小型化中波發(fā)射天線技術(shù)研究*

楊 斌

(海軍駐北京地區(qū)通信軍事代表室 北京 100841)

小型化中波發(fā)射天線技術(shù)研究*

楊 斌

(海軍駐北京地區(qū)通信軍事代表室 北京 100841)

受波長(zhǎng)限制,中波發(fā)射天線結(jié)構(gòu)較大,要求的發(fā)信功率也較大,成為制約中波通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。論文通過小型化中波發(fā)射天線技術(shù)的研究,重點(diǎn)關(guān)注功率容量、輻射效率和頻帶寬度三個(gè)指標(biāo),提出了幾種新的小型化中波發(fā)射天線設(shè)計(jì)方案。

中波發(fā)射天線; 小型化

ClassNumberTN82

1 引言

中波通信主要利用地波傳播,信道較為穩(wěn)定。其通信距離雖然有限,但正好可以彌補(bǔ)短波通信地波與天波傳輸?shù)摹办o區(qū)”問題,主要用于水面艦艇近岸通信、無線電導(dǎo)航和無線電廣播。

然而,受波長(zhǎng)限制,傳統(tǒng)的中波發(fā)射天線高度高、占地廣,例如傳統(tǒng)的桅桿式天線高度一般在60m～150m,占地70畝～150畝;改進(jìn)后的自立式中波天線雖然減少了占地面積,但高度仍在120m左右[1]。中波發(fā)射天線的小型化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為制約中波通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

2 小型化中波發(fā)射天線設(shè)計(jì)原理

在天線理論中,一般將天線尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的天線稱為電小天線,這里討論的小型化中波發(fā)射天線就屬于電小天線的范疇[10]。

與常規(guī)尺寸的天線相比,電小天線最大的特點(diǎn)是天線周邊的電磁場(chǎng)呈電抗性,也就是說電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的相位差接近90°,虛功率遠(yuǎn)大于實(shí)功率。從天線阻抗特性看,電小天線的輸入電阻小于常規(guī)天線,而輸入電抗大于常規(guī)天線。

為中波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電小天線,需要重點(diǎn)關(guān)注功率容量(P)、輻射效率(η)和頻帶寬度(B)三個(gè)指標(biāo),在方向性、通信仰角等方面可以適當(dāng)作出犧牲。

2.1 功率容量

天線的功率容量(P)主要取決于天線導(dǎo)線的載流量和絕緣子的耐壓能力[2],是電小天線設(shè)計(jì)中必須首要考慮的問題。

由于電小天線的輸入電阻小于常規(guī)天線,而輸入電抗大于常規(guī)天線,所以在發(fā)射機(jī)饋入天線的功率相同時(shí),電小天線的輸入電流和輸入電壓均遠(yuǎn)大于常規(guī)天線。輸入電流大則要求天線導(dǎo)線具有較大的載流量,主要通過新型結(jié)構(gòu)和材料,既要增大有效導(dǎo)電截面,又要控制天線的重量。輸入電壓高則要求天線絕緣子具有較高的耐壓能力,主要通過多片串聯(lián)等方式提高耐壓等級(jí)。

2.2 輻射效率

天線輻射效率由以下公式定義[3]:

(1)

式中RA為天線輻射電阻,RL為天線損耗電阻。由于電小天線的輻射電阻很小,天線損耗電阻的影響較大,所以必須通過精心設(shè)計(jì)控制損耗電阻,并盡可能增大輻射電阻,提高輻射場(chǎng),從而獲得較好的輻射效率。

控制損耗電阻主要是降低導(dǎo)線電阻和接地電阻引起的電流損耗。因此,要對(duì)天線接地系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),盡可能減少損耗。

天線的輻射場(chǎng)取決于天線的電流矩,即輸入電流(I)與有效高度(he)的乘積。小天線的高度遠(yuǎn)低于常規(guī)天線,因此必須想辦法提高其輸入電流,主要通過對(duì)天線與發(fā)射機(jī)的匹配回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來解決。

2.3 頻帶寬度

根據(jù)電小天線理論,有以下公式:

η·B∝S·he

(2)

式中S·he是天線的有效體積,其中S為天線頂負(fù)載的面積,he為天線的有效高度。

根據(jù)式(2),在天線有效體積一定時(shí),提高輻射效率就必然要犧牲頻帶寬度。為了同時(shí)獲得較高的輻射效率和較寬的頻帶寬度,就必須增加天線有效體積。在天線高度受限的情況下,可通過增加天線的面積來增加天線有效體積。

3 小型化中波發(fā)射天線設(shè)計(jì)方案

小型化中波發(fā)射天線一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),河南省潢川中波臺(tái)使用的錐面頂負(fù)載小天線,塔高33m、占地約1畝、地網(wǎng)半徑7m,功率容量25kW,具體的輻射效率和頻帶寬度不明[1～4]。

根據(jù)前文所述設(shè)計(jì)原理,可以給出以下幾種小型化中波發(fā)射天線設(shè)計(jì)方案。為滿足特定使用需求,發(fā)射天線高度均限制在20m以下。

3.1 傘形天線方案

本方案?jìng)阈伟l(fā)射天線由桅桿和拉線組成。

如圖1所示,該天線桅桿高度為18m,底部絕緣,塔體用作天線輻射體。頂層拉線用作天線帳,在二分之一桅桿高度處用絕緣子斷開。其它各層拉線均需在靠近塔體處用絕緣子隔斷。天線下方敷設(shè)輻射狀地網(wǎng),半徑18m。

