短波偶極子簾幕相控陣天線設(shè)計及方向圖計算

張 明，鄧朝陽，王 力，涂 帥

短波偶極子簾幕相控陣天線設(shè)計及方向圖計算

張 明，鄧朝陽，王 力，涂 帥

（91351部隊，遼寧興城 125106）

偶極子簾幕相控陣天線是在偶極子簾幕天線的基礎(chǔ)之上增加了相位控制系統(tǒng)。本文設(shè)計了兩個相控陣天線，實現(xiàn)了80o方位角的動態(tài)通信覆蓋，有較好的通信性能，并對其方向圖進行了理論仿真。最后通過比較雙菱形天線和偶極子簾幕相控陣天線，證明了偶極子簾幕相控陣天線的通信優(yōu)勢。

偶極子簾幕相控陣天線 相位控制 方向圖

0 引言

相控陣技術(shù)是通過控制各單元的相位、幅度來控制波束的掃描，為實現(xiàn)賦形波束及波束的無慣性掃描提供了技術(shù)支持。因此，相控陣技術(shù)在雷達等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在通信方面，短波通信具有極其重要的戰(zhàn)略地位，短波相控陣天線可通過波束控制器來控制天線輻射波束指向，一個天線陣覆蓋較寬的通信扇面。在短波波段，偶極子簾幕形天線占地面積小，發(fā)射場型的變動比較靈活，天線的輻射性能隨天線陣偶極子的層數(shù)和每層的半波振子數(shù)目的變化而改變，基于簾幕天線這種特性，本文設(shè)計了兩副偶極子簾幕相控陣天線，覆蓋了10～30 MHz的通信波段范圍和80o的波束掃描范圍。

1 短波偶極子簾幕相控陣天線系統(tǒng)設(shè)計方案

本節(jié)參考文獻的相位控制方法：通過改變信號的傳輸路徑來改變輸出信號的相位，并借鑒文獻的天線形式和結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一副短波四元相控陣天線：偶極子簾幕相控陣天線。這種相控陣天線系統(tǒng)有兩種方案可供選擇：

1) 移相器工作在大功率發(fā)射機后面，先由發(fā)射機產(chǎn)生一個大功率短波射頻信號，然后通過移相器來改變大信號的相位，最后把經(jīng)過移相的信號送到天線；

2) 移相器工作在發(fā)射機前面，先將短波激勵器產(chǎn)生的小射頻信號經(jīng)過移相器控制相位的變化，然后將經(jīng)過移相的小信號通過發(fā)射機進行功率放大，最后把放大的信號送到天線。

這兩種設(shè)計方案的最大區(qū)別就是移相器的位置，第一種方案中的移相器必須滿足大功率工作要求，如果按照這種方案設(shè)計相控陣天線，首先要解決的是大功率短波移相器的設(shè)計問題。本文采用延遲線來設(shè)計短波大功率移相器，這種方案的優(yōu)點在于對發(fā)射機輸出信號相位沒有任何要求，它是通過移相器來控制信號相位變化的。第二種方案要求將發(fā)射機的功放和激勵器分離開，而我國現(xiàn)役發(fā)信機裝備激勵器和射頻功放被安裝在同一個機柜中，因此必須對發(fā)信機進行改裝。本文選擇了第一種天線設(shè)計方案。

為使天線陣能覆蓋10～30 MHz的頻率范圍，本文設(shè)計的簾幕天線陣的頻帶寬度約為1.73個倍頻程，低口頻率范圍為10～17.3 MHz，高口頻率范圍為17.3～30 MHz，選用兩副天線即可滿足10～30 MHz的頻率范圍要求。查閱參考文獻天線性能參數(shù)表（短波天線工程），低口天線型號選擇為HRS4/3/0.5，中心工作頻率為13.7 MHz，天線的駐波比小于1.5；高口天線型號選擇為HRS4/4/0.5，中心工作頻率為23.1 MHz，天線的駐波比小于1.5，這兩副天線的性能指標均達到目標要求。反射幕距離天線的水平距離為0/4,反射幕線間距設(shè)置為0.83 m，線直徑為4 mm。

