傳輸線應(yīng)用于中波雙錐天線的系統(tǒng)研發(fā)及拓展應(yīng)用

邵 勇，姚 靜，邵炳翔

（1.河南省鄭州八零四中波轉(zhuǎn)播臺，河南 鄭州 450000；2.河南廣播電視臺104臺，河南 鄭州 450001）

1 傳輸線作為電抗器件

1.1 終端短路的傳輸線

終端阻抗ZL=0，終端電壓UL=0，終端電流IL為最大值，此時(shí)為全反射，反射系數(shù)P＝-1，駐波比S＝∞，行波系數(shù)K=0，線上只有駐波。短路線上的電壓和電流的駐波分布如圖1（a），短路線上的輸入阻抗與線長（頻率不變時(shí)）的關(guān)系如圖1（b）。

圖1 短路線上電壓電流駐波分布圖和輸入阻抗與線長關(guān)系圖

終端短路傳輸線的性質(zhì)可歸納為：①離終端為λ/2的整數(shù)倍的各點(diǎn)，是電壓駐波的節(jié)點(diǎn)，電流駐波的腹點(diǎn)，輸入阻抗為零，相當(dāng)于串聯(lián)譜振。②離終端為λ/4 的奇數(shù)倍的各點(diǎn)，是電壓駐波的腹點(diǎn)，電流駐波的節(jié)點(diǎn)，輸入阻抗為無窮大，相當(dāng)于并聯(lián)諧振。③當(dāng)頻率不變時(shí)，長度為λ/4＞x＞0 呈感性，而λ/2＞X＞λ/4呈容性。④在線長不變的諧振狀態(tài)下，串聯(lián)諧振時(shí)，低頻工作呈感性，高頻工作呈容性；并聯(lián)諧振時(shí)，低頻工作呈容性，高頻工作呈感性。

1.2 終端開路的傳輸線

終端阻抗ZL=∞、終端電流IL=0，終端電壓UL為最大值，此時(shí)為全反射，線上只有駐波，線上電壓和電流的駐波分布加圖2（a），線上輸入阻抗如圖2（b）。

圖2 線上電壓電流駐波分布和輸入阻抗圖

終端開路傳輸線的性質(zhì)：①離終端λ/2 的整數(shù)倍的各點(diǎn)。是電流節(jié)點(diǎn)電壓腹點(diǎn)，輸入阻抗無窮大。相當(dāng)于并聯(lián)諧振。②離終端λ/4 的奇數(shù)倍的各點(diǎn)，是電流腹點(diǎn)電壓節(jié)點(diǎn)，輸入組抗為零，相當(dāng)于串聯(lián)諧振。③當(dāng)頻率不變時(shí)，長度為λ/4＞x＞0 時(shí)為容抗，而λ/2＞X＞λ/4 時(shí)為感抗。④在線長不變的諧振狀態(tài)下，串聯(lián)諧振時(shí)，低頻工作呈感性，高頻工作呈容性；并聯(lián)諧振時(shí)，低頻工作呈容性高頻工作呈感性。

2 諧振雙錐中波小天線的結(jié)構(gòu)原理

2.1 天線的結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。圖3（a）為串聯(lián)饋電方式，此時(shí)LC構(gòu)成串聯(lián)回路。圖3（b）為并聯(lián)饋電方式，此時(shí)LC構(gòu)成并聯(lián)回路。α為兩椎體的張角，L為小于λ/4的短路同軸電纜。

圖3 天線結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

圖4（a）為并聯(lián)諧振的工作原理圖，圖4（b）為串聯(lián)諧振的工作原理圖。其中L為短路電纜的電感，C為雙錐振子的輻射電容，RΑ為雙錐體的輻射電阻，R為輻射電場的地?fù)p電阻，r 為傳輸線的電阻，Rg為信號源內(nèi)阻。由圖4 可知，雙錐振子與短路電纜分別構(gòu)成LC串聯(lián)諧振回路和LC并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率fO=1/2π，合理選擇L、C使得f=f。工作頻率此時(shí)回路處于諧振工作狀態(tài)。

圖4 工作原理圖

2.3 串諧振回路的特點(diǎn)

①諧振時(shí)回路阻抗為最小值。②諧振時(shí)回路阻抗為純電阻?；芈范穗妷号c回路電流同相。③諧振時(shí)，回路電流達(dá)最大值。④諧振時(shí)，回路中感抗與容抗相等。⑤諧振時(shí)，電感線圈端電壓的值與電容端電壓的值相等。并等于總電壓的Q倍。

由上述特點(diǎn)可知，由于諧振時(shí)回路阻抗為最小值，因r很小，所以Q極大，其工作原理圖4（b）等效為圖5，此時(shí)相當(dāng)于外加電感抵消了雙錐振子的電容對輻射電阻的分壓作用，回路電壓全部加于輻射電阻。使得錐振子獲得最大的輻射功率。由于諧振時(shí)，回路電流達(dá)最大值，振子輻射出去的能量而由信號源迅速補(bǔ)充并維護(hù)LC串聯(lián)諧振構(gòu)成底部加感天線。

圖5 串聯(lián)諧振時(shí)的等效電路圖

2.4 并聯(lián)諧振回路的特點(diǎn)

