螺旋加载倒f天线的设计

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1、螺旋加载倒F天线的设计王致远倪文俊蒋凡杰（上海微波设备研究所，上海201802）摘要：本文介绍了一种工作在VHF频带内的机载倒F天线。由于机载天线有小型化的要求，因此采用了螺旋加载技术，使天线尺寸大幅缩小。经过仿真优化，制作了一个尺寸仅为200mm×70mm×60mm工作在251MHz的天线样品。经测试，其具有很好的全向性和较高的增益，适合于作为机载通信天线使用。关键词：倒F天线，螺旋加载，小型化TheDesignofHelixLoadedIFAWangZhiyuan,NiWenjun,JiangFanjie(ShanghaiReasearchInstitudeofMircowaveEquip

2、ment,Shanghai201802)Abstract:ThispaperprensentsanairborneIFA（InvertedFAntenna）worksinVHFband.Considerdingtheminiaturizationrequirementforairborneantenna,thehelixloadedtechniquewasadopted.Withsimulationandoptimization,asamplewhichworksat251MHzandonly200mm×70mm×60mmindimensionswasmade.Ithasgoodisotrop

3、izationandgain,suitableforairborncommunication.Keywords:IFA;Helixloaded;Miniaturization机载通信等领域得到了广泛的应用。1引言倒F天线（IFA，InvertedFAntenna）是由单极2仿真设计子天线发展而来的。单极子天线是从中心馈电点处切去一半并相对于地面馈电的偶极子，长度约为四典型的IFA结构如图1所示，天线可看作由馈分之一波长，具有结构简单、全向性优良等特点。电杆、支撑杆和辐射杆三部分组成。但对于大多数的应用，尤其是在低频段，单极子天线纵向尺寸过于庞大，不利于安装和使用。倒L天线（ILA，Invert

4、edLAntenna）的出现克服了这一缺点。ILA是把单极子天线相对于地面折弯成L形状而成，相当于对单极子天线增加了一个顶负载，它大大减小了单极子天线的纵向尺寸。但是馈电端底板由于对ILA天线高度的限制，导致其输入电阻一般很小，与50欧姆同轴线匹配困难。图1典型IFA结构为了解决这一个矛盾，在ILA的垂直元末端再本文设计的天线是为机载通信而开发的，频率接上一个倒L形结构便构成了IFA。利用增加的这个251MHz，垂直极化，方位面全向，增益要求大于结构可调整天线与同轴线的匹配性能，而无需另增0dBi，对尺寸有一定限制。如果采用传统的IFA天匹配电路。由于IFA具有低剖面、易于匹配、易于线，辐射杆

5、长度L大约在280mm左右，尺寸过大。加工和安装等特点，因此在移动终端、手机通信、受法向模螺旋天线的启示，我们采用了螺旋加载技·1298·术，将天线的部分辐射杆由直线变为螺旋线，在不改变天线辐射特性的情况下，使天线辐射杆长度大幅减小到170mm左右，更适合于机载的使用条件。天线的设计和优化采用了ANSOFTHFSS11，建立的模型如图2所示。图2螺旋加载IFA模型图5仿真E面方向图（xoy和xoz截面）经过仿真和优化后确定的尺寸为：金属杆直径D=5mm，馈电杆与支撑杆中心间距d=20mm，馈电3样品与测试结果杆与支撑杆高度H=47mm，螺旋管长度L1=140mm，螺旋管采用φ4mm的铜管绕制而

6、成，内径r=10mm，我们按照仿真结构制作了一个样品，如图6所螺距s=12mm。示。由于天线带宽很窄，因此样品谐振点与仿真结仿真的驻波曲线和方向图如图2~5所示。果是存在一定频差的，需要修剪螺旋管的长度使其在251MHz上谐振。另外，地板尺寸对该天线的谐振频率和驻波都有较大影响，需要根据实际使用情况对天线谐振频率进行微调。样品的调试和测试均在一块450mm×300mm的大金属底板上进行，模拟实际工作环境。图3仿真驻波曲线图6制作出的IFA实物天线的极化方式也比较特殊：在yoz截面上，即天线底板平行地面时，主极化为垂直极化；在xoy截面上，即螺旋管垂直地面放置时，主极化方向与螺旋管轴线一致，为垂

7、直极化，但水平极化分量也很大，仅低于主极化约5dB，为“∞”形；而在xoz截面上，以水平极化为主。由于天线极化的特殊性，因此IFA非常适合于手持、机载等天线姿态不确定的应用场合。天线实测结果如图7~9所示：图4仿真H面方向图（yoz截面）·1299·图7实测驻波曲线图9实测E面方向图（蓝色实线，xoy截面，发射垂直极化；红色虚线，xoz截面，发射水平极化）从测试结果可以看出，天线的性能与仿真结果是