流缝隙减小了阻抗虚部，有效地改善了天线在高频段的阻抗特性，同时有利于带宽进一步展宽和实现匹配。
尽管对天线表面进行开缝仅能改善高频段天线的带宽，但其对低频段的改善并不明显，体现在输入阻抗上，即实部依然较小，而虚部较大，匹配特性较差，能量无法有效辐射。所以通过加载技术对阻抗进行改善，
从而拓宽天线带宽。
（a ）
改进后刀型天线结构
（b ）
全波仿真电流分布
（c ）
输入阻抗
（d ）3D 辐射方向图（@50MHz ）
图5改进后刀型天线结构及仿真结果
67
总第324期
这里采用在断流缝隙中加载电阻和电感的方式改善阻抗特性。图4为加载不同电阻、电感对反射系数的影响，可以看出当电阻R 1=65Ω，电感L =200nH 时天线的谐振特性最好，同时带宽最宽。
最终得到超短波天线整体的结构如图5（a ）所
示，尺寸为0.11λ*0.08λ（λ为中心频率50MHz 相应波长）。模型尺寸如表1所示。
观察图5（b ）所示全波仿真的电流分布，与前文分析得到的电流分布基本一致，验证了电流分析的正确性。
表1
人工呼吸器超短波天线具体尺寸（单位：mm ）L 1420
L 2460
L 339
L a 64
L b 112
H 1246
θ152
W gap 15
由图5（c ）可知，加载电阻与电感后的超短波天线阻抗特性得到有效改善，具体表现为阻抗实部和虚部均增大，显著展宽了天线带宽。图5（d ）所示天线在水平方向上最大增益也在-10dBi 左右，具有良好的水平全向性。
3宽带匹配网络设计
如上所述，对天线表面开缝以及加载技术有效
地展宽了天线的带宽，但是从图7虚线部分可以看出，在超短波天线的工作频段30MHz~88MHz 内仍未实现完全匹配，
所以需要采用加载宽带匹配。
图6
宽带匹配网络结构
网络的方法实现宽频带的阻抗匹配。这里我们采用π型网络进行匹配，图6给出匹配网络的结构。
宽带匹配网络的传输矩阵为
[]A 1=éëêêùûúú1
01j ωL 1
1éëêêùûúú11j ωC 101éëêê
ùûúú1
01j ωL 2
1=éëêêêêêêùûúúúúúú
1-1
矫形鞋
ω2L 2C 11j ωC 1j (1ω3L 1L 2C 1
-L 1+L 2ωL 1L 2)1-1ω2
L 1C 1（1）利用传输参数A 和散射参数S 之间的关系
[]S =1A 11+A 12
+
A 21+A 22·éë
êù稀疏编码
ûú
A 11+A 12-A 21-A 222det []A 2A 12+A 22-A 11-A 21（2）
可以由天线输入端的S 参数反推出与之对应的A 参数。
[]A 2=éëêùû
ú
A 11A
12A 21A 22（3）
由A 矩阵的级联性质可知，整个天线系统输入端的A 矩阵为
[]A =[]A 1[]A 2
（4）
通过上述理论计算，结合S 参数和A 参数转换式，即可得出天线系统整体的S 参数。天线在全频段内满足阻抗匹配的情况下，可得最优电路参数
值：L 1=249.8nH ，L 2=152.8nH ，
C 1=66.3pF 。匹配前后天线反射系数对比曲线如图7所示，与未加宽带匹配网络相比，该天线系统在全频段具有良好的匹配特性。具体表现为在30MHz~88MHz 频段内反射系数低于-5dB （对应VSWR=3.5），近似低于-10dB （对应VSWR=1.92）
。
图7宽带匹配网络对天线反射系数的影响
4
实测分析
由于该超短波天线物理尺寸较大且频段较低，
在当前条件下天线的加工和测试都有一定难度，因此我们考虑采用加工天线缩比模型对原天线进行下一步的测试验证。根据经典Maxwell 理论，一种电磁结构在某一给定的频率f 时所具有的性质将和该结构所有的物理尺寸均以1n 的比例缩小后，在nf 频率时的性质近似相同，此即为电磁缩比测量理论的原理。加工的天线缩比模型如图8所示，此时加载的电阻R 1=65Ω，电感L =200nH 。
对宽带超短波天线缩比模型进行宽带匹配，采
用外加匹配电路板的形式对缩比超短波天线模型进行馈电，并在微波暗室进行测试，缩比天线模型
曹永恒等：宽带小型化超短波刀型天线设计68
2021年第6期舰船电子工程测试场景如图9
所示。
（a）正面（b）背面
除湿机回收图8超短波天线10.5
倍缩比模型实物图
图9测试环境
图10中显示了天线缩比模型加载π型匹配网
络前后的反射系数变化情况。与仿真结果相比，实
测结果在频率为300MHz左右匹配后的反射系数
较好，在频率为400MHz左右的部分频段较差，整
体来看天线缩比模型全频段基本满足VSWR<3.5，
天线阻抗带宽得到明显改善，实测结果验证了该设
计方法的有效性。
图10匹配网络对天线反射系数的影响
5结语
本文设计了一种宽频带、小型化的超短波刀型
天线。首先对天线表面开多条引流缝隙实现了天
线的小型化。此外，通过开断流缝隙、加载集总元
件以及π型匹配网络的方法实现了天线在30MHz~
88MHz的阻抗匹配（VSWR<3.5），水平方向增益
在-10dBi左右。最后对该天线加工了缩比模型并
进行测试，仿真与实测结果吻合良好。
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69
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