基于CST软件的对数周期天线设计

摘要：

对数周期天线存在多种形式，主要包括齿片形、齿线型和偶极型等。其中，1960年提出的对数周期偶极子天线（LPDA）是结构最简单、应用最广泛且性能优良的一类对数周期天线，广泛应用于 UHF、VHF、HF 频段的电视、通信等各个领域中。本文根据相关理论，设计一款工作在200MHz到600MHz的对数周期天线，并且将其垂直交叉仿真，在馈电上进行等幅相位相差90度馈电，实现了宽频带内圆极化辐射特性。

关键词：对数周期天线 交叉极化 圆极化 CST 宽频带

一．设计原理

对数周期天线具有高度的自相似特性，工作带宽极宽，可以达到 10:1 甚至更高。由于天线的电特性如阻抗特性，方向特性等都是电尺寸的函数，所以电特性和电尺寸息息相关。假设天线的频率按照某一个比例变化之后仍然能保持天线的电尺寸不变，那么就意味着天线的电特性在这些频率上就保持不变。当天线的振子尺寸 Ln+1/Ln=τ，即频率 fn+1/fn=1/τ，满足 τ无限接近于 1 的时候，理论上天线的宽带可以趋近无穷大。因为此时天线频率趋近于连续变化，天线的尺寸无限精细，导致尺寸也会无限大，这在现实情况中是无法满足的。
 庆幸的是，实际通过实验得到的结果证明不需要每个工作频率都要有相对应的振子工作。接上信号源后电磁能量沿着集 合线传输，依次对不同的振子进行交叉馈电，当振子长度接近谐振长度时能激励起较大电流，天线的辐射效果就会达到最佳；当振子长度和谐振长度相差较大时激励起的电流会很小，意味着辐射也就很小，对远场的贡献可以忽略不计。对数周期天线在不同辐射阵子上的电流分布近似于高斯分布。因此，某一特定工作频率之下，根据不同尺寸对应着不同的电尺寸，对数周期天线可以划分为三个区域，分别是辐射区（或称为有效区），传输区和截止区。

图1 对数周期天线结构图

图2对数周期天线增益等值曲线

二．天线设计

根据相关理论，计算出天线最长振子L1，最短Ln，确定比例因子与间隔因子，建立如下模型：

图3 交叉放置天线模型

图4 天线反射系数

图5 天线交叉隔离度

图3给出天线的模型，天线交叉垂直放置，在短振子处进行交叉馈电，图4是反射系数，在200MHz到520MHz范围内均小于-10dB，图5是天线交叉极化隔离情况，可以看到在整个频带内，隔离度大于40dB。

图6 200MHz方向图

图7 400MHz 方向图

图8 600MHz方向图

图6-8给出天线的方向图，可以看到在这三个频点均有很好的方向性。

图9 phi=90度方向图

图10 theta=90 度方向图

图11 phi=0度方向图

图9-11给出三个面的方向图，选择频点为400MHz，可以看出方向性很好。

图12 400MHz时电流

图12给出400MHz频点的电流，可以看到最大地方为靠近中心位置。

图13 天线轴比

图13给出交叉馈电情况下的轴比，根据圆极化波是由两个正交90度，幅度相同而相位差90度的电场构成，可以用宽带线极化天线构建宽带圆极化，不过难点是设计宽带功分器。

三．总结

本文根据相关理论，设计了一款由对数周期天线交叉放置的圆极化天线，并且给出了天线的方向图，增益，反射系数，轴比等关键数据，提供了一种实现宽带圆极化的思路。