螺旋加载倒f天线的设计.pdf

·1298·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 The Design of Helix Loaded IFA Wang Zhiyuan , Ni Wenjun , Jiang Fanjie (Shanghai Reasearch Institude of Mircowave Equipment , Shanghai 201802) Abstract: This paper prensents an airborne IFA（Inverted F Antenna） works in VHF band. Considerding the miniaturization requirement for airborne antenna,the helix loaded technique was adopted. With simulation and optimization,a sample which works at 251MHz and only 200mm×70mm×60mm in dimensions was made. It has good isotropization and gain, suitable for airborn communication. Keywords: IFA;Helix loaded; Miniaturization 1 引言 倒 F 天线（IFA，Inverted F Antenna）是由单极 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 分之一波长，具有结构简单、全向性优良等特点 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，Inverted L Antenna）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 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 为了解决这一个矛盾，在 ILA 的垂直元末端再 接上一个倒 L 形结构便构成了 IFA 利用增加的这个 结构可调整天线与同轴线的匹配性能，而无需另增 匹配电路由于 IFA 具有低剖面、易于匹配、易于 加工和安装等特点，因此在移动终端、通信、机载通信等领域得到了广泛的应用 2 仿真设计 典型的 IFA 结构如图 1 所示，天线可看作由馈 电杆、支撑杆和辐射杆三部分组成 图 1 典型 IFA 结构 本文设计的天线是为机载通信而开发的，频率 251MHz，垂直极化，方位面全向，增益要求大于 0dBi，对尺寸有一定限制。

如果采用传统的 IFA 天 线，辐射杆长度 L 大约在 280mm 左右，尺寸过大 受法向模螺旋天线的启示，我们采用了螺旋加载技馈电端底板·1299·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 ANSOFT HFSS 11， 建立的模型如图 2 所示 图 2 螺旋加载 IFA 模型 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 杆与支撑杆高度 H=47mm，螺旋管长度 L1=140mm， 螺旋管采用φ4mm 的铜管绕制而成，内径 r=10mm， 螺距 s=12mm 仿真的驻波曲线和方向图如图 2~5 所示 图 3 仿真驻波曲线 图 4 仿真 H 面方向图（yoz 截面） 图 5 仿真 E 面方向图（xoy 和 xoz 截面） 3 样品与测试结果 我们按照仿真结构制作了一个样品，如图 6 所 示由于天线带宽很窄，因此样品谐振点与仿真结 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 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： ·1300·图 7 实测驻波曲线 图 8 实测 H 面方向图（yoz 截面，发射垂直极化） 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 是比较一致的该天线对于垂直极化有着较好的全 向辐射特性，其不圆度小于±1dB，实测增益为 1.8dBi，比仿真值略低 4 结论 本文介绍了一种工作在 251MHz 螺旋加载的倒 F 天线，通过将天线的部分辐射杆由直线变为螺旋 线，使辐射杆的电长度增加，从而使天线总长度大 幅减小了约 40%。

经对比测试，螺旋加载前后，天 线的方向图和增益均没有明显变化这种天线适合 于作为机载通信天线使用 参 考 文 献 [1] 陈曦 等，无人机机载通信倒 F 天线的设计与特性分析，装备指挥技术学院学报，2007.8 [2] Lal Chand Godara 主编，左群声 等译，无线通信天线手册，国防工业出版社，2004 [3] 林昌禄. 天线工程手册. 电子工业出版. 2002. 作者简介 王致远，男，本科，主要从事天线的研究与设计； 倪文俊，男，硕士，主要研究领域为宽带天线、相控阵天线； 蒋凡杰，男，高级工程师，主要研究领域为电子战天馈系统、微波与射频系统、相控阵天线 螺旋加载倒F天线的设计螺旋加载倒F天线的设计作者：王致远， 倪文俊， 蒋凡杰 作者单位：上海微波设备研究所,上海 201802本文链接：。