短波車載三環(huán)天線性能仿真分析

李引凡，孫月光，李長勇，卜　鑫

(1．重慶通信學(xué)院信息工程系， 重慶　沙坪壩　400035； 2．國防信息學(xué)院信息系統(tǒng)系， 湖北　武漢 430010；3．沈陽軍區(qū)通信團(tuán)， 遼寧　沈陽　110141)

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短波車載三環(huán)天線性能仿真分析

李引凡1，孫月光2，李長勇1，卜鑫3

(1．重慶通信學(xué)院信息工程系， 重慶沙坪壩400035； 2．國防信息學(xué)院信息系統(tǒng)系， 湖北武漢 430010；3．沈陽軍區(qū)通信團(tuán)， 遼寧沈陽110141)

[摘要]在介紹短波車載三環(huán)天線組成和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)短波車載三環(huán)天線和短波車載4 m鞭狀天線的輸入阻抗、調(diào)諧匹配、方向圖、最大輻射仰角和最大增益等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比仿真分析后，對(duì)三環(huán)天線的性能和通信能力進(jìn)行了論述.

[關(guān)鍵詞]短波通信；三環(huán)天線；輸入阻抗；輻射仰角；近垂直入射天波

短波車載三環(huán)天線是部隊(duì)裝備最早、應(yīng)用最廣泛的短波車載天線之一，主要用于短波通信車移動(dòng)狀態(tài)下的短波通信.

1車載三環(huán)天線結(jié)構(gòu)

車載三環(huán)天線頂部由3個(gè)平面環(huán)組成[1]，如圖1所示.常見尺寸有：長3.9 m、寬1.3 m、環(huán)層厚10 cm；長3.2 m、寬1.8 m、環(huán)層厚10 cm.天線安裝于一升降機(jī)上，距車頂90 cm(升起天線時(shí))或30 cm(降下天線時(shí))，在電臺(tái)工作時(shí)，應(yīng)將三環(huán)天線升起，否則天線的增益會(huì)降低，影響通信效果.天線體由直徑2.5 cm的鋁管構(gòu)成，饋線由車尾頂部延伸上來接于離一端30 cm的邊管上.天線邊管中間有一個(gè)使環(huán)開路或短路的套筒，該裝置一般處于閉環(huán)狀態(tài)，當(dāng)天線調(diào)諧器不調(diào)諧時(shí)，可以將開/閉環(huán)套筒拉開或閉合，改變天線輸入阻抗，有時(shí)可改善與天線調(diào)諧器的調(diào)諧匹配.

車載三環(huán)天線主要用于1.5～30 MHz的短波通信，特性阻抗50 Ω，功率容量小于1 kW，最大通信距離約為1 000 km.該天線是對(duì)傳統(tǒng)垂直車載鞭狀天線的改進(jìn)，相當(dāng)于鞭狀天線接一個(gè)由3個(gè)水平環(huán)組成的頂負(fù)載，三環(huán)到天線調(diào)諧器間的連線相當(dāng)于鞭狀天線的垂直部分.文獻(xiàn)[1]指出，采用這種水平三環(huán)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的4 m垂直鞭狀天線相比可以帶來幾個(gè)好處：

(1)三環(huán)天線降低了天線的高度，提高了車輛的通過能力和機(jī)動(dòng)性；

(2)三環(huán)天線的電長度大于4 m鞭狀天線，改善了天線低頻端的阻抗特性，有利于天線調(diào)諧器的調(diào)諧匹配；

(3)三環(huán)天線水平放置在車頂，提高了近垂直方向的輻射性能，有利于克服短波通信中的“靜區(qū)”效應(yīng).

圖1　車載三環(huán)天線結(jié)構(gòu)圖

2天線性能指標(biāo)仿真分析

在基于矩量法的天線分析工具M(jìn)MANA-GAL軟件中對(duì)三環(huán)天線進(jìn)行建模[2]，車頂離地高度2.5 m，地面電導(dǎo)率為10 ms/m、介電常數(shù)15.

2.1　輸入阻抗與工作頻段

通過仿真可畫出三環(huán)天線和4 m鞭狀天線在1.5～30 MHz內(nèi)的輸入阻抗變化曲線，如圖2所示.

(a) 輸入電阻

(b) 輸入電抗圖2　天線輸入阻抗

從圖中可以看到，鞭狀天線的輸入阻抗變化平穩(wěn)，全頻段內(nèi)僅有一個(gè)諧振點(diǎn)，位于18 MHz附近；三環(huán)天線的輸入阻抗則具有更大的動(dòng)態(tài)范圍和更多的諧振點(diǎn)，在12 MHz、18 MHz和24 MHz附近的諧振點(diǎn)輸入阻抗分量達(dá)到了103～104Ω數(shù)量級(jí).在12 MHz以下的低頻段，與鞭狀天線相比，三環(huán)天線的電抗分量有所改善，但電阻分量卻更為惡化.

