風載荷對垂直對數周期天線電氣性能影響分析＊

陳水清 張 峰 陳 斌

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

風載荷對垂直對數周期天線電氣性能影響分析＊

陳水清1張 峰2陳 斌3

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

基于矩量法，分析了軟結構垂直對數周期天線在風載荷作用下的性能。并結合工程實際對該種軟結構天線在風載荷下的阻抗特性、方向特性進行了詳細計算。論文的結果對相控陣天線、測向天線等對穩定性、一致性等要求較高的天線陣列選型、設計具有一定的參考意義。

矩量法；垂直對數周期天線；風載荷

Class NumberTN82

1 引言

垂直極化對數周期天線［1～4］是一種經典寬頻帶天線。該種天線以寬頻帶，高增益等突出優點而廣泛應用于偵收、通信等領域。近年來也常將該種天線組陣應用于測向、相控陣等領域［5］。

在短波段的垂直極化對數周期天線工程［6～7］中，經常使用不銹鋼絲繩、鋁絞線、軟銅線等軟結構材料來制作振子以及輔助線。這種軟結構天線相對于硬結構天線而言在風載荷下有較大的位移偏移。該位移可能對天線及系統性能造成不確定的影響。

本文基于矩量法［8～10］對風載荷作用下軟結構垂直極化對數周期天線的阻抗特性、方向特性進行定量分析計算，并與無風狀態的天線性能進行對比，從而確定風載荷對天線性能影響程度。

2 計算方法

本文將軟結構垂直對數周期天線振子視為線性結構，利用結構力學計算振子形變結果，采用矩量法對天線進行聯合求解。

矩量法以線性空間理論為基礎，通過把未知函數展開成線性無關基函數的級數表達式并與適當選擇的權函數求內積的方法，把積分方程轉換成線性代數方程組，通過求矩陣元素和矩陣求逆方法最后得出未知函數解。

3 風載荷下天線模型建立

軟結構垂直對數周期天線主要由前后桅桿、拉線、振子組件、吊索組成，天線整體示意圖如圖1所示。在圖1中除天線振子是所需要的天線輻射體以外，其它均為天線結構成形支撐部件。

圖1 垂直對數周期天線示意圖

選定天線電氣參數為首振子半臂長8m，τ＝0.9，σ＝0.075，振子個數為8個。天線工作頻率9MHz～16MHz。

建立天線計算模型如圖2所示。

圖2 垂直對數周期天線計算模型

經結構力學計算，天線各振子掛點掛高如表1所示。

表1 振子掛高表

根據文獻［11］，可以得到該天線在12級風作用下振子掛點位移值如表2所示［11］。

圖3 振子等效示意圖

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

直線OJ為原始狀態下的單個天線振子，弧線OM為風載荷下變形的天線振子，直線MN及ON為本文所取風載荷作用下近似振子。

經過上述簡化，可建立風載荷下的軟結構垂直對數周期天線近似模型進行計算。

表2 振子掛點偏移表

4 風載荷下阻抗特性計算

模型建立后，采用MOM方法分別計算無風狀態以及風載荷狀態下天線的阻抗、駐波比特性如下：

圖4 阻抗實部對比圖

圖5 阻抗虛部對比圖

圖6 駐波比對比圖

從以上圖3～圖5可以看出，在有風和無風時天線阻抗特性僅有微小變化，反映在駐波比上僅有小于0.05的變化，基本不會對天線工作狀態造成影響。

5 風載荷下方向特性計算

為更全面的分析風載荷對天線的影響，本文在對數周期天線輻射方向遠場區虛擬一平面波照射對數周期天線，平面波來波方向取我們通常關心的天線垂直面方向圖方向。記錄對數周期天線上感應的電壓幅度、相位值。

計算頻率分別設定為9MHz、12MHz、16MHz。計算結果如圖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可以看出在風載荷作用下天線幅度響應有一定變化，但并不顯著。天線相位響應有較大變化，在低頻段最大變化量約10°。

在通常短波相控陣天線工程中，一般功率分配器、定向耦合器、移相網絡等單一部件相位一致性可以控制在1°～3°左右。顯然風載荷造成的影響將遠遠超過這些設備的影響，成為不可忽視的重要影響因素。

本文計算的天線起始頻率為9MHz，最長振子掛高僅為10m?？梢灶A見在3MHz開始的規模更大的偶極子對數周期天線中，天線振子更長，風載荷造成的位移偏移很可能會更大，因此其相位影響也很可能更大。

6 結語

本文通過對軟結構垂直對數周期天線進行分析，對風載荷作用下的天線性能進行數值計算，針對所設定模型給出了定量數據結果。結果表明在12級風載荷下天線阻抗特性以及幅度方向圖基本沒有太大影響。但是對于相位響應則有約0°～10°影響。對比工程中其他設備相位一致性精度，認為風載荷對于測向陣、相控陣等對幅度相位響應一致性、穩定性要求較高的天線陣列性能具有重大影響，在天線工程中應根據需要進行影響評估并采取針對性解決措施。

［1］廖飛，龍成友，熊俊卿.近地垂直對數周期天線的性能分析［J］.現代雷達，2008，7：91－94.

［2］何健，張洪順，雷斌.一種基于雙極化的改進型對數周期偶極天線［J］.中國無線電，2009，6：32－34.

［3］董曉娟，武織才，蘇曉莉.軟對數周期天線的結構設計［J］.無線電工程，2010，2：43－45.

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［6］胡志忠.海岸電臺常用的短波天線［J］.科技創新導報，2013，10：12－13.

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［8］R.F.Harlington.計算電磁場的矩量法［M］.北京：國防工業出版社，1981.

［9］陳偉尚，劉斌.基于矩量法的天線近場分析［J］.艦船電子工程，2008，11：186－188.

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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：天線結構設計。陳斌，男，碩士，副教授，研究方向：無線通信。