15kW大功率固定對數(shù)周期天線改造設(shè)計(jì)*

陳水清　李運(yùn)洲　孫英閣

(92665部隊(duì)　常德　266107)

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15kW大功率固定對數(shù)周期天線改造設(shè)計(jì)*

陳水清李運(yùn)洲孫英閣

(92665部隊(duì)常德266107)

摘要論文主要對一種15kW大功率轉(zhuǎn)動(dòng)對數(shù)周期天線的改造設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并利用FEKO電磁仿真軟件對天線駐波比進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明全頻段駐波比小于2，滿足使用要求，最后根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了天線的改造架設(shè)，并對實(shí)物進(jìn)行了測試，測試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果基本吻合，天線改造成功。

關(guān)鍵詞大功率; 對數(shù)周期天線; 改造

Class NumberTN821.6

1引言

對數(shù)周期天線是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的寬頻帶天線[1～2]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　對數(shù)周期偶極天線示意圖

圖1中天線尺寸有式(1)關(guān)系，Ln為第n個(gè)振子的全長，τ稱為比例因子。

(1)

實(shí)際中常用間隔因子σ來表示相鄰振子間的距離，它被定義為相鄰振子間的距離與2倍較長振子的長度之比[3～4]，即

(2)

對數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)完全由τ和σ決定，當(dāng)τ和σ一定時(shí)，天線的結(jié)構(gòu)就確定了。

圖2　天線面現(xiàn)狀

對數(shù)周期天線由于其寬頻帶、高增益等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在通信、廣播、導(dǎo)航等領(lǐng)域[5～6]。如果天線服務(wù)年限較長，超出設(shè)計(jì)使用年限，饋線嚴(yán)重銹蝕，振子線斷開(如圖2)，將無法保障可靠的通信。在經(jīng)費(fèi)不足，天線支撐鐵塔尚可使用的情況下，可以通過改造天線振子、集合線、絕緣材料、吊索、饋線等部件實(shí)現(xiàn)資源的再利用，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)改善了老化天線的性能，提高其保障通信的可靠性。

2天線的改造設(shè)計(jì)

針對對數(shù)周期天線老化銹蝕的狀態(tài)，結(jié)合當(dāng)前的前沿技術(shù)和經(jīng)濟(jì)節(jié)約精神，改造方案選擇繼續(xù)沿用原有支撐鐵塔，即天線占地面積不變，只對天線面和饋線進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

2.1天線振子的改造設(shè)計(jì)

對數(shù)周期天線天線振子的特性阻抗計(jì)算公式為

(3)

式中，h為振子長度，a為振子半徑。

振子的最大功率容量決定于最大容許場強(qiáng)Ed，最大容許功率的計(jì)算公式為

(4)

式中，W為天線振子的特性阻抗，d為振子直徑，n為線數(shù)，Ed為臨界場強(qiáng)的振幅，通常為6kV/cm～8kV/cm，這里取6kV/cm。

天線要求可以承受15kW的發(fā)射功率，根據(jù)式(3)和式(4)，選取φ7的鋼芯鋁絞線來作為天線振子，可以計(jì)算得出天線最小承受功率為142kW，滿足使用要求。

選用鋼芯鋁絞線代替原來籠形振子，從結(jié)構(gòu)上考慮整體天線面顯得簡潔，成形美觀。

2.2集合線的改造設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)天線的阻抗為300Ω左右，則選用的集合線阻抗設(shè)計(jì)值應(yīng)該在400Ω左右，故選用雙線傳輸線代替原有四線傳輸線，不僅在阻值上可以滿足要求，結(jié)構(gòu)上也比較簡單方便。

雙線傳輸線的阻抗計(jì)算公式為[7]

(5)

式中，D為雙線的間距，d為雙線的線徑。

最后選用雙導(dǎo)線線徑9.6mm，間距200mm，計(jì)算可得阻抗為447Ω，允許的最大傳輸功率為128kW，滿足使用要求。

2.3絕緣材料的改造設(shè)計(jì)

固定用大功率發(fā)射天線一般采用陶瓷絕緣棒做絕緣，其優(yōu)點(diǎn)是承受拉力大，耐高壓[8]。在對數(shù)周期天線中主要用于集合線雙線間的支撐和振子和邊吊索的連接。陶瓷絕緣子的長度選擇則要根據(jù)振子上的最大電壓來選擇，保證空氣不被電離引起放電打火等現(xiàn)象影響系統(tǒng)使用。

