基于楞形線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的短波寬帶偶極天線優(yōu)化設(shè)計研究

柳湘川?艾文珵?黃浩

摘要：設(shè)計了一款輻射體為兩個正交平面線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的短波楞形偶極子寬帶線天線。天線由兩個楞形線網(wǎng)輻射單元組成，為了使天線寬頻帶工作，輻射單元的截面為十字形，分別對應(yīng)一個水平面線網(wǎng)和一個垂直面線網(wǎng)，在兩個輻射單元的中間設(shè)置一個平衡—非平衡阻抗變換器。采用FEKO軟件對該天線的電特性進(jìn)行了建模仿真，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時天線的電壓駐波比（VSWR）和增益特性。仿真結(jié)果表明，在3～30MHz頻帶內(nèi)，該天線電壓駐波比小于3，在一般地面上平均增益可達(dá)9dBi。

關(guān)鍵詞：線天線；寬帶天線；短波天線

一、前言

短波以天波傳播，可用較小功率和較簡單的設(shè)備達(dá)到超視距無線通信。現(xiàn)代短波軍事通信要求短波天線寬帶化，短波寬帶天線與寬帶收發(fā)信機連接使用時無須調(diào)諧，可實現(xiàn)寬帶跳、擴(kuò)頻通信，使短波通信系統(tǒng)具有對付現(xiàn)代通信電子戰(zhàn)的能力。

為了保證天線的高輻射效率，不宜對天線體進(jìn)行加載。在此條件下，實現(xiàn)雙極類天線寬頻帶特性的最有效的方法就是加大天線體的直徑[1-2]，籠形天線就是一種經(jīng)典的短波寬帶天線。短波低頻端工作波長較長（可達(dá)100m），要實現(xiàn)天線寬帶化，則要求加大籠形天線的籠徑，這就給天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝架設(shè)增加了難度。本文提出一款“基于楞形線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的短波寬帶偶極天線”，它將籠形振子中間段圓柱面上的籠線和兩端圓錐面上的籠線用兩正交平面線網(wǎng)結(jié)構(gòu)代替，且水平面線網(wǎng)的寬度遠(yuǎn)小于垂直面線網(wǎng)的寬度，便于懸掛在天線兩端的支撐桿之間。該天線工作頻帶為3～30MHz，天線平均增益可達(dá)約9dBi。作為一種中近距離的短波收/發(fā)天線，該天線具有工作頻帶較寬、輻射效率高、方向性弱等特點，可用于短波通信基站的全向發(fā)信或收信天線。本文對基于楞形線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的短波偶極天線進(jìn)行寬帶化設(shè)計和電氣性能分析。

二、天線結(jié)構(gòu)

基于面型線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的短波寬帶偶極天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由兩個楞形線網(wǎng)輻射單元組成，在兩個輻射單元的中間設(shè)置匹配器。天線體兩端懸掛在兩個支撐桅桿的頂部，桅桿的高度取決于通信距離。作為主要用于3000km以內(nèi)短波天波通信的天線，天線支撐桿的高度可在17.5～27.5m的范圍內(nèi)選取，典型的天線線網(wǎng)結(jié)構(gòu)上邊沿的高度取22.5m，線網(wǎng)結(jié)構(gòu)下邊沿的高度取約15m。

為了使天線寬頻帶工作，該天線的輻射體為一個線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的楞形偶極子；該偶極子的截面為十字形，分別對應(yīng)一個水平面線網(wǎng)和一個垂直面線網(wǎng)。為了便于安裝，水平面線網(wǎng)的寬度遠(yuǎn)小于垂直面線網(wǎng)的寬度；垂直面線網(wǎng)振子線數(shù)量可取7～11根，水平線網(wǎng)振子線數(shù)量一般取3根，且這兩個面的中心振子線共線。該楞形線網(wǎng)輻射單元由三段組成，中間段為矩形線網(wǎng)，內(nèi)外兩端為三角形線網(wǎng)。天線由輻射組件、固定組件、下引線、饋線桿、支撐桿等組成。其中，輻射組件包括垂直輻射體和水平輻射體；固定組件包括頂?shù)跛?、垂直吊索、中吊索、下吊索，除垂直吊索呈豎向或近似豎向設(shè)置外，其他吊索均呈水平或者近似水平設(shè)置。天線輻射組件可通過固定組件中的各吊索張拉至兩側(cè)的支撐桿上。

