管耀武,吳其山,黃世勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

常用短波鞭天線性能優(yōu)化工程技術(shù)研究*

管耀武,吳其山,黃世勇

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

短波天饋線系統(tǒng)是短波通信系統(tǒng)中的重要組成部分,天線的效率直接關(guān)系到短波通信的質(zhì)量,在實際開展短波通信時,加強(qiáng)對短波天線的工程應(yīng)用研究和優(yōu)化改進(jìn),才能充分發(fā)揮短波通信的總體效能。通過對鞭狀天線較為全面的性能分析,從提高鞭狀天線輻射效率的角度出發(fā),分別在加頂負(fù)載、加電感線圈、埋設(shè)地線或地網(wǎng)等幾個方面給出性能優(yōu)化的具體實現(xiàn)方法,切實有效地改善了短波通信(話音、數(shù)據(jù))傳輸性能。

短波通信 短波天線 性能分析 性能改進(jìn)

0 引 言

短波通信憑借其抗毀能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、運行成本低等特點,在公共應(yīng)急通信以及在軍事通信保障中的發(fā)揮著重要的作用。短波天饋線系統(tǒng)是短波通信系統(tǒng)中的重要組成部分,是電磁能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件,天線的效率直接關(guān)系到短波通信的質(zhì)量。在短波通信項目中必須重視短波天、饋線工程建設(shè)與優(yōu)化,才能充分發(fā)揮短波通信的總體效能。

短波鞭天線廣泛應(yīng)用于軍隊、黨政、公安武警及相關(guān)特種行業(yè)的常規(guī)和應(yīng)急通信系統(tǒng)中。因此加強(qiáng)對短波鞭天線進(jìn)行性能分析并給出相應(yīng)的性能優(yōu)化措施,具有非常重要的現(xiàn)實意義[1]。

文中通過對鞭狀天線性能較為全面的分析,首先對在工程應(yīng)用中如何正確選擇和使用鞭天線提出建議,同時從提高鞭狀天線輻射效率的角度出發(fā),分別在加頂負(fù)載、加電感線圈、埋設(shè)地線或地網(wǎng)或架設(shè)平衡網(wǎng)幾個方面給出優(yōu)化的理論依據(jù)和具體工程實現(xiàn)方法。

1 常用短波鞭天線性能分析

鞭狀天線是短波天線的基本形式,其形狀似鞭,所以稱為鞭狀天線。以下對其典型性能進(jìn)行分析:

1.1 短波鞭天線輻射特性

短波鞭天線輻射特性在水平面上為全向特性,電場在水平面上均應(yīng)分布,如圖1(a)所示。在垂直面上,各仰角上的電場強(qiáng)度并不相同,沿著地面方向的發(fā)射強(qiáng)度高,隨著仰角的增加,發(fā)射強(qiáng)度逐漸減弱,如圖1(b)所示。

圖1 鞭狀天線方向性示意Fig.1 Schematic diagram of the whip antenna direction

1.2 天線高度(長度)與方向性的關(guān)系

鞭狀天線對于特定頻率,隨著天線高度的不同,其方向性有著較大的差別。如圖2所示。

圖2 鞭狀天線高度與方向性關(guān)系示意Fig.2 Schematic diagram of the whip antenna height and direction of the relationship

1.3 天線的效率

鞭狀天線的效率由下式求得:

式中,Pt為天線輻射至空間的功率,Ps為天線損耗功率,Rt為天線輻射電阻,Rs為天線損耗電阻。

鞭狀天線的效率隨h/λ增大而提高。短波鞭狀天線的效率一般只有百分之幾。圖3給出了高度h=4.8 m的典型鞭狀天線效率變化曲線。

圖3 鞭狀天線的效率與頻率關(guān)系曲線Fig.3 Curves of the relationship between efficiency and frequency diagram of the whip antenna

2 短波鞭天線性能改進(jìn)方案

2.1 天線高度選擇及頻率應(yīng)用

如前短波鞭天線高度(長度)與方向性分析所述,在天線高度λ/4≤h≤5λ/8時,無線電波沿地面發(fā)射的效果最佳。當(dāng)h/λ≤5/8時,沿著地面方向的電場強(qiáng)度隨著增加而變大,當(dāng)h=5λ/8時電場強(qiáng)度達(dá)到最大,但出現(xiàn)了副瓣。當(dāng)h=3λ/4時,最大輻射方向已不在沿地面的方向上。因此,利用短波天線進(jìn)行地波通信時,鞭狀天線的高度必須小于5λ/8。為了避免高仰角引起的衰落現(xiàn)象,鞭狀天線的最佳高度,應(yīng)選高度h=0.53λ。

