便攜天饋系統(tǒng)在移動(dòng)電離層測(cè)高中的應(yīng)用

秦 旭

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林廣播電視發(fā)射臺(tái)，廣西 桂林 541002)

便攜天饋系統(tǒng)在移動(dòng)電離層測(cè)高中的應(yīng)用

秦 旭1，2

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林廣播電視發(fā)射臺(tái)，廣西 桂林 541002)

針對(duì)移動(dòng)電離層測(cè)高中對(duì)天線小型化和快速便攜架設(shè)的要求，設(shè)計(jì)了由倒V天線和智能調(diào)諧器組成的便攜式1 kW短波天饋系統(tǒng)。根據(jù)移動(dòng)電離層測(cè)高的特點(diǎn)，對(duì)使用的倒V天線進(jìn)行了仿真，并給出了天線的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也分析了智能調(diào)諧器的原理，特別在1 kW大功率工作條件下調(diào)諧器內(nèi)部的關(guān)鍵匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題，該系統(tǒng)在短波頻段內(nèi)以200 kHz步進(jìn)掃描，平均駐波為1.32，全頻段預(yù)置調(diào)諧時(shí)間在1 min以內(nèi)。

電離層測(cè)高;倒V天線;智能調(diào)諧器

0 引言

短波是一個(gè)不依賴于衛(wèi)星和基站的獨(dú)立通信系統(tǒng)，其作為可靠全球化通信系統(tǒng)的一部分在抗洪搶險(xiǎn)、應(yīng)急通信、航空航天和軍事通信方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，但由于短波主要依靠由太陽(yáng)輻射而生成高空的電離層進(jìn)行反射傳播，因此隨著太陽(yáng)對(duì)地球各地的輻射角度不同以及太陽(yáng)自身黑子數(shù)量周期的變化，地球高空的電離層會(huì)發(fā)生各種變化與擾動(dòng)，這將直接影響到短波的可用通信頻率窗口[1-2]。

因此為清楚地了解電離層狀態(tài)，氣象部門(mén)或相關(guān)的電波研究機(jī)構(gòu)會(huì)通過(guò)固定臺(tái)站的電離層測(cè)高儀定期對(duì)電離層狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量[3]，并發(fā)布監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)信息，通信部門(mén)就可依據(jù)發(fā)布的信息選擇相應(yīng)的短波通信窗口進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，以保證通信的可靠和穩(wěn)定性，但是由于固定的臺(tái)站分布和數(shù)量都比較有限，對(duì)于大量的地區(qū)無(wú)法覆蓋,這就需要使用移動(dòng)電離層測(cè)高儀來(lái)進(jìn)行覆蓋測(cè)量，以保證應(yīng)急通信、航空航天和軍事通信的實(shí)時(shí)需求。通常標(biāo)準(zhǔn)的電離層測(cè)高固定站使用大型的行波寬帶天線，天線長(zhǎng)度一般都為100 m以上[4-5]，這些天線架設(shè)困難，架設(shè)的場(chǎng)地空間要求高。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

電離層測(cè)高系統(tǒng)[6-7]主要由三大部分構(gòu)成:主控系統(tǒng)、發(fā)射模塊和接收模塊，其工作原理是主控系統(tǒng)首先在頻率1～30 MHz范圍內(nèi)根據(jù)用戶測(cè)試頻率范圍輸出相應(yīng)的脈沖波形，通過(guò)功率放大器將測(cè)量脈沖信號(hào)放大到1 kW功率，然后通過(guò)發(fā)射天線向需要探測(cè)的高空電離層發(fā)射，當(dāng)發(fā)射脈沖信號(hào)被電離層反射回來(lái)后，地面架設(shè)的十字正交極化天線接收到反射脈沖，經(jīng)過(guò)低噪放大器、相關(guān)檢波等，最后由主控系統(tǒng)進(jìn)行處理并計(jì)算得出脈沖電波往返的傳輸時(shí)延，從而獲得電離高度與頻率關(guān)系的反射曲線,以及回波的偏振、幅度和相位等信息。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電離層測(cè)高系統(tǒng)構(gòu)成

