一種機(jī)動(dòng)架設(shè)高增益短波天線設(shè)計(jì)

楊華,蘭明蛟,王星全

(總參謀部通信訓(xùn)練基地，河北 張家口 075100)

0 引言

短波通信作為軍事通信的一種重要手段，是軍隊(duì)通信裝備體系中的一個(gè)重要組成部分，具有通信距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)、靈活性高、自主通信能力強(qiáng)、使用維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)[1]，在戰(zhàn)時(shí)對(duì)保障各級(jí)指揮機(jī)關(guān)和作戰(zhàn)部隊(duì)的不間斷通信意義顯著。目前主要有：偶極子天線[2]、三線式[3]、鞭狀[4]、錐形[5]、環(huán)形[6]等結(jié)構(gòu)形式的短波天線。

在機(jī)動(dòng)架設(shè)條件下，目前短波通信多使用偶極子天線，這種天線存在以下缺點(diǎn)：①阻抗失配造成約60%的功率損失，因此天線增益低；②天線具有2個(gè)增益相同的仰角，在定向通信中，另一個(gè)仰角發(fā)射了無(wú)用功率，因此天線方向性不強(qiáng)，且易暴露發(fā)射機(jī)位置，易受干擾；③在高頻段和低頻段之間轉(zhuǎn)換時(shí)，需升降天線人工干預(yù)天線振子開(kāi)路/短路，因此波段變換麻煩。

隨著短波通信新技術(shù)的發(fā)展，特別是擴(kuò)頻技術(shù)在短波通信中的應(yīng)用，研究和開(kāi)發(fā)高增益、寬頻帶的短波天線已成為影響短波通信發(fā)展的重要因素[7]。

本文針對(duì)偶極子天線的缺點(diǎn)，提出了機(jī)動(dòng)架設(shè)條件下高增益短波天線的設(shè)計(jì)方法，采用FEKO電磁仿真軟件對(duì)比分析新型天線的性能指標(biāo)，仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)天線比偶極子天線具有更高的增益、更強(qiáng)的方向性和更小的駐波比，且能夠更好的克服短波通信盲區(qū)。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

單偶極子天線L0在前后通信方向上沒(méi)有強(qiáng)弱之分，通過(guò)在有源振子L0的前面加引向器L1可提高天線的增益和方向性[8]，如圖1所示。

圖1 偶極子天線提高增益和方向性的方法Fig.1 Method of improving gain and directivity on dipole antenna

本文受單偶極子天線提高增益和方向性方法的啟示，將兩單元偶極子天線有源振子L0的2個(gè)頂端向L1的2個(gè)頂端方向彎曲并最后短路形成一個(gè)等腰三角形振子，三角形的底邊和2個(gè)腰構(gòu)成的天線振子可互為引向器和反射器構(gòu)成引向天線[9]形成合成場(chǎng)強(qiáng)，從而進(jìn)一步提高天線的方向性和增益，如圖2所示。

圖2 機(jī)動(dòng)架設(shè)高增益短波天線模型Fig.2 Model of mobile span and high gain short wave antenna

1.2 天線結(jié)構(gòu)

天線由三大部分構(gòu)成：天線振子、天線饋線和控制盒。天線結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 天線結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of antenna structure

通過(guò)合理選擇天線振子、饋線的尺寸可以使天線獲得較寬的帶寬和較好的方向性。

天線振子為等腰三角形，三角形底邊長(zhǎng)度為38 m，高度為12 m，周長(zhǎng)為83 m，天線振子結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 天線振子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of vibration generator structure

天線饋線采用平行線饋電，阻抗為600 Ω，導(dǎo)線直徑d=2 mm，根據(jù)特性阻抗的計(jì)算公式[10]：

(1)

計(jì)算得到兩平行傳輸線中心軸的距離S=150 mm，兩饋線間用絕緣體支撐，天線饋線結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 天線饋線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of transmission line structure

天線饋線和天線體相接的右側(cè)接環(huán)氧樹(shù)脂絕緣板，天線饋線左側(cè)邊接天線體的控制盒，控制盒有2個(gè)出線端子連接電臺(tái)車倉(cāng)的天線饋線接線端子。

天線控制盒具有2個(gè)作用：一是完成天線調(diào)諧器和傳輸線饋線的單-雙端轉(zhuǎn)換匹配[11]；二是隔離射頻信號(hào)和控制信號(hào)。天線控制盒結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 天線控制盒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch of control box structure