2.2 天線加改裝措施

提高鞭狀天線的效率,必須增大輻射電阻和減小損耗電阻,具體辦法有:加頂負(fù)載[2]、加電感線圈、埋設(shè)地線或地網(wǎng)或架設(shè)平衡網(wǎng)[3]。

2.2.1 加頂負(fù)載

加頂負(fù)載就是在天線頂端增加小球、圓盤或輻射葉等負(fù)載器,加頂負(fù)載的鞭狀天線如圖4所示。

加頂負(fù)載使得天線的頂端輻射面積增大。相應(yīng)地天線體與地之間的等效分布電容增大,容抗減小,頂端輻射電流增大,整個天線上的傳導(dǎo)電流分布變得均勻,相當(dāng)于增加了天線的有效高度,從而提高了鞭狀天線的效率。

圖4 加頂負(fù)載的鞭狀天線示意Fig.4 Schematic diagram of whip antenna with top load

2.2.2 加電感線圈

加電感線圈就是在天線最上一節(jié)的底部增加一個電感線圈,從等效電路角度來看,可以抵消天線的一部分容抗,因而改善天線的傳導(dǎo)電流分布,增加有效高度,提高天線的效率。

需要注意的是:電感線圈的電感量不能太大,否則會因其等效損耗電阻太大,反而使天線效率降低,或在某些頻率上,天線的輸入阻抗變?yōu)楦锌?使得電臺的調(diào)諧發(fā)生困難。

2.2.3 埋設(shè)地線和地網(wǎng)

鞭狀天線的損耗,除較小的導(dǎo)線損耗和絕緣損耗外,主要是地面損耗。地面損耗的大小決定于地面的導(dǎo)電性能。因此,針對固定臺站一般采用埋設(shè)地線或地網(wǎng),對移動臺站一般采用鋪設(shè)平衡網(wǎng)的方法。以減小地面損耗,改善短波天線等效地平面的導(dǎo)電性能[4]。

(1)地線和地網(wǎng)

用來做為地線的材料一般使用金屬板、金屬管或?qū)Ь€等金屬物體。為避免生銹,地線通常用銅線或鍍鋅導(dǎo)線。地線埋地深度一般為0.2～0.5 m,為了改善接地效果,可以選擇較為濕潤的地面或在埋設(shè)地線的區(qū)域灌注淡鹽水。

減小地面損耗的更好方法是在天線底部的地面下敷設(shè)地網(wǎng)。當(dāng)采用間隔密集型輻射狀地網(wǎng)時,總的接地電阻為:

式中,RE為電場損耗引入的電阻,RH為磁場損耗引入的電子。

單位面積電阻由公式(3)計算

式中,S=2πρ/N,N為地網(wǎng)導(dǎo)線的根數(shù),ρ為距天線基部的徑向距離,d為地網(wǎng)導(dǎo)線的直徑,δ為集膚深度,στ為導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率,σ為大地的電導(dǎo)率,f為工作頻率。

單位面積電阻RE可由由公式(4)計算

式中,σ為大地的電導(dǎo)率,ε為大地的介電常數(shù),h為地網(wǎng)的有效深度。

工程上地網(wǎng)通常由15根(或更多)輻射狀導(dǎo)線組成,導(dǎo)線直徑為2～3 mm,長度應(yīng)接近λ/2,至少應(yīng)不短于天線高度。在地網(wǎng)的中心用金屬管或幾根銅線絞合后做成集流環(huán),然后用粗銅線或絞合銅線引至機(jī)房。為改善接地效果,可將幾根長2 m以上的鍍鋅鋼管打入地下作為接地體,上端接到集流環(huán)上。所有連接處都必須接觸良好。

圖5 輻射地網(wǎng)示意Fig.5 Schematic diagram of radiation network

如圖5所示,給出了常用地網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖,其中:輻射狀地網(wǎng):R=60 m,n=60根,共用φ= 3.5 mm硬銅線3 600 m。因用于固定臺站數(shù)十米高的直立鞭狀天線,因此使用的輻射狀導(dǎo)線多達(dá)60根。用于尺寸較小的固定式鞭狀天線時,可適量減少輻射狀導(dǎo)線的數(shù)量。

(2)架設(shè)平衡網(wǎng)