由于發(fā)射天線占據(jù)電離層測(cè)高系統(tǒng)的大部分物理尺寸，常規(guī)系統(tǒng)使用的雙極、T型、Delta等寬帶天線通常架設(shè)空間要求達(dá)100 m2以上，而接收使用的十字天線體積相對(duì)較小，只有1 m左右。因此在移動(dòng)電離層測(cè)試中如果還繼續(xù)沿用大型寬帶天線將會(huì)造成架設(shè)和收納時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而且架設(shè)人員也要求多。倒V天線和智能調(diào)諧器組成的天饋系統(tǒng)架設(shè)空間只有30 m左右，一個(gè)工作人員就可以完成天線架設(shè)和收納全過(guò)程，因此極適合移動(dòng)測(cè)試的環(huán)境。

2 倒V天線的設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)移動(dòng)電離層測(cè)高快速架設(shè)場(chǎng)合的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)由12 m玻璃纖維升降支撐桿和兩邊輻射臂長(zhǎng)20 m組成的倒V天線，如圖2所示。

圖2 倒V天線結(jié)構(gòu)

由于倒V天線是對(duì)稱平衡輸入結(jié)構(gòu)，而智能調(diào)諧器和發(fā)射機(jī)都不平衡50 Ω輸出方式，因此在倒V天線支撐桿頂部有一個(gè)1：1平衡轉(zhuǎn)不平衡阻抗變換器，以保證倒V天線的輻射電流對(duì)稱。

2.1 倒V天線的輻射特性

在確定天線結(jié)構(gòu)后，通過(guò)NEC4軟件對(duì)倒V天線的垂直方向輻射圖進(jìn)行仿真，由于電離層測(cè)高典型的工作頻率范圍是2～18 MHz，因此選取了2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、18 MHz這4個(gè)典型的頻率點(diǎn)的垂直面方向圖，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 倒V天線垂直面方向圖

倒V天線在4個(gè)頻率點(diǎn)的輻射增益如表1所示。

表1 倒V天線垂直輻射增益

頻率/MHz增益/dBi2．5-0．415．04．1510．05．3818．04．58

從仿真結(jié)果上分析，倒V天線具有良好的垂直輻射方向，天線的最大輻射方向都是垂直輻射，很好地滿足了電離層測(cè)高對(duì)天線的方向性要求。

2.2 倒V天線的阻抗特性

倒V天線在短波頻率的阻抗如圖4(a)所示，天線駐波如圖4(b)所示。

圖4 倒V天線的阻抗和駐波

由圖4可知，倒V天線在整個(gè)短波波段的自然諧振頻率和駐波具體數(shù)值如表2所示。

表2 倒V天線自然諧振點(diǎn)

自然諧振頻率/MHz駐波值3．601．2211．202．2218．802．9626．403．57

通過(guò)表2數(shù)據(jù)可知倒V天線只有4個(gè)自然頻率點(diǎn)，而其中只有3.60 MHz這個(gè)頻率的駐波小于1.5，因此倒V天線的阻抗無(wú)法滿足發(fā)射機(jī)50 Ω阻抗匹配的要求。為了解決倒V天線在整個(gè)短波工作頻率段與電離層測(cè)高儀發(fā)射機(jī)匹配的問(wèn)題，就必須使用智能調(diào)諧器來(lái)完成倒V天線與發(fā)射機(jī)的阻抗匹配，最終由倒V天線與智能調(diào)諧器構(gòu)成一個(gè)完整的短波天饋系統(tǒng)。

3 智能調(diào)諧器

由于倒V天線在整個(gè)短波頻率的阻抗和駐波數(shù)值變化劇烈，為了讓天線與發(fā)射機(jī)進(jìn)行匹配，必須使用智能調(diào)諧器將倒V天線在整個(gè)短波頻率的駐波比調(diào)整小于1.5，即發(fā)射機(jī)與天線匹配。

智能調(diào)諧器的工作原理就是通過(guò)測(cè)量倒V天線的阻抗數(shù)值，根據(jù)天線阻抗數(shù)值計(jì)算出天線狀態(tài)并求匹配網(wǎng)絡(luò)中需要加入電容或電感的具體數(shù)值，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)迭代，最終使倒V天線的阻抗?jié)M足駐波SWR<1.5的要求[8-9]。

