随着无线通信技术的迅速发展，尽管新型无线电通信系统不断涌现，短波通信^[1-2]因其独特的优点，仍受到全世界的重视。短波天线^[3-4]形式很多，其中应用最多的有对称天线、同相水平天线、倍波天线、角型天线、V型天线^[5]、菱形天线^[6]、鱼骨形天线^[7-8]等。作为重要的远程通信手段，短波不受网络枢纽和有源中继体制约，其抗毁能力和自主通信能力也十分突出。尤其在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波。短波的传输按传输路径不同，主要分为天波和地波两种。通信会因电离层和季节等变化而受到影响^[9]。通信距离与天线高度和辐射仰角密切相关，通过调节辐射仰角能有效调节通信距离，在诸多重要场合能做到灵活应用^[10-12]。一般研究天线特性都是把天线置于自由空间来分析，但在实际情况中，尤其是短波通信，天线架设在地面上，而地面的影响与天线的性能密切相关。短波天线工作时，发射频率和所处地域的大地电导率对天线周围的电场强度大小以及分布都有一定影响^[13-15]。天线激发的电磁场会在地面激起电流，该电流再在空间激发起二次场。空间场是天线直接激发的场与二次场的叠加，会使天线的方向特性、阻抗特性、天线效率等发生很大的变化。因此指定天线辐射方向的同时(尤其是低仰角)，确保天线的性能变得十分困难。另一方面，短波天线的尺寸较大，制作成本较高。

本文设计了一种最大辐射方向俯仰角可调的缩比变形对数周期天线。通过调节振子的旋转角，改变天线结构，使得该对数周期天线在1~2 GHz实现VSWR < 2，俯仰角在25°到90°连续可调。另外，在辐射相反方向加入X型反射器，相比无反射器的对数周期天线，有效改善了前后比，增益显著提高。

1 天线结构 1.1 天线基本结构模型

天线结构如图 1所示，此天线以基本对数周期天线结构为基础，主体为4对振子，采用2个比例系数k₁和k₂控制其结构大小。相邻单元的长度l和间距s的比例为：

$ \frac{{{l_{n + 1}}}}{{{l_n}}} = {k_1} $

(1)

$ \frac{{{{\rm{s}}_{n + 1}}}}{{{s_n}}} = {k_2} $

(2)

该天线被放置在一块较大的用来模拟无限大的地的覆铜板上，天线最低端点离铜板高度为H₁。利用50 Ω的同轴线进行馈电，同轴线缆垂直穿过地板，在天线最低端内外导体分别与天线2根主干相连接，且其在空间位置保持不变。通过3个旋转角(ξ, γ, ψ)控制天线主体和振子的位置。其中，ξ为天线主干与地面的夹角，γ为一对振子组成的平面与天线主干所形成的夹角，ψ为一对振子所形成的夹角的一半。以PP’单元为例，振子终点在空间中的坐标为：

$ {X_{P'}} = {X_p} + {l_n}{\rm{ cos}}\, \psi {\rm{cos}}\, {\rm{(}}\gamma - \xi {\rm{)}} $

(3)

$ {Y_{P'}} = - {l_n}\sin \psi $

(4)

$ {Z_{P'}} = {Z_P} - {l_n}\cos \psi \;\sin (\gamma - \xi ) $

(5)

式中X, Y, Z为振子端点在三维空间中的坐标。天线主要结构参数由表 1给出。

1.2 加载X型反射器仿真性能分析

为增加前后比，在天线后端加载X型反射器。X型反射器由2根可伸缩的金属棒构成，其结构简单，易于重构。其位置和大小由R_x, R_y, R_z确定。倾斜程度可根据不同频点的实际情况调节。

本文采用原美国海军使用的仿真软件NEC对天线进行仿真分析。图 2为该天线垂直放置时(ξ, γ, ψ都为90°)的VSWR图。从图中可以看出，垂直放置时，天线的VSWR < 2阻抗带宽为0.910~2.070 GHz，满足设计要求。图 3为增加X型反射器对该天线方向图和增益的影响。从图 3可以明显看出，加载X型反射器后，天线后向辐射减小，增益增加了1.1 dBi。

2 调节辐射仰角仿真结果

确定天线基本结构后，调节3个旋转角和X型反射器的状态，可以实现在频带内任意辐射角度的定向辐射。表 2为中心频率为1.5 GHz时各个仰角的结构参数。当俯仰角大于60°时，X型反射器将倾斜放置或不需要。图 4为改变天线ξ, γ, ψ 3个旋转角以及X型反射器位置与形状所实现的不同辐射角度方向图。图 5为增益随俯仰角度的变化，可以看出，该天线在阻抗带宽范围(以1 GHz, 1.5 GHz, 2 GHz为例)可以实现俯仰最低25°至最高90°的连续调节。随着频率的升高，相同辐射方向上增益增加。同一频率下，随着辐射俯仰角的降低，波束越来越窄，增益随之越来越大。

3 结论

本文提出一种最大辐射方向俯仰角可调的缩比变形对数周期天线，通过改变天线主体和振子的旋转角，使得该对数周期天线的最大辐射方向在一定范围内连续可调。增加X型反射器，有效改善了前后比，增加了天线增益。这种可以调整振子旋转角的对数周期天线能够在1~2 GHz实现VSWR < 2，俯仰角从25°到90°连续可调。该方法适用于短波天线。