垂直輻射體包括7～11根呈水平狀態(tài)的振子線，這些振子線通過若干并排設(shè)置的十字支架實現(xiàn)上下平行間隔排列，相鄰振子在豎向上的間隔為0.6～1.2m。最上層的振子與頂?shù)跛鞴簿€，最下層的振子與下吊索共線。所有振子先在中部通過中部連接板進(jìn)行固定并對應(yīng)連接至下引線，所有振子的端部均通過端部連接板進(jìn)行固定并連接至中吊索。中部連接板通過垂直吊索固定在頂?shù)跛魃希數(shù)跛?、中吊索和下吊索的端部連接至支撐桿進(jìn)行固定。

水平輻射體為三根在同一水平面上并排設(shè)置的振子線，這些水平面上并排設(shè)置的振子線固定在各十字支架的水平支架上，各水平振子線之間的間隔在0.3～0.8m之間選取，典型間隔取0.5m。水平輻射體中所有振子線的中部也通過中部連接板進(jìn)行固定，且所有振子的端部通過端部連接板進(jìn)行固定并連接至中吊索。水平輻射體中心的振子與垂直輻射體中心的振子為同一根振子線。

中間連接板包括并排間隔設(shè)置的兩塊垂直連接板，兩塊垂直連接板之間通過兩塊絕緣板連接，使得兩塊垂直連接板之間絕緣。中間連接板兩側(cè)中部分別設(shè)置有呈水平狀態(tài)的水平連接板，該水平連接板與對應(yīng)的垂直連接板應(yīng)進(jìn)行可靠的結(jié)構(gòu)連接和電氣連接。垂直吊索的底端與中間連接板的頂部對應(yīng)連接，天線匹配器就設(shè)置在兩塊中間連接板的中間。在兩塊中間連接板兩側(cè)分別開設(shè)有若干個連接孔連接輻射體的振子線。

合適選擇楞形線網(wǎng)各段線網(wǎng)的長度、導(dǎo)線的數(shù)量，導(dǎo)線之間的間距等可以獲得10∶1的工作帶寬。頂?shù)跛鞑捎弥睆綖?mm的不繡鋼絲繩，其他線網(wǎng)導(dǎo)線采用直徑為3mm的不繡鋼絲繩，鋼絲繩的柔軟特性可方便天線重復(fù)收放，使之具有可機動架設(shè)的特點[3]。天線匹配器設(shè)計為一個平衡—非平衡阻抗變換器[4-5]，它將非平衡的同軸電纜變換到偶極子天線兩臂的平衡饋電，同時完成阻抗變換，實現(xiàn)天線與50Ω同軸饋線的阻抗匹配。該平衡—非平衡阻抗變換器基于傳輸線變壓器原理進(jìn)行設(shè)計，具有比普通阻抗變換器寬得多的帶寬，可以滿足3～30MHz頻率范圍使用要求。

三、性能仿真及分析

對于復(fù)雜線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的天線可以采用矩量法進(jìn)行分析[6-7]。本文采用基于矩量法的FEKO仿真軟件，對基于楞形線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的短波寬帶偶極天線建立了電氣性能仿真模型，模型不但包含直接參與天線輻射的部件，而且對支撐桿等金屬結(jié)構(gòu)也一并進(jìn)行了建模。模型中天線導(dǎo)線和支撐結(jié)構(gòu)件材質(zhì)的導(dǎo)電率取σ=1.4×106s/m，一般地面的電參數(shù)取σ=1×10-2s/m， εr=15，μr=1 。

楞形短波寬帶偶極天線的結(jié)構(gòu)尺寸和器件參數(shù)為：天線臂長ι=17.5～27.5m，其中ι1=2～6m，ι2=11.5～21.5m，ι3=2m；垂直面線網(wǎng)寬度ω1=7.6m，水平面線網(wǎng)端寬ω2=1m；天線高度（頂?shù)跛骶嗟孛娓叨龋﹉=17.5～27.5m；垂直面線網(wǎng)振子線數(shù)量N1=7～11根，水平線網(wǎng)振子線數(shù)量N2=3根，傳輸線變壓器的變比為4∶1。