由于電離層測(cè)高儀的發(fā)射機(jī)輸出為脈沖射頻信號(hào)，因此無(wú)法使用傳統(tǒng)短波電臺(tái)的天調(diào)系統(tǒng)方案進(jìn)行調(diào)配[10-11]，傳統(tǒng)的天調(diào)系統(tǒng)是需要電臺(tái)發(fā)射連續(xù)CW射頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行天線的匹配工作。為了解決倒V天線阻抗測(cè)量信號(hào)的問(wèn)題，本智能調(diào)諧系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)了一套獨(dú)立信號(hào)源，因此不需要使用電離層測(cè)高儀發(fā)射機(jī)的信號(hào)就可以完成對(duì)倒V天線的匹配。

3.1 智能調(diào)諧器設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由5個(gè)主要部分組成：天線阻抗測(cè)量模塊、同步脈沖檢測(cè)模塊、LC匹配網(wǎng)絡(luò)、控制繼電器和CPU主控模塊，如圖5所示。

圖5 智能調(diào)諧器系統(tǒng)框圖

智能調(diào)諧器工作原理分2個(gè)步驟進(jìn)行：

① 初始化天線：主要是完成倒V天線與測(cè)高儀的預(yù)先調(diào)配，首先電離層測(cè)高儀將需要測(cè)量的頻率范圍和頻率間隔信息發(fā)送給CPU主控模塊，然后調(diào)諧器內(nèi)部切換到天線阻抗測(cè)量模塊，根據(jù)要求的頻率對(duì)天線進(jìn)網(wǎng)絡(luò)匹配，最終使天線匹配且駐波滿足SWR<1.5要求，同時(shí)存儲(chǔ)該頻率的網(wǎng)絡(luò)匹配信息，再反復(fù)下一個(gè)頻率的測(cè)量和匹配，直到測(cè)高儀要求的測(cè)量頻率范圍掃描完成，即完成了天線的初始化。

② 工作狀態(tài)：電離層測(cè)高儀開(kāi)始進(jìn)行電離層測(cè)試前，由測(cè)高儀發(fā)出同步脈沖給調(diào)諧器，調(diào)諧器調(diào)出預(yù)調(diào)好的該頻率網(wǎng)絡(luò)匹配值，使天線滿足SWR<1.5，適當(dāng)延時(shí)后測(cè)高儀發(fā)送1 kW的脈沖測(cè)量信號(hào)，該頻率測(cè)量完成后，測(cè)高儀再發(fā)出下一個(gè)同步脈沖，調(diào)諧器調(diào)出下一個(gè)預(yù)調(diào)的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，測(cè)高儀再發(fā)送脈沖信號(hào)，如此反復(fù)直到需要測(cè)量的頻率范圍完成。

3.2 智能調(diào)諧器的匹配網(wǎng)絡(luò)

智能調(diào)諧器的關(guān)鍵核心是匹配網(wǎng)絡(luò)，其直接影響倒V天線與電臺(tái)的匹配效果，系統(tǒng)中使用工程中很成熟的變形L型網(wǎng)絡(luò)[12-14]，由于整個(gè)測(cè)高儀工作在1 kW的大功率條件下，因此匹配網(wǎng)絡(luò)的繼電器和電感電容都必須有足夠的電流電壓設(shè)計(jì)余量才能保證整個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)工作正常，通過(guò)對(duì)倒V天線阻抗和匹配網(wǎng)絡(luò)電路分析，其典型電流、電壓分布如圖6所示。

圖6 1 kW功率下智能調(diào)諧器匹配網(wǎng)絡(luò)的電流電壓分布

由圖6可知，在1 kW大功率條件下，匹配網(wǎng)絡(luò)的天線根部可以高達(dá)13 kV的電壓，串聯(lián)電感上的電流達(dá)到43 A，因此在匹配網(wǎng)絡(luò)的元件選取上非常關(guān)鍵。根據(jù)計(jì)算的電壓、電流分布，天線根部的電容選取7 kV耐壓的ATC電容多個(gè)串聯(lián)，電感的切換繼電器選用持續(xù)電流達(dá)50 A的真空繼電器GL2，同時(shí)匹配網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)電感損耗是影響匹配網(wǎng)絡(luò)效率的一個(gè)關(guān)鍵因素，實(shí)際設(shè)計(jì)中使用鍍銀扁平硬銅帶繞制，測(cè)量其Q值大于400，保證了整個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)的效率。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

