对数周期阵列天线低频增益优化仿真分析

邹爱华，徐长武

（1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201；2.上海保隆汽车科技股份有限公司，上海 201619）

对数周期阵列天线低频增益优化仿真分析

邹爱华1，徐长武2

（1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201；2.上海保隆汽车科技股份有限公司，上海 201619）

利用计算机电磁仿真软件，通过仿真试验结果分析，对小型对数周期阵列辐射抗扰测试天线进行低频段（60 ～200 MHz）增益补偿。优化后的小型对数周期阵列辐射抗扰测试天线测试数据与仿真预期基本相符。仿真数据和实际测试数据表明：优化后的小型对数周期阵列天线从60 MHz频率开始具有良好的电场特性，可以有效运用于汽车零部件和子系统的辐射抗扰测试。

偶极子；单极天线；对数周期阵列天线（LPDA）；垂直极化；仿真分析

无线电波是指在自由空间传播的射频频段的电磁波，天线在通信、雷达、导航、广播等领域广泛应用，无线电波的发射和接收都需要由天线来实现［1］。对数周期阵列天线是一种宽带定向天线，这种天线具有方向性好、频带宽、有一定增益等优点，其中应用广泛的典型结构是由偶极子构成对数周期振子。电磁波场强辐射抗扰测试广泛运用于汽车零部件和子系统验证测试，有些设备制造商（OEMs）可能需要从100 MHz甚至更低频点开始执行测试。目前，测试通常是在半电波暗室，要求天线到零件正面距离为1m，例如遵守国际无线电干扰委员会CISPR25的暗室。为满足从低频60 MHz开始的垂直极化能力达到100 V/m的辐射电磁波场强，需要采用大尺寸的天线，而在小暗室使用大尺寸天线不符合国际标准组织的ISO11452-2［2］要求。本文主要通过计算机电磁仿真结果设计低频段（60～200 MHz）增益补偿的小型对数周期阵列辐射抗扰测试天线，该天线低频段的垂直极化能力达到100 V/m。

1 对数周期阵列天线基本参数

对数周期阵列天线设计的目的是具有很宽的带宽。理论上可达到的带宽是无限的。然而，带宽实现依赖于天线结构的尺寸和天线的精度，大尺寸天线具有较低工作频率以及更精确的高频特性。对数周期阵列天线能够很好地提高整体增益和提供分集接收能力［3］。

图1 典型对数周期阵列天线

对数周期阵列天线是由几个不同长度和位置的偶极子振子［4-5］构成，如图1所示。在实际的应用中，为了增强天线的方向性，提高增益，获得更高的功率，可以采用将对数周期阵列天线进行组阵的方法来实现。将对数周期阵列天线在空间范围内按一定角度进行组阵，可以大大增加天线的发射接收功率，扩宽天线有效频率范围，提高天线增益。一个精心设计的对数周期阵列天线需要满足以下要求：宽的带宽，低电压驻波系数（VSWR），平坦的高增益和良好的方向性。它可获得增益超出全向辐射器近9.5 dB。

对数周期阵列天线频率与电参数无关，例如阻抗R0，馈线特性阻抗Z0，以及导纳Y0，而是随着频率的对数呈周期性变化。例如，低频点f1，变化为带宽范围内的频率f2，则f2= f1/τ， τ为周期常数，τ<1.0，则

如图2所示，周期常数τ取决与振子的长度L， 以及振子间距d，S 是槽间距，Zo天线馈线阻抗。

图2 对数周期阵列天线模型

偶极子长度Ln=τ/（n-1）

周期常数τ计算如下

式中：Ln——第n个振子的长度；dn——第n个振子与第n-1个振子的间距。

小型对数周期阵列天线增益可由周期常数τ及间隔因子σ求出

小型对数周期阵列天线由2个对数周期阵列天线组成，增益可以提高3～5 dB［6］.

2 优化后小型对数周期阵列天线

根据上述天线设计方法，采用不同长度阵列组成对数天线可以提高频率范围，因为天线带宽范围与周期常数τ有关，天线的输入阻抗取决于偶极子的特性阻抗。

因此，采用电磁仿真软件仿真得到比原始小型对数周期阵列天线（图3）更加优化的偶极子振子长度。小型对数周期阵列天线有4个对数天线：L（1）、 L（2）、L（3） 和 L（4） 。优化低频增益所需对应的振子为L（1，4）1、 L（1，4）2 和L（2，3）1（图4）。对于原始对数周期阵列天线，L（1，4）1和L（2，3）1 频率大约在 200 MHz，L（1，4）2 频率大约在 220 MHz。这些振子呈几何对称分布，L（1，4）1和L（2，3）1长度为454 mm ， L（1，4）2长度为375 mm。