為了滿足天線振子電流分布產(chǎn)生最大場(chǎng)強(qiáng)的需求，三角形底邊中間被開(kāi)路或短路以適應(yīng)低頻率段和高頻率段要求，用屏蔽線的芯線控制磁保持繼電器通斷實(shí)現(xiàn)開(kāi)路或短路改變天線振子的電流分布，射頻信號(hào)在集膚效應(yīng)的作用下沿屏蔽線的外層傳輸，屏蔽線的芯線控制磁保持繼電器的通斷。磁保持繼電器只有工作轉(zhuǎn)換時(shí)加電，完成轉(zhuǎn)換后斷電，磁保持繼電器電路示意圖如圖7所示。

圖7 磁保持繼電器開(kāi)路短路示意圖Fig.7 Sketch of magnetic latching relay

2 仿真與分析

利用FEKO電磁仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在相同的條件下，對(duì)比新型天線和偶極子天線的增益、方向性、駐波比等指標(biāo)，驗(yàn)證新型天線的具有更好的性能。

仿真圖8～15中實(shí)線代表新型短波天線，38B,38K分別代表新型天線處于閉路和開(kāi)路狀態(tài)，虛線代表40 m偶極子天線。2種天線的架設(shè)高度為10 m，地面參數(shù)為PEC，Theta=θ，仰角Δ=90°-θ，φ=180°為天線的發(fā)射方向。

2.1 天線增益

仿真驗(yàn)證了2種短波天線在30°，45°仰角上的增益，仿真結(jié)果如圖8，9所示。

圖8 3～5MHz時(shí)30°和45°仰角增益對(duì)比Fig.8 30° and 45° elevation gain in 3～5 MHz

圖9 5～11MHz時(shí)30°和45°仰角增益對(duì)比Fig.9 30° and 45° elevation gain in 5～11 MHz

從仿真結(jié)果可以看出：新型天線的增益在5.5～11 MHz頻率之間明顯高于偶極子天線。

2.2 天線方向性

仿真驗(yàn)證了天線在30°，45°仰角上的方向性，仿真結(jié)果如圖10，11所示。

圖10 3～5 MHz時(shí)30°和45°仰角方向性對(duì)比Fig.10 30° and 45° elevation directivity in 3～5 MHz

圖11 5～11 MHz時(shí)30°和45°仰角方向性對(duì)比Fig.11 30° and 45° elevation directivity in 5～11 MHz

從仿真結(jié)果可以看出：在頻率3～6.5 MHz范圍內(nèi)新型天線與偶極子天線方向性相近，在頻率7～11 MHz范圍內(nèi)新型天線的方向性明顯優(yōu)于偶極子天線，說(shuō)明新型天線具有良好的單仰角發(fā)射特性。

2.3 天線駐波比

天線駐波比越小，天線上損失的功率就越小，因此仿真驗(yàn)證了天線的功率損失，仿真結(jié)果如圖12，13所示。

圖12 3～5 MHz發(fā)射100 W功率時(shí)損失對(duì)比Fig.12 Loss power of 100 W in 3～5 MHz

圖13 5～11 MHz發(fā)射100 W功率時(shí)損失對(duì)比Fig.13 Loss power of 100 W in 5～11 MHz

從仿真結(jié)果可以看出：新型天線比偶極子天線具有更小的駐波比，較小的損失功率可以更好地發(fā)揮小功率電臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，因此，新型天線具有更好的適應(yīng)性，能夠提高短波通信的機(jī)動(dòng)性，能夠適應(yīng)更復(fù)雜地形環(huán)境要求。

2.4 通信盲區(qū)

短波通信中，通常在距發(fā)射點(diǎn)40～500 km的范圍內(nèi)存在通信盲區(qū)的現(xiàn)象。為了克服通信盲區(qū)，保證40～500 km較近距離的短波通信要求，常使用較低的頻率及高射天線。高仰角輻射較強(qiáng)，可以使天波傳播距離減小；而工作頻率的降低又可使地波傳播的距離增大，這樣可以有效解決短波通信的盲區(qū)問(wèn)題[12]。

仿真驗(yàn)證了天線在高仰角上的增益和方向性，仿真結(jié)果如圖14，15所示。

圖14 3～5 MHz時(shí)45°和90°仰角增益對(duì)比Fig.14 45° and 90° elevation gain in 3～5 MHz

圖15 3～5 MHz時(shí)45°和90°仰角方向性對(duì)比Fig.15 45° and 90° elevation directivity in 3～5 MHz

從仿真結(jié)果可以看出：在45°～90°高仰角上，新型天線的增益明顯高于偶極子天線，新型天線比偶極子天線在該頻率段有弱方向性。因此，新型天線可以延長(zhǎng)地波傳輸距離，并且天波傳輸時(shí)可以返回更多的信號(hào)能量，能夠更好的克服通信盲區(qū)。

