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        一種旋轉(zhuǎn)對數(shù)周期天線設(shè)計(jì)

        2019-02-06 04:03:55何如龍
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2019年26期
        關(guān)鍵詞:旋轉(zhuǎn)短波桁架

        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(gè)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(jì)方法,針對其關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)提出了獨(dú)特見解。之后經(jīng)過樣機(jī)試架試驗(yàn),測試了所設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)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(jì)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(gè)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(gè)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(shí)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(jì)中有其獨(dú)特特點(diǎn)。

        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(gè)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(shí)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(jì)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(shí),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(jì)思路是:首先設(shè)計(jì)出合適的 與 參數(shù),將天線的縱向尺寸縮小至實(shí)際需要的空間,此時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)比例關(guān)系構(gòu)成了燕尾型對數(shù)周期天線各個(gè)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(gè)振子的自相似結(jié)構(gòu)構(gòu)成非頻變特性。

        整個(gè)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(jì)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(shí)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(jì)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(gè)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(yàn)

        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(diǎn)[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(xiàng)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(yàn),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(shí),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(jì)算表明當(dāng)拉線長度約為振子半臂長的1/2時(shí)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(jì)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(jì)時(shí)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(jì)算避免,并通過試驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)洲,孫英閣.15kW大功率固定對數(shù)周期天線改造設(shè)計(jì)[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(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),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.

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