圖1 傘形天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線電氣計(jì)算結(jié)果顯示,在1MHz工作頻率上,該天線基本參數(shù)如下:

· 有效高度:12.6m;

· 輻射電阻:3Ω;

· 靜電容:484pF;

· 輸入阻抗:6～170jΩ;

· 輻射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 輸入電流:42.3A;

· 輸入電壓:7.2kV;

· 頂端電壓:13.9kV;

· 頻帶寬度:17kHz。

本方案適用于可以架設(shè)20m左右天線桅桿、可以敷設(shè)較大地網(wǎng)的場(chǎng)合。

3.2 山谷Γ形天線方案

本方案借鑒甚低頻山谷天線的設(shè)計(jì)思路,利用建筑物來支撐天線輻射體。

如圖2所示,假設(shè)建筑物高度為18m,在建筑物和地面之間架設(shè)天線頂線組成一幅長(zhǎng)30m、寬10m的天線帳,頂線兩端通過絕緣子隔離。共架設(shè)30根頂線,分成三組、每組10根,每組向下引出一根下引線饋電。其中,中心組經(jīng)調(diào)諧后接發(fā)射機(jī);邊緣組通過調(diào)諧電感接地。天線下方敷設(shè)地網(wǎng),面積與天線頂負(fù)載相當(dāng)。

圖2 山谷Γ形天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線電氣計(jì)算結(jié)果顯示,在1MHz工作頻率上,該天線基本參數(shù)如下:

· 有效高度:6.4m;

· 輻射電阻:0.73Ω;

· 靜電容:559pF(中間組),612pF(邊緣組);

· 視在輸入阻抗:15.8～229jΩ;

· 輻射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 輸入電流:25.2A;

· 輸入電壓:5.8kV;

· 頂端電壓:7.2kV;

· 頻帶寬度:16kHz。

本方案適用于無法架設(shè)較高的桅桿,但有高層建筑物可供利用的場(chǎng)合。

3.3 T形天線方案

本方案借鑒甚低頻多調(diào)諧T形天線的設(shè)計(jì)思路,由天線桅桿支撐頂部天線帳。

如圖3所示,四根天線桅桿高6m,天線帳長(zhǎng)度為30m,寬度為15m,共架設(shè)22根頂線。天線帳向下引出四根下引線饋電。其中一根下引線經(jīng)調(diào)諧后接發(fā)射機(jī)。其余三根下引線通過調(diào)諧電感接地。天線下方敷設(shè)地網(wǎng),面積與頂負(fù)載相當(dāng)。

圖3 T形天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線電氣計(jì)算結(jié)果顯示,在1MHz工作頻率上,該天線基本參數(shù)如下:

· 有效高度:5.7m;

· 輻射電阻:2.2Ω;

· 靜電容:1523pF;

· 視在輸入阻抗:15.3～352jΩ;

· 輻射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 輸入電流:25.5A;

· 輸入電壓:9kV;

· 頂端電壓:11kV;

· 頻帶寬度:13kHz。

本方案桅桿高度較低,可架設(shè)在建筑物或其他平臺(tái)頂部,天線帳形狀也不局限于矩形,可根據(jù)平臺(tái)頂部的實(shí)際情況開展針對(duì)性設(shè)計(jì)。

3.4 多天線并聯(lián)方案

本方案借鑒船用中波天線的設(shè)計(jì)思路,由四根桅桿天線組成。

如圖4所示,四根高18m、底部及拉線絕緣的桅桿天線,按邊長(zhǎng)為6m的正方形排列,通過饋線并聯(lián)后進(jìn)行饋電。地面敷設(shè)輻射狀地網(wǎng),半徑25m。

圖4 多天線并聯(lián)方案示意圖

天線電氣計(jì)算結(jié)果顯示,在1MHz工作頻率上,該天線基本參數(shù)如下:

· 有效高度:9m;

· 輻射電阻:1Ω;

· 靜電容:700pF;

· 輸入阻抗:2～207jΩ;

· 輻射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 輸入電流:70A;

· 輸入電壓:15kV;

· 頻帶寬度:8kHz。

該方案單根天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適于野外臨時(shí)快速敷設(shè)。

4 結(jié)語

與常規(guī)中波天線相比,小型化中波天線既然獲得了較小的尺寸,那么必須犧牲某些可以犧牲的性能,應(yīng)該說是在得與失之間進(jìn)行取舍。本文根據(jù)中波通信系統(tǒng)的要求,重點(diǎn)關(guān)注功率容量、輻射效率和頻帶寬度三個(gè)指標(biāo),提出了四種設(shè)計(jì)方案,均能滿足中波通信系統(tǒng)的要求。

每種方案都有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體應(yīng)用選取合適的方案。

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StudyonMinimizedMediumWaveTransmittingAntenna

YANG Bin

(Marine Military Communication Representative Office in Beijing, Beijing 100841)

Medium wave transmitting antenna has large structure owing to its wavelength limit, and requires large transmitting power, which becomes key difficult hindering the development of medium wave communication. Three indices including power capacity, radiation efficiency, and spectrum width are focused, several improved design schemes are proposed through the analysis of minimized medium wave transmitting antenna.

medium wave transmitting antenna, minimized

2013年10月3日,

:2013年11月19日

楊斌,男,博士,高級(jí)工程師,研究方向:通信與電子技術(shù)。

TN82DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.018