一種機動架設高增益短波天線設計

楊華,蘭明蛟,王星全

(總參謀部通信訓練基地，河北 張家口 075100)

0 引言

短波通信作為軍事通信的一種重要手段，是軍隊通信裝備體系中的一個重要組成部分，具有通信距離遠、抗毀性強、靈活性高、自主通信能力強、使用維護簡單、運行成本低等特點[1]，在戰時對保障各級指揮機關和作戰部隊的不間斷通信意義顯著。目前主要有：偶極子天線[2]、三線式[3]、鞭狀[4]、錐形[5]、環形[6]等結構形式的短波天線。

在機動架設條件下，目前短波通信多使用偶極子天線，這種天線存在以下缺點：①阻抗失配造成約60%的功率損失，因此天線增益低；②天線具有2個增益相同的仰角，在定向通信中，另一個仰角發射了無用功率，因此天線方向性不強，且易暴露發射機位置，易受干擾；③在高頻段和低頻段之間轉換時，需升降天線人工干預天線振子開路/短路，因此波段變換麻煩。

隨著短波通信新技術的發展，特別是擴頻技術在短波通信中的應用，研究和開發高增益、寬頻帶的短波天線已成為影響短波通信發展的重要因素[7]。

本文針對偶極子天線的缺點，提出了機動架設條件下高增益短波天線的設計方法，采用FEKO電磁仿真軟件對比分析新型天線的性能指標，仿真結果表明：所設計天線比偶極子天線具有更高的增益、更強的方向性和更小的駐波比，且能夠更好的克服短波通信盲區。

1 天線設計

1.1 設計思路

單偶極子天線L0在前后通信方向上沒有強弱之分，通過在有源振子L0的前面加引向器L1可提高天線的增益和方向性[8]，如圖1所示。

圖1 偶極子天線提高增益和方向性的方法Fig.1 Method of improving gain and directivity on dipole antenna

本文受單偶極子天線提高增益和方向性方法的啟示，將兩單元偶極子天線有源振子L0的2個頂端向L1的2個頂端方向彎曲并最后短路形成一個等腰三角形振子，三角形的底邊和2個腰構成的天線振子可互為引向器和反射器構成引向天線[9]形成合成場強，從而進一步提高天線的方向性和增益，如圖2所示。

圖2 機動架設高增益短波天線模型Fig.2 Model of mobile span and high gain short wave antenna

1.2 天線結構

天線由三大部分構成：天線振子、天線饋線和控制盒。天線結構框圖如圖3所示。

圖3 天線結構框圖Fig.3 Block diagram of antenna structure

通過合理選擇天線振子、饋線的尺寸可以使天線獲得較寬的帶寬和較好的方向性。

天線振子為等腰三角形，三角形底邊長度為38 m，高度為12 m，周長為83 m，天線振子結構示意圖如圖4所示。

圖4 天線振子結構示意圖Fig.4 Sketch of vibration generator structure

天線饋線采用平行線饋電，阻抗為600 Ω，導線直徑d=2 mm，根據特性阻抗的計算公式[10]：

(1)

計算得到兩平行傳輸線中心軸的距離S=150 mm，兩饋線間用絕緣體支撐，天線饋線結構示意圖如圖5所示。

圖5 天線饋線結構示意圖Fig.5 Sketch of transmission line structure

天線饋線和天線體相接的右側接環氧樹脂絕緣板，天線饋線左側邊接天線體的控制盒，控制盒有2個出線端子連接電臺車倉的天線饋線接線端子。

天線控制盒具有2個作用：一是完成天線調諧器和傳輸線饋線的單-雙端轉換匹配[11]；二是隔離射頻信號和控制信號。天線控制盒結構示意圖如圖6所示。

圖6 天線控制盒結構示意圖Fig.6 Sketch of control box structure

為了滿足天線振子電流分布產生最大場強的需求，三角形底邊中間被開路或短路以適應低頻率段和高頻率段要求，用屏蔽線的芯線控制磁保持繼電器通斷實現開路或短路改變天線振子的電流分布，射頻信號在集膚效應的作用下沿屏蔽線的外層傳輸，屏蔽線的芯線控制磁保持繼電器的通斷。磁保持繼電器只有工作轉換時加電，完成轉換后斷電，磁保持繼電器電路示意圖如圖7所示。

