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共形VHF对数周期气球天线
高翔，沈忠祥，华常州
摘要 - 本文介绍了一种工作在甚高频波段的共形对数周期气球天线。该天线由8个共形弓形偶极单元组成，它们由平行条传输线交叉馈送，然后连接到圆柱形气球的表面。通过对共形条形偶极子和保龄球偶极辐射性能的详细比较，设计了一种共形对数周期弓形偶极气球天线。仿真结果表明，其工作带宽为60~233 MHz，电压驻波比(VSWR)小于2，端面辐射方向图为5 DBI平均增益。用铝箔和聚氯乙烯气球制作的全尺寸原型的测量结果与模拟结果吻合较好，说明了气球天线在甚高频通信系统中的潜在应用。
索引条款 - 气球天线，弓形偶极子，弓形天线，对数周期天线，甚高频（VHF）。
i.引言
随着材料和加工技术的飞速发展，充气技术在制造大型天线中得到了广泛的应用。与传统结构相比，充气天线具有重量轻、体积小、可以灵活控制展开过程、调节天线性能等优点。一般来说，充气天线目前可以延伸到几十米，并且将来更有可能达到几百米，这可以有可能以低成本和高增益实现大孔径天线。
充气反射器天线作为早期充气天线的主要形状，在近几十年的空间应用中得到了广泛的关注[1]-[3]。Llsquo;Garde[4]率先开发了空间充气反射器天线，其结论是，充气反射器可以由聚酰亚胺薄膜的接合平板天线构成，并在空间环境中维持多年的微流星体轰击，对充气气体的需求相对较小。1996年，在奋进号航天飞机上发射了充气天线实验(IAE)，对大口径充气天线进行了测试[5]。实验证明，该天线具有较低的成本，能够在太空中制作和部署一个直径14米的微波反射器天线。充气反射器天线虽然具有良好的性能，但由于表面粗糙度的影响，其工作频率通常限制在L波段以下。为了克服这一缺点，开发了充气平面阵列天线[6]，[7]，例如使用充气管状框架来支持带有印刷微带贴片的薄膜辐射表面。
另一种有趣的充气天线是气球天线，它非常适用于海上或陆地上的紧急通讯。不幸的是，与充气反射器和平面阵列天线相比，在开放的文献中对充气气球天线的研究很少。文[8]设计并分析了一种短波气球天线，该天线包括四条气球内壁辐射带和一根印在底部外壁上的导电基片。然而，这种气球天线的带宽是相当狭窄的。此外，在[8]中没有讨论过任何模型或实验测量。
在这种通信中，描述了一种共形对数周期气球天线.虽然对数周期偶极天线(LPDA)以其制造成本低、辐射性能好等优点在许多无线通信系统中得到了广泛的应用[9]-[12]，但对共形LPDA的研究却很少。我们的工作贡献如下。1)对保角形条形偶极子与保角形条形偶极子进行了详细的比较，论证了保角形条形偶极子的优越性。2)提出并设计了一种共形对数周期弓形偶极气球天线，重点研究了圆柱形曲率对天线辐射性能的影响。3)以铝箔和聚氯乙烯(PVC)气球为基材，制作了全尺寸原型，并在考虑了地面影响的情况下，在室外进行了测量。仿真结果与实测结果吻合良好，表明该气球天线在较宽的工作带宽下具有良好的辐射性能，在甚高频(VHF)无线通信系统中具有潜在的应用价值。
ii。保角形条形偶极子与保龄球偶极的比较分析
在描述共形对数周期气球天线的设计之前，首先要研究和比较不同共形偶极子的性能。图1显示了ANSYS高频结构模拟器(HFSS)中保角形条形偶极子和保龄球偶极的模型，该模型可以与直径D的圆柱形气球共形。
图1所示共形偶极子的具体结构参数列于表一。这里，两个共形偶极子的曲率半径(D/2)都设为0.5m，这与后面描述的共形对数周期气球天线的设计是一致的。保形条形偶极子的基本参数为L=2.5m，w=39.3mm，对应于工作在60 MHz，长径比为100的圆柱形偶极子的尺寸。保角形弓形偶极的总长度为2m，仅为共形条形偶极子的80%。
图2显示了保角形条形偶极子和蝶形偶极子的模拟输入阻抗结果。可以清楚地看到，保角形保龄球偶极与共形条形偶极子具有相同的谐振频率(接近60 MHz)，尽管其总长度减少了20%。此外，与保角形条形偶极子相比，保角形保龄球偶极在工作频率上具有更平坦的曲线，显示出更宽的带宽。
图3示出了这两个共形偶极子在E平面(YZ-平面)上模拟的辐射模式的比较。结果表明，保角形蝶形偶极子的主瓣较窄，在y方向辐射功率较小，这主要是由于两个偶极子之间电流分布的差异所致。如图4所示，共形条形偶极子上最左和最右的电流幅值几乎相等，但由于严重弯曲，方向相反，导致远区辐射场沿z方向抵消。相比之下，虽然保角形保龄球偶极上也有一些相反的电流，但由于尺寸减小，它们的数值明显小于保角形条形偶极子，因为它们离开口较近。
