一種旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線設(shè)計

何如龍

摘 ? 要：對數(shù)周期天線是能夠用一副天線工作于整個短波波段并保持優(yōu)良性能的寬帶天線形式，主要用于中遠(yuǎn)距離通信，本文提出了一種短波旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線的設(shè)計方法，針對其關(guān)鍵設(shè)計點提出了獨特見解。之后經(jīng)過樣機試架試驗，測試了所設(shè)計天線的關(guān)鍵電氣指標(biāo)，與理論結(jié)果進(jìn)行比較，并結(jié)合天線結(jié)構(gòu)設(shè)計實際進(jìn)行調(diào)整修正。調(diào)整后天線性能優(yōu)異。本文指出了此類天線的設(shè)計關(guān)鍵，對該種緊湊型帶桁架天線工程具有參考意義。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn) ?對數(shù)周期天線 ?短波 ?桁架

中圖分類號：TN821 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0041-02

對數(shù)周期天線是能夠用一副天線工作于整個短波波段并保持優(yōu)良性能的寬帶天線形式，主要用于中遠(yuǎn)距離通信[1]。由于它結(jié)構(gòu)簡單，頻帶寬，增益高，得到廣泛應(yīng)用[2]。傳統(tǒng)的對數(shù)周期天線安裝好后只能對一個方向進(jìn)行通信，旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線是在天線幕的下面安裝轉(zhuǎn)動伺服系統(tǒng)，工作時可以根據(jù)需要調(diào)整天線轉(zhuǎn)到最佳通信方向。由于旋轉(zhuǎn)的特殊需求，旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線在電氣設(shè)計中有其獨特特點。

1 ?引言

考慮結(jié)構(gòu)及抗風(fēng)要求，旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)尺寸必須嚴(yán)格控制，否則對于整個天線體的轉(zhuǎn)動支撐結(jié)構(gòu)帶來很大的負(fù)荷，甚至不能實現(xiàn)。而如果天線尺寸過小，那么天線的增益和阻抗將很難達(dá)到設(shè)計要求。因此合理的選擇天線參數(shù)將變得至關(guān)重要。

為了大幅度縮小對數(shù)周期天線的縱向長度，必須合理地分配τ與σ參數(shù)。當(dāng)τ與σ分配不合適時，天線的非頻變性會遭到破壞，即使在振子全尺寸情況下都不能滿足要求。高性能的小型化對數(shù)周期天線設(shè)計思路是：首先設(shè)計出合適的 與 參數(shù)，將天線的縱向尺寸縮小至實際需要的空間，此時振子在全尺寸情況工作，必須滿足電性能要求;其次，進(jìn)行天線的橫向尺寸縮小，將振子尺寸縮小至實際需要的空間內(nèi)，一般可采用V型振子、門形振子、S形振子等縮短橫向尺寸。

2 ?旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線的電氣仿真

本文旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線采用燕尾型對數(shù)周期天線形式[3]，所有振子基本呈“V”型結(jié)構(gòu)，天線結(jié)構(gòu)緊湊，通常比相同工作頻率的對數(shù)周期偶極子天線橫向?qū)挾纫『芏?，以便于天線整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線電氣工作原理與一般對數(shù)周期偶極子天線的工作原理相同，即存在傳輸區(qū)、輻射區(qū)、非諧振區(qū)。

一般燕尾型對數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看到，燕尾型對數(shù)周期天線中每個振子與集合線夾角均不相同，一般為了縮短橫向長度，最長振子與集合的夾角最小，其余后面逐漸變大。為了保證天線電氣性能的非頻變特性，振子與集合線的夾角也必須按照比例因子逐漸變化，這個比例關(guān)系構(gòu)成了燕尾型對數(shù)周期天線各個振子自相似的核心。振子長度與振子間距的比例同一般對數(shù)周期偶極子天線相同，天線通過各個振子的自相似結(jié)構(gòu)構(gòu)成非頻變特性。

整個天線由鐵塔、天線桁架、天線面、阻抗變換器、加載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

本天線設(shè)計工作頻率范圍為4～30MHz，天線面由17對振子、一對集合線、兩對邊索組成，占地約28m×28m。振子與集合線構(gòu)成不同的夾角向短振子方向傾斜，構(gòu)成燕尾型對數(shù)周期天線。振子以對數(shù)周期基本原理長度構(gòu)成。長振子對應(yīng)低頻工作區(qū)域，短振子對應(yīng)高頻工作區(qū)域。