3 架設(shè)方法對(duì)比

傳統(tǒng)40 m偶極子天線通常采用三桿架設(shè)，且三桿在一條直線上，兩端天線桿將天線振子拉直，中間桿防止饋線造成振子中部下垂，通信車在天線振子中部垂直方向位置。本文提出的新型天線也采用三桿架設(shè)方法，三桿呈等腰三角形，通信車位于三桿構(gòu)成的等腰三角形重心位置，確定等腰三角形重心比偶極子天線稍麻煩。因此新型天線架設(shè)時(shí)比偶極子天線稍麻煩。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種機(jī)動(dòng)架設(shè)高增益短波天線。天線采用了等腰三角形振子的天線結(jié)構(gòu)。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出：天線高頻段低仰角的增益和方向性都得到了增強(qiáng)且駐波比小，低頻段高仰角的增益得到了明顯改善，與偶極子天線相比在提高通信距離的同時(shí)還能夠更好的克服短波通信盲區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 阮炎.探討短波通信的應(yīng)用發(fā)展[J].戰(zhàn)術(shù)通信研究，2005，2(2)：27-29.

RUAN Yan.Research Application and Devolopment of Short Wave Communication[J]. Research of Tactical Communication, 2005，2(2)：27-29.

[2] 張繼宗，劉美玉.一種短波可變長(zhǎng)度雙極天線設(shè)計(jì)[J].軍事通信技術(shù)，2000,21(3)：57-62.

ZHANG Ji-zong,LIU Mei-yu. Design of a Dipole Antenna with Varialbe Length[J].Military Communication Technology, 2000,21(3)：57-62.

[3] 屠振，白貴芳，張廣求，等.一種新型三線式寬頻帶短波基站天線[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30(2)：79-84.

TU Zhen,BAI Gui-fang,ZHANG Guang-qiu，et al.A New Kind Three-Line Wide Band HF Base-station Antenna[J].Modern Radar, 2008，30(2)：79-84.

[4] 王玉龍，魯遠(yuǎn)曙，左衛(wèi).斜置短波寬帶鞭狀近垂直入射天線原理[J].艦船電子工程，2004,24(3)：93-96.

WANG Yu-long,LU Yuan-shu,ZUO Wei.Theory and Application of Inclined Shortwave Broad Band Scourge NVIS Antenna[J]. Ship Electronic Engineering，2004,24(3)：93-96.

[5] 王琪，阮成禮，王洪裕.任意錐角有限長(zhǎng)雙錐天線電磁特性的仿真研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2003,18(6)：756-759.

WANG Qi,RUAN Cheng-li,WANG Hong-yu.Simulation Study on the Electromagnetic Characteristics of the Biconical Antennas for Finite Length and Arbitrary[J].Chinese Journal Radio Science，2003,18(6)：756-759.

[6] 安鑫，李虎，任曉飛.短波寬帶雙環(huán)天線設(shè)計(jì)[C]∥全國(guó)天線年會(huì)論文集.北京：電子工業(yè)出版社，2009：1069-1072.

AN Xin,LI Hu,REN Xiao-fei. Dual Loop Antenna Design for ShortWave Direction Finding Alignment [C]∥Chinese Antenna Annual Meeting.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009：1069-1072.

[7] 沈琪琪，朱德生.短波通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995：1-5.

SHEN Qi-qi,ZHU De-sheng.Short Wave Communication[M].Xi′an: Publishing House of Xi′an Electronic scientific and Technological University，1995:1-5.

[8] 石長(zhǎng)生，王樸忠.天線原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992：25-28.

SHI Chang-sheng,WANG Pu-zhong.Principle of Antenna[M].Beijing: Publishing House of Tsinghua University,1992:25-28.

[9] 宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2009：91-95.

SONG Zheng,ZHANG Jian-hua,HUANG Ye.Antennas and Radio Wave Propagation[M].Xi′an： Publishing House of Xi′an Electronic Scientific and Technological University,2009:91-95.

[10] 美國(guó)業(yè)余無(wú)線電轉(zhuǎn)播聯(lián)盟.天線手冊(cè)[M]. 匡磊，陳榮標(biāo),譯.北京：人民郵電出版社,2010：697-698.

American Radio Relay League. Antenna Book[M]. KUANG Lei, CHEN Rong-biao，Translated. Beijing:Publishing House of People Post and Telecommunications,2010:697-698.

[11] 林昌祿，聶在平，肖篤樨,等.天線工程手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002： 420-421.

LIN Chang-lu, NIE Zai-ping,XIAO Du-xi，et al.Antenna Engineering Handbook[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2002:420-421.

[12] 總參謀部通信部.電波傳播與通信天線[M].北京：解放軍出版社，1985：15-19.

Communications Department of General Staff. Radio Wave Propagation and Communications Antenna[M].Beijing:Publishing House of PLA, 1985，15-19.