陳水清 張 峰 陳 斌

（1.92665部隊(duì) 張家界 427200）（2.中國(guó)電波傳播研究所青島分所 青島 266107）（3.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

風(fēng)載荷對(duì)垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)電氣性能影響分析＊

陳水清1張 峰2陳 斌3

（1.92665部隊(duì) 張家界 427200）（2.中國(guó)電波傳播研究所青島分所 青島 266107）（3.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

基于矩量法，分析了軟結(jié)構(gòu)垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)在風(fēng)載荷作用下的性能。并結(jié)合工程實(shí)際對(duì)該種軟結(jié)構(gòu)天線(xiàn)在風(fēng)載荷下的阻抗特性、方向特性進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。論文的結(jié)果對(duì)相控陣天線(xiàn)、測(cè)向天線(xiàn)等對(duì)穩(wěn)定性、一致性等要求較高的天線(xiàn)陣列選型、設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

矩量法；垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)；風(fēng)載荷

Class NumberTN82

1 引言

垂直極化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)［1～4］是一種經(jīng)典寬頻帶天線(xiàn)。該種天線(xiàn)以寬頻帶，高增益等突出優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于偵收、通信等領(lǐng)域。近年來(lái)也常將該種天線(xiàn)組陣應(yīng)用于測(cè)向、相控陣等領(lǐng)域［5］。

在短波段的垂直極化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)工程［6～7］中，經(jīng)常使用不銹鋼絲繩、鋁絞線(xiàn)、軟銅線(xiàn)等軟結(jié)構(gòu)材料來(lái)制作振子以及輔助線(xiàn)。這種軟結(jié)構(gòu)天線(xiàn)相對(duì)于硬結(jié)構(gòu)天線(xiàn)而言在風(fēng)載荷下有較大的位移偏移。該位移可能對(duì)天線(xiàn)及系統(tǒng)性能造成不確定的影響。

本文基于矩量法［8～10］對(duì)風(fēng)載荷作用下軟結(jié)構(gòu)垂直極化對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)的阻抗特性、方向特性進(jìn)行定量分析計(jì)算，并與無(wú)風(fēng)狀態(tài)的天線(xiàn)性能進(jìn)行對(duì)比，從而確定風(fēng)載荷對(duì)天線(xiàn)性能影響程度。

2 計(jì)算方法

本文將軟結(jié)構(gòu)垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)振子視為線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算振子形變結(jié)果，采用矩量法對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行聯(lián)合求解。

矩量法以線(xiàn)性空間理論為基礎(chǔ)，通過(guò)把未知函數(shù)展開(kāi)成線(xiàn)性無(wú)關(guān)基函數(shù)的級(jí)數(shù)表達(dá)式并與適當(dāng)選擇的權(quán)函數(shù)求內(nèi)積的方法，把積分方程轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性代數(shù)方程組，通過(guò)求矩陣元素和矩陣求逆方法最后得出未知函數(shù)解。

3 風(fēng)載荷下天線(xiàn)模型建立

軟結(jié)構(gòu)垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)主要由前后桅桿、拉線(xiàn)、振子組件、吊索組成，天線(xiàn)整體示意圖如圖1所示。在圖1中除天線(xiàn)振子是所需要的天線(xiàn)輻射體以外，其它均為天線(xiàn)結(jié)構(gòu)成形支撐部件。

圖1 垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)示意圖

選定天線(xiàn)電氣參數(shù)為首振子半臂長(zhǎng)8m，τ＝0.9，σ＝0.075，振子個(gè)數(shù)為8個(gè)。天線(xiàn)工作頻率9MHz～16MHz。

建立天線(xiàn)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)計(jì)算模型

經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，天線(xiàn)各振子掛點(diǎn)掛高如表1所示。

表1 振子掛高表

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，可以得到該天線(xiàn)在12級(jí)風(fēng)作用下振子掛點(diǎn)位移值如表2所示［11］。

圖3 振子等效示意圖

為了建模方便，本文將振子在風(fēng)載荷作用下的弧形變形簡(jiǎn)化為等腰三角形變形。如圖3所示。

直線(xiàn)OJ為原始狀態(tài)下的單個(gè)天線(xiàn)振子，弧線(xiàn)OM為風(fēng)載荷下變形的天線(xiàn)振子，直線(xiàn)MN及ON為本文所取風(fēng)載荷作用下近似振子。