图5显示了保角形条形偶极子和保龄球偶极沿z方向的模拟方向性。结果表明，共形偶极子的方向性随频率的增加而减小，这主要是由于在频率较高的偶极子最左边和最右侧出现较大的电流所致。与共形条形偶极子相比，保角形蝶形偶极子具有更高、更少的方向性。
图1.ANSYS中的两个共形偶极子模型。(a)共形条状偶极子和(b)共形保龄球偶极。
表一共形偶极子的配置参数
图2.模拟共形条形偶极子和保龄球偶极的输入阻抗。
图3.(a)共形条形偶极子和(b)共形弓形偶极E面(YZ-平面)上的模拟辐射模式。
图4.模拟共形偶极子的电流分布。(A)共形条状偶极子和(B)共形保龄球偶极。
图5.模拟了共形条形偶极子和保龄球偶极沿z方向的方向性。
Iii.共形对数周期气球天线A.对数周期气球天线的设计
A.对数周期气球天线的设计
在这一部分中，设计了一个在VHF频段的共形对数周期气球天线.如图6所示，天线包含八个保龄球偶极单元，它们与直径为1米、长度为2米的圆柱形气球的表面是共形的。如第二节所示，共形保龄球偶极因其优越的性能而被应用于对数周期气球天线的设计中。保龄球偶极子是交叉馈电的平行条传输线，印刷在薄罗杰斯400 3C基板的顶部和底部，其介电常数为3.55，厚度为1.5mm。此外，具有50Omega;的终端电阻连接到气球天线的开口端以吸收剩余功率。
图7示出共形对数周期气球天线的扩展平面图。根据文献[13]，对数周期天线的增益主要取决于标度因子tau;和间隔因子sigma;，一般情况下，选择较高的tau;和sigma;值会带来较高的增益，但会导致天线尺寸更大、单元数目更多。为了缩小气球天线的尺寸，将标度因子tau;设为0.8。对于小于0.8的tau;，由于有源区域中只有一个元件，天线的性能将恶化[14]。此外，选择了间距因子sigma;为0.08，与tau;一起实现了理论增益约为6dB的文献[13]。另外，由于空间有限，保角形保龄球偶极子的耀斑角设置为20◦。使用[13]中的设计准则和通过HFSS模拟进行微调，最终的天线参数将在表二中列出。
图6.共形对数周期气球天线的几何形状。
图7.共形对数周期气球天线的扩展平面视图。
表二气球天线的几何参数
图8显示了共形对数周期气球天线的模拟和优化电压驻波比(VSWR)。由于对数周期天线可视为电容负载的传输线，其输入阻抗在很大程度上取决于中心平行带线的特性阻抗。如图8所示，当平行条宽度为3.5mm时，获得最佳阻抗匹配。可以清楚地看到，尽管天线尺寸相对较小，元件较少，但天线的阻抗带宽很宽，在60~233 MHz之间，VSWR小于2。
图9显示了共形对数周期气球天线的模拟E面(YZ平面)和H平面(XZ平面)辐射方向图.由于尺寸限制，最长的保龄球偶极在60 MHz处产生共振，从而在60 MHz产生一个大的尾火辐射模式的背瓣。如果可以添加另一个较长的元素，它可能会减少。在80 MHz时，随着工作频率的增加，后瓣迅速减小，前后比达到10 dB。
为了描述所提出的气球天线在实际应用中的灵活性，有必要进一步研究圆柱形曲率对天线辐射性能的影响。图10示出不同直径的共形对数周期气球天线的模拟输入阻抗。可以清楚地看到，随着气球直径D的增大，天线的输入电阻和电抗波动较小。对于较小的D值，曲线的频率依赖性较强，特别是在低频段，这主要是由于小型化天线元件在严重弯曲时表现出较高的品质因子和较弱的辐射能力。图11示出了气球直径对气球天线的辐射方向图的影响，它清楚地表明，当D在低频中减小时，低频处的前向后向比迅速恶化。总之，所提出的气球天线能够在直径大于1米的情况下工作，具有良好的辐射性能。
图6所示的共形对数周期气球天线作为一种特殊的LPDA，与传统结构相比具有许多优点。首先，不同于通常由长而直的金属棒或管组成的常规甚高频测周期天线，我们建议的天线结构可以通过将预切薄铝或铜箔附加到PVC气球上来实现，这既简单又经济。此外，与传统的甚高频对数周期天线相比，所提出的气球天线非常轻，可以很容易地封装成一个小体积的传输。最后，气球天线可以很容易地部署到一个灵活的高度，从地面，消除建立一个大型安装平台的麻烦。这特别适用于某些无线应用，例如海上或偏远地区的临时或紧急通信。
图8.共形对数周期气球天线的VSWR仿真与优化
图9.模拟共形对数周期气球天线的辐射方向图。(A)E-平面(YZ-平面)和(B)H-平面(XZ-平面)。
图10.模拟了不同直径共形对数周期气球天线的输入阻抗。
