同軸共線陣天線分析及在干擾查找中的判別

蔡明輝，楊　娟（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，烏魯木齊 830054）

同軸共線陣天線分析及在干擾查找中的判別

蔡明輝，楊娟
（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，烏魯木齊 830054）

同軸共線陣天線是一種廣泛用于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域的高增益全向天線。本文通過(guò)對(duì)該天線進(jìn)行仿真，結(jié)合天線增益圖和微波鏈路計(jì)算公式，得出與發(fā)射源不同距離、仰角的接收點(diǎn)電平值大小，最后給出徒步查找干擾源的建議。

同軸共線陣天線；微波鏈路

1　引言

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，也相應(yīng)推動(dòng)了天線技術(shù)日新月異的發(fā)展。同軸共線陣天線作為一種常用天線，由于具有全向性好、增益高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，被廣泛用于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。它首次由Balsley，Ecklund提出，他們利用型號(hào)為RG-8的同軸線設(shè)計(jì)了一款中心頻率為49.8MHz，由26個(gè)單元組成的同軸共線陣天線。測(cè)試結(jié)果顯示，該天線半功率波瓣寬度為5.6°，具有高增益特性。

2　干擾查找

在某次執(zhí)行干擾查找任務(wù)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在400MHz頻段某頻點(diǎn)處存在一間發(fā)數(shù)傳信號(hào)。利用移動(dòng)監(jiān)測(cè)車對(duì)該信號(hào)進(jìn)行測(cè)向定位，不斷摸排將其定位于某小區(qū)內(nèi)。根據(jù)示向度指示和電平值變化規(guī)律，最終發(fā)現(xiàn)架設(shè)在某高層居民樓的發(fā)射天線。通過(guò)對(duì)其外觀和發(fā)射特性判斷，確認(rèn)為同軸共線陣天線。

3　原理分析及天線仿真

為了今后能夠快速查找由該天線引起的干擾信號(hào)，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行分析并仿真，得出該天線的輻射特性。

3.1原理分析

同軸共線陣天線是由一組長(zhǎng)度為λc/2的同軸線內(nèi)外導(dǎo)體交替連接而成如圖1所示。圖1中，r，R為同軸線內(nèi)外半徑；λc為電磁波在同軸線上傳播的波長(zhǎng)；εr為同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間填充介質(zhì)的介電常數(shù)。

圖1　同軸共線陣天線單元結(jié)構(gòu)圖

在均勻傳輸線上，所有輻射單元間距相等且為中心頻率的1/2波長(zhǎng)。當(dāng)激勵(lì)經(jīng)過(guò)，相鄰單元將產(chǎn)生180°的相差，再通過(guò)相鄰單元內(nèi)外導(dǎo)體交叉連接，相差又改變了180°，這樣就保證了各個(gè)相鄰單元上的電流分布等相位，從而實(shí)現(xiàn)天線遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度是各個(gè)輻射單元同相疊加的結(jié)果。從電特性上，它可以看為n（其中n為偶數(shù)）個(gè)饋電點(diǎn)電流同相位，電流幅度關(guān)于中心單元不均勻分布的半波對(duì)稱陣子陣列[1]。輻射方向圖可以表示為（1）

式中，Er表示陣列的電場(chǎng)強(qiáng)度；Ak為距離陣列中心第k個(gè)單元的幅度；θ為所測(cè)場(chǎng)強(qiáng)與天線軸的夾角；Ψ表示βd=（2π/λ）d；考慮到角度的變化關(guān)于d的表達(dá)式可以進(jìn)一步表示為

從式（2）可以看出通過(guò)增加輻射單元的數(shù)目可以顯著提高天線的增益，但當(dāng)單元數(shù)目增加到一定程度時(shí)，增益提高的幅度會(huì)很小?？紤]到天線尺寸大小的問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用中在滿足增益的要求下需要選擇適當(dāng)?shù)膯卧獢?shù)目。

3.2天線仿真

在高頻三維電磁仿真軟件HFSS中對(duì)上述天線建立模型，仿真得到在中心頻率處該天線E面增益達(dá)到11.6dB，副瓣電平小于-14dB如圖2(a)所示；天線H面不圓度小于0.1dB如圖2(b)所示。

圖2　仿真結(jié)果圖

4　理論計(jì)算

通過(guò)仿真可以看出該天線具有高增益、全向性好的特點(diǎn)。下面對(duì)在離發(fā)射天線不同距離所監(jiān)測(cè)到的電平值大小變化進(jìn)行討論。假設(shè)天線架設(shè)高度為h，從A，B兩點(diǎn)看天線的仰角分別為20°，60°，如圖3所示。圖中，1l，2l為A，B兩點(diǎn)到天線的視距；d1，d2為A，B兩點(diǎn)到天線底端的距離。得

圖3　簡(jiǎn)易示圖

由微波鏈路計(jì)算公式，分別求得從發(fā)射天線到A，B兩點(diǎn)接收功率為

式中，Pt是發(fā)射功率；Pr1，Pr2分別是A，B兩點(diǎn)接收功率；Gr是接收天線增益；λ是接收頻點(diǎn)波長(zhǎng)；Gt1，Gt2分別是發(fā)射天線在1lur，2lur方向上的副瓣增益；1lu r，2lur與天線軸正向的夾角分別為110°，150°。由天線E面增益圖2(a)所示，110°對(duì)應(yīng)-7.5dB，150°對(duì)應(yīng)-15.5dB。假設(shè)天線架設(shè)高度為h=50m，則B，A兩點(diǎn)接收到的功率差值為

5　結(jié)束語(yǔ)

由式（10）可以看出，A，B兩點(diǎn)到發(fā)射天線底端距離分別為137.38m，28.87m，即A點(diǎn)到發(fā)射天線的距離為B點(diǎn)到發(fā)射天線距離的五倍左右，但B點(diǎn)接收到的功率值只比A點(diǎn)功率值大0.0696dB。通過(guò)微波鏈路公式可知，得出這種結(jié)果的原因除了與到接收天線的距離有關(guān)外，還與該點(diǎn)到發(fā)射天線的仰角有關(guān)。

以后在查找類似干擾過(guò)程中為了避免靠近發(fā)射源時(shí)由高仰角引起的接收電平值較低，這時(shí)候最好能采取制高點(diǎn)測(cè)向的方式，盡量將接收天線對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線的主瓣，減少天線E面方向性對(duì)接收電平值的影響。

Analysis of Coaxial Collinear Array Antenna and Distinguish in Finding Interference

Cai Minghui，Yang Juan
(Urumqi Station of The State Radio Monitoring Center, Urumqi, 830054)

Coaxial Collinear Array antenna which is a high-gain omnidirectional antenna is widely used in a number of radars and communication antennas. The antenna have been simulated by the software HFSS. The received level at different distances, elevation from the emission by the antenna gain patterns and microwave link formula. Finally, some advices have been given on Finding interference.

coaxial collinear array antenna; microwave link

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.012

TN82文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）02-0063-03

蔡明輝，男，1985年生，新疆伊寧市人，助理工程師，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，先后獲學(xué)士、碩士學(xué)位，現(xiàn)任職于國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，研究興趣為天線及其饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。楊 娟，女，1987年生，新疆庫(kù)爾勒市人，助理工程師，畢業(yè)于新疆大學(xué)，先后獲學(xué)士、碩士學(xué)位，現(xiàn)任職于國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站。

[1] B. B. Balsley and W. L. Ecklund, “A portable coaxial collinear antenna,”IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-20, pp. 513-516, 1972.