對于不便于埋設(shè)地網(wǎng)的固定站(如:多巖石地區(qū)),可采用平衡網(wǎng)代替地網(wǎng)。所謂平衡網(wǎng)就是安置在天線和地之間的導(dǎo)體,它可由多根導(dǎo)線、金屬板或通信車的車體的外殼構(gòu)成。通常由4～8根導(dǎo)線組成的平衡網(wǎng),架高一般為0.5～1 m,導(dǎo)線長度為(0.15～0.2)λ,機(jī)動方便。平衡網(wǎng)有時也直接鋪設(shè)于地面上,平衡網(wǎng)的架設(shè)如圖6所示。

圖6 平衡網(wǎng)架設(shè)示意Fig.6 Schematic diagram of Balance net erection

對于需要“動中通”的短波通信車或加裝車載短波電臺的通信車,可以利用車體外殼代替平衡網(wǎng),或者在車頂敷設(shè)幾根輻射線做為平衡網(wǎng)。駐車通信時,還可將平衡網(wǎng)輻射線拉直引到車外地面上,以提高天線增益[5]。

3 結(jié) 語

運用文中論述的一些改進(jìn)方法,在一些具體項目中有效地改善了短波通信效能。通過實際對比測試,相對未采取優(yōu)化措施的條件下,有效地改善了短波通信質(zhì)量,較大地改善了收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)傳輸速率。在某應(yīng)急通信車項目中,通過采用安裝架設(shè)平臺來模擬地網(wǎng),也有效地提升了短波通信質(zhì)量。

按照文中論述的優(yōu)化理論,舉一反三可對其它常用的如雙極天線等短波天線進(jìn)行了類比分析和優(yōu)化,也在實際短波通信工程中取得了較好的優(yōu)化改善效果,值得推廣應(yīng)用。

[1] 曾玲,王小驥.基于短波的應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計[J].通信技術(shù),2012,45(12):27-29.

ZENG Ling,WANG Xiao-ji.Design on HF-based Emergency Communication System[J].Communications Technology,2012,45(12):27-29.

[2] 安合志,王蕾蕾,李萍,等.頂部加載單極天線的研究與仿真[J].電子科技,2012,25(10):55-57.

AN He-zhi,WANG Lei-lei,LI Ping,ZHANG Wen-hui, et al.Study and Simulation of the Top-loaded Monopole Antenna[J].Electronic Science and Technology,2012,25 (10):55-57.

[3] 蔡英儀,王坦.短波天線工程建設(shè)與維護(hù)[M].解放軍出版社2003:19-26.

CAI Ying-yi,WANG Tan.ShortwaveAntenna Engineering Construction and Maintenance[M].The People's Liberation Army Press,2003:19-26.

[4] 弓永明,蔡志遠(yuǎn),馬銀圣,等.一種短板鞭狀寬帶天線的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,(04):17-20.

GONG Yong-ming,CAI Zhi-yuan,MA Yin-sheng,et al. Design of Shortwave Whip-shaped Broadband Antenna [J].Modern Electronics Technique,2014,(04):17-20.

[5] 黃龍,譚孝虎,許琴,等.應(yīng)急通信車載HF鞭狀天線輻射特性分析[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2010,1(05): 38-42.

HUANG Long,TAN Xiao-hu,XU Qin,etal.Analysis of the Radiation Characteristics of the HF Whip Antenna on Emergency Communication Vehicles[J].Command Information System and Technology,2010,1(05):38-42.

GUAN Yao-wu(1973-),male,M.Sci., engineer,mainly engaged in communication and information system、RF technology.

吳其山(1979—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向為無線通信系統(tǒng)設(shè)計和電臺整機(jī)設(shè)計;

WU Qi-shan(1979-),male,B.Sci.,engineer,majoring in the design of wireless communication system and transmitterreceiver unit.

黃世勇(1983—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向為無線通信技術(shù)。

HUANG Shi-yong(1983-),male,B.sci.,engineer,mainly engaged in wireless communication technology.

A Method to Improve the Performance of HF Whip Antenna

GUAN Yao-wu,WU Qi-shan,HUANG Shi-yong
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

HF Antenna is an important part of HF communication system,its efficiency is directly related to the quality of HF communication.Only to strengthen the research and application of engineering and optimization of the HF antenna could give full play to the overall efficiency of HF communication.With the comprehensive analysis of whip antenna performance,this paper describes specific implementation of top load,radiation network and Balance net erection,etc.,from the perspective of improving the whip antenna radiation efficiency,thus to improve transmission performance of HF communications(voice,data)effectively.

HF communication;HF antenna;performance analysis;performance optimization

TP393

A

1002-0802(2014)08-0973-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.027

管耀武(1973—),男,碩士,工程師,主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)、射頻電路;

2014-06-20;

2014-07-20 Received date：2014-06-20;Revised date：2014-07-20