图3 原始小型对数周期阵列辐射抗扰测试天线

图4 原始小型对数周期阵列辐射抗扰测试天线需要优化的振子

原始小型对数周期阵列天线的有效频宽是200 MHz～4 GHz。优化后小型对数周期阵列天线低频扩宽为60～200 MHz。如图4所示，6个振子［L（1，4）1、 L（1，4）2 和L（2，3）1］决定了优化后的低频带宽。根据设备制造商（OEMs）辐射抗扰要求，需要100～400 MHz垂直极化测试。因此，我们通过这6个振子计算出长度［6］，设计优化后小型对数周期阵列天线，如图5所示。

仿真中，辐射边界（Radiation）就是一种模拟辐射到空间的无限远处的吸收边界条件。在辐射边界表面，二阶辐射边界条件如下［6-7］。

式中：Etan——表面电场的切向分量；k0——自由空间相位常数

图5 优化后小型对数周期阵列辐射抗扰测试天线

天线的远场辐射特性是辐射边界面上的积分而获得，所以在辐射边界上的手动网格细化可以提高天线远场辐射特性的计算精度［7］。图6为仿真软件中建立的天线模型。

图6 优化后小型对数周期阵列辐射抗扰测试天线辐射边界

3 仿真和测试结果

根据计算机软件仿真和计算结果（仿真频率设置为100 MHz），优化后的长度L（1，4）1’、L（1，4）2’ 和 L（2，3）1’ 大约为720 mm、560 mm 和1140 mm。仿真结果表明优化后天线低频段60～200 MHz 的电压驻波比（VSWR）和增益得到显著提高，200 MHZ～1 GHz的VSWR与原天线基本吻合。

比较VSWR仿真结果（图7）和实际测试结果（图8），原始小型对数周期阵列天线在165.7 MHz～1 GHz频段内VSWR值在2.5以内，小于165.7 MHz频段驻波比远大于2.5，仿真结果符合原天线规格；优化后对数周期阵列天线与仿真结果非常接近，在60 MHz～1 GHz频段内VSWR值在2.5以内，低频扩频效果比较理想。

同样，从最大增益仿真图看，增益也得到了很大提高。原始对数周期阵列天线最大增益是-1.6 dBi，优化后对数周期阵列天线的增益是2.85 dBi，最大增益提高近4 dBi。如图9、图10所示。

为了在实际环境中验证仿真的结果，我们以100 V/m 作为辐射电磁场强度为目标在半电波暗室进行测试，图11为60～200 MHz频带内场强测试结果曲线，优化后对数周期阵列天线的垂直极化能力达到100 V/m的辐射电磁波场强。

图7 原始和优化后小型对数周期阵列天线的VSWR仿真结果对比

图8 原始和优化后小型对数周期阵列天线的VSWR实测结果对比

图9 原始小型对数周期阵列天线仿真增益（仿真频率设置为100 MHz）

4 结论

从仿真和暗室数据看，仿真软件建模仿真与暗室实际测试数据相近，这说明优化后的低频段增益补偿的小型对数周期阵列辐射抗扰天线设计方案是合理的，利用电磁仿真具有一定的指导意义。从60～200 MHz，电压驻波比VSWR小于2.5：1，增益提高了4.0 dBi，60 MHz频点开始直极化能力达到100 V/m的辐射电磁波场强。EMC工程师可以把该天线有效运用于汽车零部件和子系统的辐射抗扰测试。

图10 优化后小型对数周期阵列天线仿真增益（仿真频率设置为100 MHz）

图11 100 V/m的辐射电磁波场强实际测试结果

［1］ 王新稳，李延平，李萍.微波技术与天线［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［2］ ISO 11452-2：2004，Road vehicles-Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 2：Absorberlined shielded enclosure［S］.

［3］ CarreL，The Design of Log-Periodic DipoLe Antennas［G］，1961 IRE InternationaL Convention Record，61-75，Part 1.LLL

［4］ 朱丹丹.天线阵列优化研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［5］ Larricoals，P. J. B. Propagation and antennas for mobile communications.London Institution of Eectrical Engineers［S］，2003.

［6］ The Log-periodic Dipole Array［OL］ .http：//www.salsburg.com/Log-.

［7］ 谢拥军，刘莹，李磊，等.HFSS原理与工程应用［M］.北京：科学出版社，2009.

（编辑 凌 波）

Simulation Analysis on LPDA Low Frequency Gain Optimization

ZOU Ai-hua1， XU Chang-wu2
(1. Pan Asia Technical Automotive Center Co.， Ltd.， Shanghai 201201；2. Shanghai Baolong Automotive Corporation， Shanghai 201619， China)

In this article， an optimized low frequency gain (from 60～200 MHz) of a small log periodic dipole array antenna（LPDA）is presented from the simulation results of the High Frequency Structure Simulator (HFSS)software. The actual results of the optimized small dual stacked LPDA match simulation expectation. Both results prove that this optimized LPDA can apply to the immunity testing for automotive components and sub-system and has a good performance in E-field characteristic from 60 MHz.

dipole；monopole antenna；LPDA；vertical polarization；simulated analysis

U463.673

A

1003-8639（2017）07-0058-04

2017-03-27

邹爱华（1978-），女，福建人，主要从事汽车电子电磁兼容工作；徐长武（1983-），男，主要从事汽车电子射频设计工作。