一种宽带短波环形天线的设计

Design of a Broadband HF Loop

Antenna

目 录

中文摘要、关键词 ...................................................................................... Ⅰ

英文摘要、关键词 ...................................................................................... Ⅱ

引 言 .......................................................................................................... 1

第一章 课题研究的背景及意义 ................................................................ 2

1.1 宽带短波环形天线的研究背景 ............................................................... 2

1.2 课题研究的意义 .................................................................................... 2

1.2.1 短波通信 ............................................................................................ 2

1.2.2 短波天线 ............................................................................................ 4

1.2.3 车载宽带短波NVIS半环鞭天线的意义 ............................................... 5

第二章 环形天线的宽带化和集总加载技术 ............................................ 7

2.1 环形天线 .............................................................................................. 7

2.1.1天线的电性能指标 ............................................................................... 7

2.1.2环形天线的概念 .................................................................................. 9

2.2 宽带天线的概念及实现.......................................................................... 9

2.2.1 天线的工作带宽及限制带宽的主要因素 ............................................... 9

2.2.2 实现线天线宽带化的主要方法 ........................................................... 10

2.3 集总加载对小环天线性能的影响 .......................................................... 11

第三章 宽带短波环形天线的优化设计方法 ............................................ 15

3.1宽带短波NVIS半环鞭天线的设计 ........................................................ 15

3.1.1 天线模型 .......................................................................................... 15

3.1.2宽带短波NVIS半环鞭天线的原理 ..................................................... 16 3.1.3 宽带短波NVIS半环鞭天线设计方案 ................................................. 16

3.1.4天调系统 .......................................................................................... 18

3.2 矩量法 ................................................................................................ 18

3.2.1 矩量法基本原理 .............................................................................. 19

3.2.2 矩量法方程的求解 ............................................................................ 21

3.3遗传算法在线天线优化设计中的应用 .................................................... 22

3.3.1遗传算法原理 .................................................................................... 22

3.3.2遗传算法在天线加载问题中的应用 ................................................... 23

3.4 宽带短波NVIS半环鞭天线的设计结果及分析 ...................................... 25

第四章 基于CST的宽带短波NVIS半环鞭天线优化设计 ................... 27

4.1宽带短波NVIS半环鞭天线的CST优化设计 ......................................... 27

4.1.1 CST概述 .......................................................................................... 27

4.1.2 使用CST优化天线性能参数的主要过程 ............................................ 28

4.2 短波环天线主要性能参数的CST仿真及结果分析 ................................ 29

4.2.1天线输入阻抗的CST仿真及结果分析 ................................................ 29

4.2.2天线方向图的CST仿真及结果分析 ................................................... 33

4.3结果分析及改进方案 ........................................................................... 41

结 论 .......................................................................................................... 43

致 谢 .......................................................................................................... 44

参考文献 ...................................................................................................... 45

附录 .............................................................................................................. 46

I 一种宽带短波环形天线的设计

摘要：在现代通信技术中，天线的宽带化和小型化是天线研究中的一个重要课题。环形天线具有结构简单、成本低、体积小、重量轻等诸多优点。同时在短波（2～30MHz）通信中存在明显的盲区效应，解决该问题的方法是对这一区域的通信采用近垂直入射天波（NVIS，Near Vertical Incidence SKY wave）传播通信方式。论文提出了一种车载宽带短波NVIS半环鞭天线，对这种天线进行集中加载来实现宽带化，通过矩量法(MoM)计算加载元件对天线电流分布的影响，继而估算出天线的输入阻抗、电压驻波比（VSWR）以及天线增益等特性参数；利用遗传算法（GA）对加载元件参数进行优化，得到趋于某一平均值、较平缓的输入阻抗曲线，然后在CST中设置初始参数进行优化。使该半环天线增益达到1dBi~11dBi,在MHzfz6MH2频率范围内3VSWR，在MHzfz30MH6频率范围内2VSWR，且在MHzfz30MH6范围内驻波比可小于1.5。该半环天线在2MHz～30MHz内辐射仰角高、全向辐射特性好，通信距离可达1000km。论文设计的半环天线不仅消除了短波通信盲区，而且基本实现天线的宽带化和小型化，达到通信要求。

关键词：短波通信 加载 矩量法 遗传算法 半环天线 CST

II Design of a Broadband HF Loop Antenna

Abstract：In modern communication technologies, the development of antenna with

wideband and small size characteristics became an important subject in the field of