經(jīng)過(guò)上述簡(jiǎn)化，可建立風(fēng)載荷下的軟結(jié)構(gòu)垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)近似模型進(jìn)行計(jì)算。

表2 振子掛點(diǎn)偏移表

4 風(fēng)載荷下阻抗特性計(jì)算

模型建立后，采用MOM方法分別計(jì)算無(wú)風(fēng)狀態(tài)以及風(fēng)載荷狀態(tài)下天線(xiàn)的阻抗、駐波比特性如下：

圖4 阻抗實(shí)部對(duì)比圖

圖5 阻抗虛部對(duì)比圖

圖6 駐波比對(duì)比圖

從以上圖3～圖5可以看出，在有風(fēng)和無(wú)風(fēng)時(shí)天線(xiàn)阻抗特性?xún)H有微小變化，反映在駐波比上僅有小于0.05的變化，基本不會(huì)對(duì)天線(xiàn)工作狀態(tài)造成影響。

5 風(fēng)載荷下方向特性計(jì)算

為更全面的分析風(fēng)載荷對(duì)天線(xiàn)的影響，本文在對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)輻射方向遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)虛擬一平面波照射對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，平面波來(lái)波方向取我們通常關(guān)心的天線(xiàn)垂直面方向圖方向。記錄對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)上感應(yīng)的電壓幅度、相位值。

計(jì)算頻率分別設(shè)定為9MHz、12MHz、16MHz。計(jì)算結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 9MHz垂直面幅度方向圖

圖8 12MHz垂直面幅度方向圖

圖9 16MHz垂直面幅度方向圖

圖10 9MHz垂直面相位方向圖

圖11 12MHz垂直面相位方向圖

圖12 16MHz垂直面相位方向圖

從圖7～圖12可以看出在風(fēng)載荷作用下天線(xiàn)幅度響應(yīng)有一定變化，但并不顯著。天線(xiàn)相位響應(yīng)有較大變化，在低頻段最大變化量約10°。

在通常短波相控陣天線(xiàn)工程中，一般功率分配器、定向耦合器、移相網(wǎng)絡(luò)等單一部件相位一致性可以控制在1°～3°左右。顯然風(fēng)載荷造成的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這些設(shè)備的影響，成為不可忽視的重要影響因素。

本文計(jì)算的天線(xiàn)起始頻率為9MHz，最長(zhǎng)振子掛高僅為10m。可以預(yù)見(jiàn)在3MHz開(kāi)始的規(guī)模更大的偶極子對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)中，天線(xiàn)振子更長(zhǎng)，風(fēng)載荷造成的位移偏移很可能會(huì)更大，因此其相位影響也很可能更大。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)軟結(jié)構(gòu)垂直對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)進(jìn)行分析，對(duì)風(fēng)載荷作用下的天線(xiàn)性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，針對(duì)所設(shè)定模型給出了定量數(shù)據(jù)結(jié)果。結(jié)果表明在12級(jí)風(fēng)載荷下天線(xiàn)阻抗特性以及幅度方向圖基本沒(méi)有太大影響。但是對(duì)于相位響應(yīng)則有約0°～10°影響。對(duì)比工程中其他設(shè)備相位一致性精度，認(rèn)為風(fēng)載荷對(duì)于測(cè)向陣、相控陣等對(duì)幅度相位響應(yīng)一致性、穩(wěn)定性要求較高的天線(xiàn)陣列性能具有重大影響，在天線(xiàn)工程中應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行影響評(píng)估并采取針對(duì)性解決措施。

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Influence of Wind Load on the Electrical Performance of the Vertical LogPeriodic Antenna

CHEN Shuiqing1ZHANG Feng2CHEN Bin3
（1.No.92665Army of PLA，Zhangjiajie 427200）（2.China Research Institute of Radiowave Propagation Qingdao Branch，Qingdao 266107）（3.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

Based on the method of moments，the performance of the vertical log periodic antenna under wind load is analyzed.A detailed calculation of the antenna's impedance characteristics and directional characteristics under wind load is carried on.The data drawn from the calculation is of reference in the array and design of high stability and consistency modes of antenna，such as phased－array antennas and direction－finding antennas.

method of moments，vertical log－periodic antenna，wind load

TN82DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.020

2015年5月8日，

2015年6月27日

陳水清，男，工程師，研究方向：短波通信。張峰，男，碩士，工程師，研究方向：天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。陳斌，男，碩士，副教授，研究方向：無(wú)線(xiàn)通信。