本天線為實現(xiàn)天線重心、支撐絎架、支撐塔投影重合，要求振子和集合線夾角盡可能小。

經(jīng)過電氣計算及結(jié)構(gòu)初步反饋，天線的駐波比以及典型頻率方向圖如圖2所示。

3 ?天線結(jié)構(gòu)形式

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線面主要包括振子和尾線、邊吊索、短路線、集合線、跳線等;天線主桁架包括中心主桁架、中心立塔、前端支撐組件和主桁架支撐組件組成;側(cè)翼包括側(cè)翼底座、絕緣管、拉線箍等組成。除下支撐外，其余支撐梁主要材質(zhì)為玻璃鋼管，下支撐由金屬組裝而成;拉線包括主桁架、側(cè)翼的上、下拉線和主桁架、側(cè)翼間拉線，上、下拉線由鋼絲繩制作而成，主桁架、側(cè)翼間拉線由非金屬繩制作而成。

集合線通過絕緣板安裝在桁架內(nèi)部，為上、下雙線結(jié)構(gòu)。短路線連接在集合線另一端，結(jié)構(gòu)形式與集合線一樣，為上下結(jié)構(gòu)，固定在主桁架下方。

天線高頻端由V型架支撐，V型架由V型接頭、接頭、玻璃鋼管和平衡拉線組成，V型架結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。其中水平拉線長約3.6m，其上均勻布置三個絕緣子將拉線分成約0.9m間隔的四段。

V型接頭和接頭均由φ80mm×5mm鋼管和鋼板焊接而成，鋼管上加工螺栓固定孔，固定玻璃鋼管。

4 ?天線試驗

天線在生產(chǎn)完成后進(jìn)行試架，并對其進(jìn)行了駐波比測試，測試結(jié)果如圖4所示。

在中低頻段，天線駐波比均小于2，基本符合理論仿真結(jié)果。但在25MHz以后，天線駐波比明顯異常。經(jīng)分析其原因可能有以下幾點[4]。

（1）最短振子過長，天線可用頻段不足以覆蓋到30MHz;

（2）高頻振子及其跳線受桁架負(fù)面影響;

（3）天線受其他耦合影響;

經(jīng)逐項排查，最終發(fā)現(xiàn)天線桁架前端V型架上的水平拉線對天線影響較大。V型架V型接頭、接頭、水平拉線部分均為金屬件。其中水平拉線按0.9m間隔布置高頻絕緣子，但該水平拉線距離高頻振子距離僅2m左右，考慮到天線最短振子長度為1.46m，0.9m長的絕緣子間隔仍然會產(chǎn)生嚴(yán)重影響其仍然對天線高頻造成嚴(yán)重影響。

經(jīng)再次建模、試驗，將該拉線替換為非金屬繩，該影響隨之消除。但考慮到工程防腐以及天線壽命的原因，該拉線采用金屬繩仍然有重要意義。但采用金屬拉繩時，應(yīng)保持單段金屬繩長度小于天線最短振子半臂長的1/2計算表明當(dāng)拉線長度約為振子半臂長的1/2時基本對天線駐波特性不構(gòu)成影響，如圖5所示。

5 ?結(jié)語

在旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線這種結(jié)構(gòu)緊湊的天線設(shè)計中，天線性能極易受到天線面附近桁架、拉線、支撐件以及索具等其他因素干擾。在天線設(shè)計時對天線面尤其是高頻端所有金屬結(jié)構(gòu)件均需要特別關(guān)注，對于較大金屬件影響應(yīng)通過電磁仿真軟件建模計算避免，并通過試驗驗證。

參考文獻(xiàn)

[1] （美）波賽爾（Poisel.R.A）著.天線系統(tǒng)及其在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].胡來招等，譯.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[2] 陳水清，李運洲，孫英閣.15kW大功率固定對數(shù)周期天線改造設(shè)計[J].艦船電子工程，2016，36（5）：172-174.

[3] 李東虎，任曉飛，李虎.一種小型化短波對數(shù)周期天線設(shè)計[J].電波科學(xué)學(xué)報，2014，29（4）：711-714.

[4] 楊國英，趙福玲.對數(shù)周期偶極子天線陣的互耦分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（11）：85-88.