圖3給出了SG-230型天線調(diào)諧器[3]對(duì)三環(huán)天線808個(gè)頻點(diǎn)以及4 m鞭狀天線570個(gè)頻點(diǎn)的匹配結(jié)果，其中令Rg=50 Ω且電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)值取全局最優(yōu)解.

圖3　SG-230天調(diào)匹配結(jié)果

從圖中可以看到，在頻段低端，由于天線具有極小的輸入電阻分量和極大的輸入容抗分量，其阻抗分布已超出了SG-230天線調(diào)諧器的匹配范圍，因此具有極大的VSWR值.隨著頻率的上升，VSWR值逐漸下降，若以VSWR = 2(圖3中的虛線)為適配標(biāo)準(zhǔn)且令滿足該門限值的最小頻點(diǎn)為適配頻段下限，則三環(huán)天線和4 m鞭狀天線的適配頻段分別約為f>5 MHz和f>3.45 MHz，顯然4 m鞭狀天線在頻段低端的匹配性能表現(xiàn)更佳.當(dāng)然其適配頻段中仍存在若干不調(diào)諧點(diǎn)，如三環(huán)天線在5～7 MHz、10 MHz附近等，但其所占比例在可以接受的范圍以內(nèi).當(dāng)f>7 MHz時(shí)，總體的匹配情況比較理想，且兩種天線的匹配性能差異不大.

對(duì)比圖2，從圖3中還可以看到，在電阻分量具有極大值的諧振頻段，天線調(diào)諧器對(duì)三環(huán)天線的匹配與其他頻段并無明顯差異，說明較大的輸入電阻分量并不直接導(dǎo)致調(diào)諧困難，相反，較小的輸入電阻分量更容易導(dǎo)致調(diào)諧失敗(文獻(xiàn)[4]中對(duì)此有所論證).雖然配接不同的天線調(diào)諧器可以使工作頻段有不同的表現(xiàn)，但在低頻段，由于輸入電阻分量太低，即便調(diào)諧，天線也未必能發(fā)揮良好的性能.

2.2　天線方向圖

仿真給出了三環(huán)天線和4 m鞭狀天線在1.5～30 MHz內(nèi)等間隔的5個(gè)頻點(diǎn)的H面(XOY水平面)和E面(XOZ垂直面)方向圖，如圖4所示.從圖中可以看到，兩種天線的H面方向性并不明顯，基本呈現(xiàn)全向性，尤其在頻段1.5～30 MHz的高段和低段.在頻段中段，兩種天線的H面方向性略微有所偏移，如圖4中的B線.E面內(nèi)，兩種天線的最大輻射仰角和最大增益總體上隨著頻率的上升而增大，三環(huán)天線的最大輻射仰角接近90°，鞭狀天線的最大輻射仰角小于80°，最大增益分別為6.1 dBi和3.5 dBi.

(a) 三環(huán)天線

(b) 4 m鞭狀天線A: 9 MHz　B: 16 MHz　C: 23 MHz圖4　天線方向圖

2.3　最大輻射仰角

仿真給出了三環(huán)天線和4 m鞭狀天線在1.5～30 MHz內(nèi)的最大輻射仰角變化曲線，如圖5所示.

圖5　最大輻射仰角

從圖中可以看到，f<8 MHz時(shí)，兩種天線的最大輻射仰角差異不大，均為20°～30°的低仰角.隨著頻率上升，鞭狀天線在f>17.4 MHz后獲得接近80°的高輻射仰角，而后又逐漸下降；三環(huán)天線的最大輻射仰角則在起始頻段上有所提前，當(dāng)f>13.5 MHz時(shí)，可以獲得超過70°的高輻射仰角，并在f=19 MHz附近達(dá)到最大值90°.然而，即便如此，對(duì)于要求低頻段(f<12 MHz)、高仰角(Δ>70°)的NVIS通信[5-6]而言，三環(huán)天線在最大輻射仰角這一參數(shù)上也并不滿足要求，因此其用于近垂直入射天波(Near Vertical Incidence Sky-wave, NVIS)通信的能力還需進(jìn)一步討論和驗(yàn)證.