①諧振時(shí)，回路阻抗且為最大值。②諧振時(shí)，回路阻抗呈純電阻，回路端電壓與總電流同相。③諧振時(shí)，外加電壓一定，回路總電流為最小值，外加電流一定，回路端電壓為最大值。④諧振時(shí)，回路感抗與容抗相等。⑤諧振時(shí)，兩支路的電流大小近似相等，并等于總電流的Q倍，方向近似相反。

由上述特點(diǎn)可知，由于諧振時(shí)回路阻抗Z。＝Qρ為最大值，因r很小，所以Q極大。通過諧振回路的電流近似為零。其工作原理圖4（a）等效為圖6，此時(shí)相當(dāng)于外加電感抵消了雙錐振子的電容對輻射電阻的分流作用，回路電流全部加于輻射電阻，使得雙錐振子獲得最大的輻射功率，由于諧振時(shí)回路電壓達(dá)最大值，諧振回路內(nèi)能量減少集中為雙錐振子的空間輻射，其輻射出去的能量而由信號源及時(shí)補(bǔ)充并維持LC并聯(lián)諧振，構(gòu)成中饋對地?zé)o關(guān)天線。

圖6 并聯(lián)諧振時(shí)的等效電路圖

3 諧振雙錐中波天線的基本參數(shù)

3.1 雙錐振子的幾何結(jié)構(gòu)

由上下兩個(gè)金屬錐體構(gòu)成下椎體接地，上椎體通過金屬導(dǎo)體支撐到一定高度，下方通過絕緣子與下椎體連接。

3.2 雙錐振子的電容C

上下錐體構(gòu)成電容的兩個(gè)極板，極板面積越大C越大，極板距離越小C越大，α越大C越大，雙錐振子的幾何尺寸及結(jié)構(gòu)固定后C固定。

3.3 輻射電阻RΑ

雙錐振子之間傳導(dǎo)電流IΑ作高頻交流變化時(shí)，有電磁波能量輻射，輻射功率N?。絀Α2RΑ，把RΑ視作輻射電阻。增大錐距RΑ增大；α減小RΑ增大，增大極板面積RΑ增大。雙錐振子的幾何尺寸及結(jié)構(gòu)固定后，RΑ固定。

3.4 地?fù)p電阻R

電流流經(jīng)雙錐振子，以及傳導(dǎo)電流經(jīng)椎體入地所產(chǎn)生的損耗，稱為地?fù)p電阻，由于雙錐振子的金屬導(dǎo)電性能良好，使得R較小，天線有較高輻射效率η＝RΑ/（RΑ+R）。

3.5 短路線的電感L

短路電纜的電感量作為可確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，使得回路設(shè)計(jì)清晰化調(diào)配網(wǎng)絡(luò)簡單化，也為雙頻和多頻共塔提供了廣闊的設(shè)計(jì)空間。

3.6 LC諧振回路的諧振特性

由于LC諧振回路有較好的諧振特性，諧振曲線表現(xiàn)出較為確定和明顯的通頻帶，有效抑制對其他天線頻率的串?dāng)_和它頻率對自身的串?dāng)_。雙錐輻射體之間的感應(yīng)場結(jié)構(gòu)較之開放型桅桿天線，具有較強(qiáng)的抗串?dāng)_能力，同時(shí)避免了對其他天線頻率的串?dāng)_。

4 LC諧振雙錐中波天線的應(yīng)用

4.1 LC諧振雙錐中波天線可操作性

LC諧振雙錐中波天線可操作性強(qiáng)，由于不受高度限制，雙錐的設(shè)計(jì)和制作簡單，中間絕緣措施簡單易行，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，短路電纜定型穩(wěn)定，根據(jù)功率容量可采用50 mm、80 mm 等不同粗細(xì)的同軸電纜，甚至做成特殊形式的傳輸線。

4.2 中波天線設(shè)計(jì)上的靈活性

由于短路電纜的引入使得該天線結(jié)構(gòu)不像其他形式的中波小天線壓縮天線的實(shí)際電氣長度，這就從根本上保證了該天線結(jié)構(gòu)的電氣性能，規(guī)避諸多制約因素。相反較之傳統(tǒng)的拉線塔和自主塔，可根據(jù)需要變換其電氣長度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的靈活性。

中波天線結(jié)構(gòu)真正做到了節(jié)省土地，設(shè)計(jì)簡單，降低架設(shè)成本，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的研制目的要求，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的中波小天線。

5 傳輸線作為電抗元件的拓展應(yīng)用

目前無論何種形式的中波天線，都可以在其應(yīng)用頻率上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，對其分布參數(shù)進(jìn)行定性分析和定量測量。對其不同的電抗參數(shù)進(jìn)行不同類型的諧振補(bǔ)償。利用集總參數(shù)元件或傳輸線電抗元件、波導(dǎo)元件等，對于76 m自立塔進(jìn)行低頻頻率發(fā)射時(shí)的有效高度補(bǔ)償，具有普遍適用的意義。對于鞭狀天線的矮化及加粗，能徹底彌補(bǔ)有效高度不足，發(fā)揮建造方便節(jié)和約成本的優(yōu)勢。