圖7 磁保持繼電器開路短路示意圖Fig.7 Sketch of magnetic latching relay

2 仿真與分析

利用FEKO電磁仿真軟件進行仿真實驗，在相同的條件下，對比新型天線和偶極子天線的增益、方向性、駐波比等指標，驗證新型天線的具有更好的性能。

仿真圖8～15中實線代表新型短波天線，38B,38K分別代表新型天線處于閉路和開路狀態，虛線代表40 m偶極子天線。2種天線的架設高度為10 m，地面參數為PEC，Theta=θ，仰角Δ=90°-θ，φ=180°為天線的發射方向。

2.1 天線增益

仿真驗證了2種短波天線在30°，45°仰角上的增益，仿真結果如圖8，9所示。

圖8 3～5MHz時30°和45°仰角增益對比Fig.8 30° and 45° elevation gain in 3～5 MHz

圖9 5～11MHz時30°和45°仰角增益對比Fig.9 30° and 45° elevation gain in 5～11 MHz

從仿真結果可以看出：新型天線的增益在5.5～11 MHz頻率之間明顯高于偶極子天線。

2.2 天線方向性

仿真驗證了天線在30°，45°仰角上的方向性，仿真結果如圖10，11所示。

圖10 3～5 MHz時30°和45°仰角方向性對比Fig.10 30° and 45° elevation directivity in 3～5 MHz

圖11 5～11 MHz時30°和45°仰角方向性對比Fig.11 30° and 45° elevation directivity in 5～11 MHz

從仿真結果可以看出：在頻率3～6.5 MHz范圍內新型天線與偶極子天線方向性相近，在頻率7～11 MHz范圍內新型天線的方向性明顯優于偶極子天線，說明新型天線具有良好的單仰角發射特性。

2.3 天線駐波比

天線駐波比越小，天線上損失的功率就越小，因此仿真驗證了天線的功率損失，仿真結果如圖12，13所示。

圖12 3～5 MHz發射100 W功率時損失對比Fig.12 Loss power of 100 W in 3～5 MHz

圖13 5～11 MHz發射100 W功率時損失對比Fig.13 Loss power of 100 W in 5～11 MHz

從仿真結果可以看出：新型天線比偶極子天線具有更小的駐波比，較小的損失功率可以更好地發揮小功率電臺的優勢，因此，新型天線具有更好的適應性，能夠提高短波通信的機動性，能夠適應更復雜地形環境要求。

2.4 通信盲區

短波通信中，通常在距發射點40～500 km的范圍內存在通信盲區的現象。為了克服通信盲區，保證40～500 km較近距離的短波通信要求，常使用較低的頻率及高射天線。高仰角輻射較強，可以使天波傳播距離減??；而工作頻率的降低又可使地波傳播的距離增大，這樣可以有效解決短波通信的盲區問題[12]。

仿真驗證了天線在高仰角上的增益和方向性，仿真結果如圖14，15所示。

圖14 3～5 MHz時45°和90°仰角增益對比Fig.14 45° and 90° elevation gain in 3～5 MHz

圖15 3～5 MHz時45°和90°仰角方向性對比Fig.15 45° and 90° elevation directivity in 3～5 MHz

從仿真結果可以看出：在45°～90°高仰角上，新型天線的增益明顯高于偶極子天線，新型天線比偶極子天線在該頻率段有弱方向性。因此，新型天線可以延長地波傳輸距離，并且天波傳輸時可以返回更多的信號能量，能夠更好的克服通信盲區。

3 架設方法對比

傳統40 m偶極子天線通常采用三桿架設，且三桿在一條直線上，兩端天線桿將天線振子拉直，中間桿防止饋線造成振子中部下垂，通信車在天線振子中部垂直方向位置。本文提出的新型天線也采用三桿架設方法，三桿呈等腰三角形，通信車位于三桿構成的等腰三角形重心位置，確定等腰三角形重心比偶極子天線稍麻煩。因此新型天線架設時比偶極子天線稍麻煩。

4 結束語

本文提出了一種機動架設高增益短波天線。天線采用了等腰三角形振子的天線結構。通過仿真結果可以看出：天線高頻段低仰角的增益和方向性都得到了增強且駐波比小，低頻段高仰角的增益得到了明顯改善，與偶極子天線相比在提高通信距離的同時還能夠更好的克服短波通信盲區。

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