2.4　最大增益

仿真給出了三環(huán)天線和4 m鞭狀天線在1.5～30 MHz內(nèi)的最大增益變化曲線，如圖6所示.從圖中可以看到，鞭狀天線的最大增益在頻段高段更高，最高為f=13 MHz附近的4.3 dBi，低段次之，中段最低，最低為f=16 MHz附近的1.06 dBi，但總體而言變化比較平穩(wěn).三環(huán)天線的最大增益變化則更加劇烈：在f<13 MHz時(shí)其增益低于鞭狀天線，最低達(dá)到了f=12.3 MHz附近的-10 dBi；在f>13 MHz時(shí)其增益則高于鞭狀天線，最高達(dá)到f=30 MHz附近的7.7 dBi.

圖6　最大增益

2.5　三環(huán)天線仿真結(jié)果

仿真給出了三環(huán)天線在1.5～30 MHz內(nèi)的不同仰角上的增益變化曲線，如圖7所示.

圖7　不同仰角增益圖

結(jié)合圖2至圖6的分析可以得到以下結(jié)論：

(1)近距離地波通信.對(duì)于低仰角、低頻段的近距離(<50 km)地波通信而言，三環(huán)天線可以在Δ<10°、f<10 MHz的條件下發(fā)揮較好的性能.雖然性能不如4 m鞭狀天線，但在移動(dòng)條件下采用三環(huán)天線可以使通信變得更加靈活.

(2)近距離天波通信.對(duì)于高仰角、低頻段的近距離(<200 km)天波通信(即NVIS通信)而言，三環(huán)天線在Δ>70°、f<12 MHz的條件下表現(xiàn)出的性能不佳，在低頻段既無法獲得高的最大輻射仰角，也無法在高仰角上獲得高的增益，無助于解決短波通信的靜區(qū)問題.

(3)遠(yuǎn)距離天波通信.對(duì)于中高仰角、中高頻段的遠(yuǎn)距離(500～1 000 km)天波通信而言，三環(huán)天線可以在30°<Δ<50°、f>12 MHz的條件下發(fā)揮出良好的性能，相比4 m鞭狀天線，其性能有所提升.

3結(jié)語

短波車載三環(huán)天線裝備部隊(duì)已接近20年，在短波機(jī)動(dòng)通信中發(fā)揮了巨大的作用.然而，在使用過程中出現(xiàn)的通信效果差、通信距離近以及無法克服靜區(qū)等問題，也進(jìn)一步限制了通信戰(zhàn)斗力的提升.對(duì)現(xiàn)有三環(huán)天線進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)新的可以克服靜區(qū)的新型短波車載天線成為當(dāng)務(wù)之急.可喜的是在這方面的研究已有新的成果出現(xiàn)和應(yīng)用，可參考文獻(xiàn)[7].

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔡英儀，王坦．短波天線工程建設(shè)與維護(hù)[M]．北京：解放軍出版社，2003.

[2]李長勇，王少華，章鋒斌，等．短波車載三環(huán)天線性能仿真[J]．軍事通信技術(shù)，2013，34(3)：69-72.

[3]SG-230 smartuner antenna coupler: installation and operations manual [R]. SGC Inc，2000.

[4]李引凡，卜鑫，彭焰．天線調(diào)諧器Γ形/反Γ形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估算[J]．重慶通信學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，32(1)：20-23.

[5]李引凡．NVIS傳播的理論與實(shí)現(xiàn)[J]．重慶通信學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，23(4)：55-58.

[6]李長勇，李引凡，李衛(wèi)東．短波通信頻率選擇與天線架設(shè)[J]．重慶通信學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，31(2)：7-10.

[7]王少華，李長勇，彭川．一種新型車載短波半環(huán)天線的仿真與分析[J]．重慶通信學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，32(6)：4-6.

(責(zé)任編輯吳強(qiáng))

Simulation analysis on the performances of vehicle mounted

three-loop HF antenna

LI Yinfan1, SUN Yueguang2, LI Changyong1, BU Xin3

(1. Department of Information Engineering, Chongqing Communication College, Shapingba Chongqing 400035, China；

2. Department of Information System, Academy of National Defense Information, Wuhan Hubei 430010, China；

3. Communications Regiment, Shenyang Military Region, Shenyang Liaoning 110141, China)

Abstract：The components and forms of HF vehicle mounted three-loop antenna are introduced at first. The HF vehicle mounted three-loop antenna and 4 m whip antenna are used to simulate and analyze the parameters such as inputting impedance, maximum elevation angle, pattern and maximum gain with different frequencies. The results between two types of antennas are compared. At last， the performances and communication abilities of three-loop antenna are discussed.

Key words：HF communications; three-loop antenna; input impedance; radiation elevation; NVIS

[中圖分類號(hào)]TN82

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-8004(2015)05-0046-04

[作者簡介]李引凡(1979-)，男，重慶市人，講師，碩士，主要從事軍事無線通信技術(shù)與裝備方面的研究.

[收稿日期]2015-02-28