整個(gè)移動(dòng)電離測(cè)高系統(tǒng)的工作過(guò)程如下，首先倒V天線架設(shè)完畢，系統(tǒng)設(shè)置需要掃描的頻率范圍和頻率步進(jìn)，智能調(diào)諧器根據(jù)設(shè)定的頻率數(shù)據(jù)對(duì)天線進(jìn)行掃描匹配，保證每個(gè)測(cè)試的頻率都滿足駐波SWR<1.5的要求，并將對(duì)應(yīng)的射頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)存入記憶空間，直到系統(tǒng)要求的頻率段都匹配完成；然后電離層測(cè)高儀準(zhǔn)備進(jìn)行探測(cè)工作，在每發(fā)射探測(cè)脈沖前，測(cè)高儀都發(fā)出一個(gè)同步脈沖給智能調(diào)諧器將預(yù)置好的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)出，測(cè)高儀發(fā)射機(jī)開(kāi)始發(fā)射探測(cè)脈沖，如此反復(fù)直到整個(gè)掃描頻率完成。

圖7為倒V天線和智能調(diào)諧器組成天饋系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)的典型駐波分布情況，在1～30 MHz范圍內(nèi)天線駐波平均值為1.32，同時(shí)天線以200 kHz步進(jìn)預(yù)置的掃描時(shí)間為55 s。

圖7 1 kW電離層測(cè)高天饋系統(tǒng)實(shí)測(cè)駐波

實(shí)測(cè)由便攜式天饋系統(tǒng)組成的1 kW移動(dòng)電離測(cè)高儀所得的電離層測(cè)高圖如圖8(a)所示，同一時(shí)刻10 kW固定站的大型行波天線的電離層測(cè)高圖如圖8(b)所示。

圖8 電離層測(cè)高儀接收效果

對(duì)圖8(a)、(b)的2張測(cè)高圖進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)1 kW的移動(dòng)站效果與10 kW固定站加大型天線的效果基本相當(dāng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

借鑒短波通信系統(tǒng)中天線調(diào)諧器的概念，對(duì)于移動(dòng)電離層測(cè)高儀的天饋系統(tǒng)也采用倒V天線加智能調(diào)諧器的方式，提升了整個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)性和便攜性，同時(shí)智能調(diào)諧器內(nèi)部專門(mén)設(shè)計(jì)了獨(dú)立的信號(hào)源進(jìn)行調(diào)配，避免傳統(tǒng)短波天調(diào)必須使用電臺(tái)信號(hào)進(jìn)行調(diào)配的缺點(diǎn)。實(shí)際測(cè)試效果表明該天饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，響應(yīng)速度快，調(diào)整精度高，其不僅可以解決移動(dòng)電離層測(cè)高對(duì)天饋的要求，還可以運(yùn)用于短波超視距雷達(dá)以及通信等相關(guān)領(lǐng)域。

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Design of a Portable Smart Antenna System for Mobile Ionosphere-level-measurement

QIN Xu1,2

(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China； 2.Guilin Broadcast &TV Station，Guilin Guangxi 541002，China)

On the request of miniaturization，portability and fast installation for Ionosphere-level measurement，a new 1 Kwatt smart antenna system was designed，including the inverted V antenna and the smart tuner.In this design the inverted V antenna was simulated，the detail structure of antenna was also given，and the theory of smart tuner was analyzed.The key design problem of matching network in smart tuner was specially described.The entire system works in shortwave with a scan step of 200 kHz.The average SWR is 1.32.And the total scan time of entire shortwave band is above 1 minute.

ionosphere level measurement；inverted V antenna；smart tuner

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.18

秦 旭.便攜天饋系統(tǒng)在移動(dòng)電離層測(cè)高中的應(yīng)用[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(3):71-75.

[QINXu.DesignofaPortableSmartAntennaSystemforMobileIonosphere-level-measurement[J].RadioCommunicationsTechnology，2017，43(3)：71-75.]

2016-12-16

秦 旭(1974—)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：射頻信號(hào)處理。

TNP924.3

A

1003-3114(2017)03-71-5