雙線集合線的最大電壓計(jì)算公式為[9]

(6)

式中，p為最大功率，W為集合線的特性阻抗，k為行波系數(shù)。

天線振子末端的電壓峰值計(jì)算公式為

(7)

式中，P為最大功率，R∑為輻射電阻，W為天線振子特性阻抗。

潮濕空氣的擊穿電壓為1.2kV/cm，集合線間距為20cm.計(jì)算可以得出空氣的擊穿電壓為24kV，根據(jù)式(6)、式(7)，可以得出集合線最大電壓為U=3.661kV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于24kV，說明不會把空氣擊穿引起空氣電離。

振子末端峰值電壓U=5.4kV，在振子末端和邊吊索之間的絕緣支撐需要大于4.5cm才能不引起空氣電離。在實(shí)際使用中，經(jīng)過結(jié)構(gòu)耐力方面的考慮以及廠家的型號設(shè)計(jì)考慮，末端選用10cm的陶瓷絕緣子。

2.4天線邊吊索、前后端索的改造設(shè)計(jì)

天線邊吊索、前后端索全部采用不銹鋼絲繩。從結(jié)構(gòu)上考慮完全可以滿足使用要求。

2.5饋線的改造設(shè)計(jì)

天線阻抗為300Ω，在天線端口加裝300/50的阻抗變換器，從阻抗變換器到機(jī)房采用HHTAY-50-70同軸電纜，替代原有的六線和四線明饋線。

采用同軸電纜便于走線，并且方便與現(xiàn)在采用的發(fā)射機(jī)連接。

3天線的改造設(shè)計(jì)結(jié)果

圖3　天線駐波比計(jì)算圖

根據(jù)前面的改造設(shè)計(jì)分析，確定了天線的電氣尺寸，并利用feko電磁仿真軟件對天線進(jìn)行建模[10]，對天線電氣性能進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算得到天線駐波比結(jié)果如圖3。

從圖3可以看到，天線駐波比在全頻段小于2，和原天線性能相當(dāng)，可以和發(fā)射機(jī)匹配，滿足使用要求。

4天線的工程化實(shí)施結(jié)果

從理論設(shè)計(jì)結(jié)果來看，天線性能滿足要求。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果在實(shí)地進(jìn)行了改造安裝架設(shè)，安裝后的天線見圖4。

圖4　天線實(shí)物圖

并對天線駐波比進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖5。

圖5　天線實(shí)測駐波比

從圖4可以看出，改造后的天線成形簡潔美觀，從圖5可以看出，改造后的天線駐波比全頻段小于2，和理論計(jì)算結(jié)果基本一致，可以滿足使用要求。

5結(jié)語

本文主要介紹了一種15kW固定對數(shù)周期天線的改造設(shè)計(jì)，主要在利用原有天線鐵塔的基礎(chǔ)上對天線面進(jìn)行改造，考慮大功率要求，對天線面以及選用的絕緣器件進(jìn)行了耐功率計(jì)算，利用feko電磁仿真軟件對天線進(jìn)行了仿真計(jì)算，最后進(jìn)行了天線實(shí)地架設(shè)測試，通過測試，天線全頻段駐波比小于2，滿足使用要求，證明此次改造成功。

參 考 文 獻(xiàn)

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Design of 15 kW High-power Fixed Log Periodic Antenna

CHEN ShuiqingLI YunzhouSUN Yingge

(No. 92665 Troops of PLA, Changde266107)

AbstractA 15kw’s high-power rotation of log periodic antenna design is introduced in this paper. Antenna standing wave ratio is simulated by electromagnetic software FEKO, and the results show that all frequencies standing wave ratio are less than 2, meeting the requirement. Antenna is finally set up and tested according to the design, and its result is consistent with the calculation. These prove antenna reform is successful.

Key Wordshigh-power, log periodic antenna, design

* 收稿日期：2015年11月18日,修回日期：2015年12月26日

作者簡介：陳水清，男，工程師，研究方向：天線理論與設(shè)計(jì)。李運(yùn)洲，男，工程師，研究方向：天線理論。孫英閣，男，工程師，研究方向：電磁兼容。

中圖分類號TN821.6

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.044