2 短波偶極子簾幕天線波控系統(tǒng)設(shè)計方案

下面以高口天線（HRS4/4/0.5偶極子簾幕天線）為例，來設(shè)計短波偶極子簾幕相控陣天線波控系統(tǒng)。HRS4/4/0.5偶極子簾幕天線有一個把四列偶極子分別連接到一個單一輸入端的饋電系統(tǒng)。采用大信號移相方案，移相器采用大功率延遲線，天線系統(tǒng)的連接如圖1所示。它的饋電系統(tǒng)由功分器和移相器組成，而移相器由一組同軸電纜延遲線和一個射頻交換設(shè)備組成，射頻交換設(shè)備可以將延遲線插入各列天線的饋電點（圖1中的圓圈表示饋電點），或?qū)⒀舆t線從各列天線的饋電點移出，實現(xiàn)對各列天線饋電相位的控制。當(dāng)從天線陣輸入端到第1、第2、第3和第4列偶極子饋電點的傳輸線總長度1、2、3和4長度相同時，即1=2=3=4=0，則天線陣的波束指向天線陣的視軸方向，即垂直于偶極子陣平面的方向。

若要天線陣波束指向朝第1列偶極子方向偏轉(zhuǎn)，則從天線陣輸入端到4列偶極子饋電點的路徑長度被分別設(shè)置為：

注：L1、L2、L3和L4是輸入端到各天線根部的電纜長度

注：q為水平偏轉(zhuǎn)角

3 短波偶極子簾幕相控陣天線的方向圖

下面計算HRS4/3/0.5和HRS4/4/0.5偶極子簾幕相控陣天線波束無偏轉(zhuǎn)的歸一化方向圖。

1) HRS4/3/0.5偶極子簾幕陣天線在低口（10～17.3 MHz）頻段內(nèi)工作，中心工作頻率為13.7 MHz。天線陣為4列3行結(jié)構(gòu)，層與層之間的距離為0/2，水平線上振子中心的距離為0/2，以及最低層偶極子距離地面的高度也為0/2，其中0為中心工作頻率對應(yīng)的波長。地面的介電常數(shù)為4，地面的導(dǎo)電率為0.01 mS/m，反射幕距離天線的水平距離為0/4，反射幕線間距為0.83 m，線直徑為4 mm。參考短波偶極子簾幕天線方向圖的計算公式和這些具體參數(shù)，計算了HRS4/3/0.5簾幕相控陣天線波束無偏轉(zhuǎn)情況下的方向圖，得到了其在低口頻段內(nèi)中心頻點和高低頻點的歸一化垂直面方向圖和水平面方向圖（三個頻率點分別為10 MHz、13.7 MHz、17.3 MHz），如圖3所示。

2) HRS4/4/0.5偶極子簾幕相控陣天線為4列4行結(jié)構(gòu)，在高口（17.3～30 MHz）這個頻段內(nèi)工作，中心工作頻率為23.1 MHz。HRS4/4/0.5偶極子簾幕相控陣天線的各個參數(shù)設(shè)置和HRS4/3/0.5偶極子簾幕相控陣天線基本相同，只是在HRS4/3/0.5偶極子簾幕相控陣天線的基礎(chǔ)上它的每一陣列的水平振子數(shù)目增加了一個，即每個天線列單元有四個水平振子垂直排列組成，其它天線電參數(shù)均保持不變。參考短波偶極子簾幕天線方向圖的計算公式和這些具體參數(shù)，計算了HRS4/4/0.5簾幕相控陣天線波束無偏轉(zhuǎn)情況下的方向圖，得到了其在低口頻段內(nèi)中心頻點和高低頻點的歸一化垂直面方向圖和水平面方向圖（三個頻率點分別為17.3 MHz、23.1 MHz、30 MHz），如圖4所示。