在建立了天線電氣性能仿真模型后，在3～30MHz工作頻帶內(nèi)對天線的駐波比、增益、方向圖等電氣特性進(jìn)行了仿真計算。

（一）不同臂長ι時天線VSWR和增益性能

天線臂長ι分別取17.5m、22.5m、27.5m，其中ι1=4m，ι2=11.5m、16.5m、21.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；N1=9根；N2=3根；傳輸線變壓器的變比為4∶1。不同臂長ι時天線駐波比和增益隨頻率變化的仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，可以看出，天線臂長ι越長，低頻段駐波比越?。划?dāng)ι=22.5m時，3MHz頻率駐波比小于3。天線臂長ι越長，低頻段增益越高；高頻段天線增益隨臂長變化不明顯。

（二）不同內(nèi)端三角形線網(wǎng)段長ι1時天線VSWR和增益性能

楞形短波寬帶偶極天線的內(nèi)端三角形線網(wǎng)是天線振子臂從饋電點逐步展開的過渡段，該段長度ι1是天線設(shè)計需要考慮的一個重要參數(shù)。天線臂長ι取22.5m，其中ι1=2m、4m、6m，ι3=2m，ι2=ι-ι3-ι1；ω1=7.6m； ω2=1m； h=22.5m； N1= 9根； N2=3根；傳輸線變壓器的變比為4∶1。不同三角形線網(wǎng)段長 時天線駐波比和增益隨頻率變化的仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，振子內(nèi)端三角形線網(wǎng)段長度ι1越長，高頻段駐波比越大；當(dāng)ι1=4m時，3～30MHz頻帶內(nèi)的駐波比均小于3。在ι1長分別取2m、4m、6m時天線增益仿真結(jié)果中，ι1=4m時的天線增益隨頻率變化最穩(wěn)定。

（三）不同振子線數(shù)量時天線VSWR和增益性能

垂直面線網(wǎng)振子線數(shù)量N1分別取7根、9根、11根；N2=3根；天線臂長ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；傳輸線變壓器的變比為4∶1。不同振子線數(shù)量時天線駐波比和增益隨頻率變化的仿真結(jié)果如圖4所示。

可以看出，垂直面線網(wǎng)振子線數(shù)量越多，天線駐波比和增益性能越好。當(dāng) N1≥9根時，天線駐波比和增益性能趨于穩(wěn)定，因此本文垂直面線網(wǎng)振子線數(shù)量N1取9根是合適的。

（四）不同架設(shè)高度時天線VSWR和增益性能

天線架設(shè)高度h分別取17.5m、22.5m、27.5m；天線臂長ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；N1=9根；N2=3根；傳輸線變壓器的變比為4∶1。不同架設(shè)高度時天線駐波比和增益隨頻率變化的仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯炀€高度h越高，低頻段天線駐波比越低；高頻段天線駐波比與天線架高關(guān)系不明顯。天線架設(shè)高度越高，增益亦整體越高。

（五）天線方向圖

根據(jù)以上分析，綜合考慮天線增益及駐波比性能，天線參數(shù)取值如下：天線臂長ι=22.5m，其中ι1=4m，ι2=16.5m，ι3=2m；ω1=7.6m；ω2=1m；h=22.5m；N1=9根；N2=3根；傳輸線變壓器的變比為4∶1。該天線三個典型頻率的方向圖仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在低頻段，該天線方向圖仰角較高，適合近距離通信。隨著頻率的升高，該天線方向圖仰角降低，適合中遠(yuǎn)距離通信。該天線水平面方向圖呈現(xiàn)多個波瓣，有利于中近距離內(nèi)對多個通信對象的通信。該天線低頻段高仰角水平面的方向性較弱，由于水平架設(shè)天線高度越低，水平面方向圖的全向性越好[3]，因此在低頻段該天線可采用低架的方法來實現(xiàn)全向通信。

四、結(jié)語

本文設(shè)計了一款基于線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的新型短波寬帶偶極子天線，采用楞形偶極子線天線形式和平衡—非平衡變換器饋電，實現(xiàn)了10∶1工作寬帶，獲得了優(yōu)良的天線電氣性能。并對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時的天線電壓駐波比和增益特性進(jìn)行了計算和分析。仿真結(jié)果表明，該天線在3～30MHz工作頻段內(nèi)駐波比小于3，在一般地面上平均增益可達(dá)約9dBi。該天線占地面積小，架設(shè)方便，適用于中小型基站3000km以內(nèi)的短波通信。

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