图11.在不同频率下模拟了不同直径D的共形对数周期气球天线的辐射方向图。(A)E-平面(y-平面)和(B)H-平面(XZ-平面)。
B.气球天线的测量
图12示出用于增益测量的气球天线的实验结构。可以看出，两个相同的共形对数周期气球天线被用作发射和接收天线，它们被放置在同一高度的地球表面之上。此外，采用两个低插入损耗的射频(RF)巴伦(FTB-1-1来自微型电路)来实现这些气球天线的两个端口的不平衡-平衡过渡。通过使用矢量网络分析仪(VNA)测量传输参数S21，可以相应地获得气球天线的增益。对于VSWR的测量结果，可以直接从VNA中得到，具有相似的实验结构。
图12.用于增益测量的气球天线的实验结构。
图13.模拟地球上空气球天线的驻波比。
图14.模拟地球上空气球天线的辐射效率。
图15.地球上空气球天线的计算增益。
如图12所示，由于气球天线下面有一个无限的地球地面，因此有必要研究地球地面对天线辐射性能的影响。假定地球层是由介质常数为15，电导率为0.028 S/m[15]的土壤构成的，图13显示了在不同高度(0.5~4m)无限大地球地面上气球天线的模拟驻波比(VSWR)。可以清楚地看到，当h大于2m时，VSWR是非常稳定的，与在自由空间情况下得到的VSWR相似。图14示出无限地球地面上共形对数周期气球天线的辐射效率。为了避免因地面损耗而导致的辐射效率下降，气球应放置在离地面至少2米的地方。在足够的高度下，气球天线的辐射效率相对较高且稳定，在60~233 MHz范围内可达80%以上。
至于图12所示的增益测量，由于我们计算机的内存有限，用HFSS计算散射参数S21是不现实的。本文提出了一种有效地模拟实际测量情况的方法。如图12所示，由于土壤的原因，有两个波向接收气球天线传播。考虑到这两种极化成分，可得出测量的S21如下[13]：
其中R是两个气球天线馈电端口之间的距离，DPC是相位中心到馈电端口之间的距离，(rho;theta;，rho;ϕ)是两个极化的土壤地面反射系数，(Gtheta;，Gϕ)表示气球天线在自由空间中实现的增益。在这里，DPC和(Gtheta;，Gϕ)都可以很容易地得到。在计算S21之后，可以使用下列公式[13]导出气球天线的增益：
基于(1)和(2)，计算了端口距离为10m的气球天线的增益，如图15所示。结果表明，当高度h为15m或更高时，所有频率的增益基本不变，与在自由空间中得到的增益基本一致。主要原因是，从地球地面反射的信号要比从较高的直接路径反射的信号小得多。然而，在实际环境中，虽然较高的高度带来了较好的效果，但建立这样高的实验结构却是不方便的。事实上，虽然在2~10m的高度上出现了误差，但增益测量的误差很小，小于1dB。
图16.气球天线的照片和实验装置。
图17.共形对数周期气球天线的VSWR测量和仿真结果。
图18.测量并仿真实现了共形对数周期气球天线的增益结果。
考虑到地面的影响和实际测量装置，共形对数周期气球天线的高度h和端口距R分别为2和10m。图16示出气球天线的设置照片，这些天线是通过切割铝箔带并将它们粘贴到PVC材料制成的圆柱形气球上制成的。无花果。17和18分别显示了测量的VSWR和实现的气球天线增益。结果表明，测量结果与模拟结果吻合较好。设计的共形对数周期气球天线的工作频率范围为60~233 MHz，平均测量增益约为4.5DBI。由于气球天线具有较大的结构尺寸，在甚高频波段工作，因此很难测量其辐射方向图。然而，实测实现的增益结果与模拟结果吻合较好。它们还表明，气球天线沿其末火方向具有较强的辐射强度.
Iv.结语
在对共形条形偶极子和保龄球偶极进行分析和性能比较的基础上，提出了一种共形对数周期气球天线。气球天线采用保角形蝶形偶极子作为元件，具有体积小、带宽、端射图稳定、辐射效率和增益合理等优点。用铝箔和PVC气球制作的原型天线的测试结果表明，该设计具有良好的辐射性能，在甚高频频段无线通信系统中具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] A. G. Roederer and Y. Rahmat-Samii, “Unfurlable satellite antennas: A review,” Ann. Telecommun., vol. 44, no. 9/10, pp. 475–488, Sep./Oct.
1989.
[2] M.
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