4 短波偶極子簾幕天線性能優(yōu)勢分析

目前，大型短波通信臺站的遠距離發(fā)信天線主要采用菱形天線。它由固定在四個高度相同的桅桿上且構(gòu)成一個菱形形狀的兩條金屬線組成，在長對角線的一端饋電，另一端接匹配電阻，天線電流呈行波狀態(tài)，阻抗帶寬很寬，增益很高。雙菱形天線與HRS4/4/0.5偶極子簾幕天線陣主要電氣性能和占地面積見表1。

圖3 HRS4/3/0.5偶極子簾幕相控陣天線水平波束無偏轉(zhuǎn)方向圖

表1 相控陣天線與雙菱形天線的主要電氣性能及占地面積

由這兩種天線對比圖表可以得到：

1) 偶極子簾幕天線陣與雙菱形天線的增益相差不多，因此在相同發(fā)射功率的條件下，這兩種天線的通信保障距離相當(dāng)。

2) 從波束寬度來看，雙菱形天線的水平波束寬度比偶極子簾幕天線陣的水平波束寬度窄很多，因此單副雙菱形天線的通信保障扇面比偶極子簾幕天線陣小很多，需要很多副雙菱形天線才能對一個較大的通信扇面進行有效的覆蓋。而偶極子簾幕相控陣天線可以對水平波束的指向進行電控，實現(xiàn)較大扇面的通信覆蓋。

3) 由于雙菱形天線的副瓣多且電平較高，所以盡管雙菱形天線的主瓣窄，但增益并不比偶極子簾幕天線增益高。HRS4/4/0.5偶極子簾幕相控陣天線在其最低工作頻率工作時，方向圖主瓣偏轉(zhuǎn)30°時的最大增益值為15.5，并有較大的3dB主瓣寬度，雖然其工作頻帶相對于雙菱形天線要窄，但總體性能較雙菱形天線有較大優(yōu)勢。

4) 偶極子簾幕天線陣占地面積遠小于雙菱形天線的占地面積。

5 結(jié)論

短波偶極子簾幕相控陣陣天線是在短波偶極子簾幕天線的基礎(chǔ)上，增加移相分系統(tǒng)，控制垂直方向排列的子陣的饋電相位，可以實現(xiàn)水平面（方位角度量）內(nèi)主瓣的偏轉(zhuǎn)，從而擴大通信覆蓋區(qū)域。HRS4/3/0.5和HRS4/4/0.5偶極子簾幕天線方位角波束主瓣寬度典型值為24°，通過對饋電相位控制，計算得到相位步進量30°、60°和90°分別實現(xiàn)約10°、20°和30°波束指向偏轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)通信覆蓋范圍達80°以上。

[1] 郵電部北京設(shè)計所. 天線和饋電線[M]. 北京: 人民郵電出版社, 1985: 98-196.

[2] 李相平, 張剛, 李亞昆, 等. FPGA在相控陣波束控制器中的應(yīng)用[J]. 電子工程師, 2008, 34(1): 1-3.

[3] 孫長果, 張進民, 張曉麗, 等. 一種利用相控陣天線陣綜合扇區(qū)波束的方法[J]. 通信學(xué)報, 2003, 24(6): 139-143.

[4] 張光義. 數(shù)字波束形成方法的應(yīng)用分析[J]. 現(xiàn)代雷達, 1989(2): 66-72.

[5] Chang H C. Analysis of Coupled Phase-locked Loops with Independent Oscillators for Beam Control Active Phased Arrays[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2004, 52(3): 1059-1066.

[6] Wilensky R. High-power, Broad-bandwidth HF Dipole Curtain Array with Extensive Vertical and Azimuthal Beam Control[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 1988, 34(2): 201-209.

[7] 南京電子技術(shù)研究所. 相控陣天線手冊[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 1, 180-188.

Design and Pattern Calculation of Short Wave Dipole Curtain Phased Array Antenna

Zhang Ming, Deng Chaoyang, Wang Li, Tu Shuai

(The Army of 91351, Xingcheng 125106, Liaoning, China)

TN821

A

1003-4862（2019）08-0047-04

2019-01-15

張明（1984-），男，工程師。E-mail：317450303@qq.com