15kW大功率固定對數周期天線改造設計*

陳水清　李運洲　孫英閣

(92665部隊　常德　266107)

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15kW大功率固定對數周期天線改造設計*

陳水清李運洲孫英閣

(92665部隊常德266107)

摘要論文主要對一種15kW大功率轉動對數周期天線的改造設計進行了介紹，并利用FEKO電磁仿真軟件對天線駐波比進行了仿真計算，計算結果表明全頻段駐波比小于2，滿足使用要求，最后根據設計進行了天線的改造架設，并對實物進行了測試，測試結果和計算結果基本吻合，天線改造成功。

關鍵詞大功率; 對數周期天線; 改造

Class NumberTN821.6

1引言

對數周期天線是一種結構簡單、性能良好的寬頻帶天線[1～2]。其結構示意圖如圖1所示。

圖1　對數周期偶極天線示意圖

圖1中天線尺寸有式(1)關系，Ln為第n個振子的全長，τ稱為比例因子。

(1)

實際中常用間隔因子σ來表示相鄰振子間的距離，它被定義為相鄰振子間的距離與2倍較長振子的長度之比[3～4]，即

(2)

對數周期天線的結構完全由τ和σ決定，當τ和σ一定時，天線的結構就確定了。

圖2　天線面現狀

對數周期天線由于其寬頻帶、高增益等優點，被廣泛應用在通信、廣播、導航等領域[5～6]。如果天線服務年限較長，超出設計使用年限，饋線嚴重銹蝕，振子線斷開(如圖2)，將無法保障可靠的通信。在經費不足，天線支撐鐵塔尚可使用的情況下，可以通過改造天線振子、集合線、絕緣材料、吊索、饋線等部件實現資源的再利用，節約經濟成本，同時改善了老化天線的性能，提高其保障通信的可靠性。

2天線的改造設計

針對對數周期天線老化銹蝕的狀態，結合當前的前沿技術和經濟節約精神，改造方案選擇繼續沿用原有支撐鐵塔，即天線占地面積不變，只對天線面和饋線進行改造設計。

2.1天線振子的改造設計

對數周期天線天線振子的特性阻抗計算公式為

(3)

式中，h為振子長度，a為振子半徑。

振子的最大功率容量決定于最大容許場強Ed，最大容許功率的計算公式為

(4)

式中，W為天線振子的特性阻抗，d為振子直徑，n為線數，Ed為臨界場強的振幅，通常為6kV/cm～8kV/cm，這里取6kV/cm。

天線要求可以承受15kW的發射功率，根據式(3)和式(4)，選取φ7的鋼芯鋁絞線來作為天線振子，可以計算得出天線最小承受功率為142kW，滿足使用要求。

選用鋼芯鋁絞線代替原來籠形振子，從結構上考慮整體天線面顯得簡潔，成形美觀。

2.2集合線的改造設計

設計天線的阻抗為300Ω左右，則選用的集合線阻抗設計值應該在400Ω左右，故選用雙線傳輸線代替原有四線傳輸線，不僅在阻值上可以滿足要求，結構上也比較簡單方便。

雙線傳輸線的阻抗計算公式為[7]

(5)

式中，D為雙線的間距，d為雙線的線徑。

最后選用雙導線線徑9.6mm，間距200mm，計算可得阻抗為447Ω，允許的最大傳輸功率為128kW，滿足使用要求。

2.3絕緣材料的改造設計

固定用大功率發射天線一般采用陶瓷絕緣棒做絕緣，其優點是承受拉力大，耐高壓[8]。在對數周期天線中主要用于集合線雙線間的支撐和振子和邊吊索的連接。陶瓷絕緣子的長度選擇則要根據振子上的最大電壓來選擇，保證空氣不被電離引起放電打火等現象影響系統使用。

雙線集合線的最大電壓計算公式為[9]

(6)

式中，p為最大功率，W為集合線的特性阻抗，k為行波系數。

天線振子末端的電壓峰值計算公式為

(7)

式中，P為最大功率，R∑為輻射電阻，W為天線振子特性阻抗。

潮濕空氣的擊穿電壓為1.2kV/cm，集合線間距為20cm.計算可以得出空氣的擊穿電壓為24kV，根據式(6)、式(7)，可以得出集合線最大電壓為U=3.661kV，遠遠小于24kV，說明不會把空氣擊穿引起空氣電離。

振子末端峰值電壓U=5.4kV，在振子末端和邊吊索之間的絕緣支撐需要大于4.5cm才能不引起空氣電離。在實際使用中，經過結構耐力方面的考慮以及廠家的型號設計考慮，末端選用10cm的陶瓷絕緣子。

2.4天線邊吊索、前后端索的改造設計

天線邊吊索、前后端索全部采用不銹鋼絲繩。從結構上考慮完全可以滿足使用要求。

2.5饋線的改造設計

天線阻抗為300Ω，在天線端口加裝300/50的阻抗變換器，從阻抗變換器到機房采用HHTAY-50-70同軸電纜，替代原有的六線和四線明饋線。

采用同軸電纜便于走線，并且方便與現在采用的發射機連接。

3天線的改造設計結果

圖3　天線駐波比計算圖

根據前面的改造設計分析，確定了天線的電氣尺寸，并利用feko電磁仿真軟件對天線進行建模[10]，對天線電氣性能進行仿真計算。計算得到天線駐波比結果如圖3。

從圖3可以看到，天線駐波比在全頻段小于2，和原天線性能相當，可以和發射機匹配，滿足使用要求。

4天線的工程化實施結果

從理論設計結果來看，天線性能滿足要求。根據設計結果在實地進行了改造安裝架設，安裝后的天線見圖4。

圖4　天線實物圖

并對天線駐波比進行了測試，測試結果見圖5。

圖5　天線實測駐波比

從圖4可以看出，改造后的天線成形簡潔美觀，從圖5可以看出，改造后的天線駐波比全頻段小于2，和理論計算結果基本一致，可以滿足使用要求。

5結語

本文主要介紹了一種15kW固定對數周期天線的改造設計，主要在利用原有天線鐵塔的基礎上對天線面進行改造，考慮大功率要求，對天線面以及選用的絕緣器件進行了耐功率計算，利用feko電磁仿真軟件對天線進行了仿真計算，最后進行了天線實地架設測試，通過測試，天線全頻段駐波比小于2，滿足使用要求，證明此次改造成功。

參 考 文 獻

[1] 后驥,魏福顯.寬頻帶小型對數周期天線的設計[J].現代電子技術，2012(7):86-88.

[2] 楊國英,趙福玲.對數周期偶極子天線陣的互耦分析[J]. 現代電子技術,2013(11):85-88.

[3] 高偉,石丹,高攸綱,等.對數周期天線的設計改進[J].環境技術,2014(S1):202-204.

[4] 王浩,王志臣,邢鋒.方環對數周期天線的設計與特性分析[J].信息工程大學學報,2008(3):301-303.

[5] 林昌祿，聶在平.天線工程手冊[M].北京:電子工業出版社，2002:33-38.

[6] 吳世龍，尹成友.實現短波天線陣列亟需解決的問題[J].艦船電子工程，2003(3):53-56.

[7] 王紅旭.高速數字電路設計技術的應用研究[D].西安:西安電子科技大學，2006.

[8] 周朝棟,王元坤,楊恩耀.天線與電波[M].西安:西安電子科技大學出版社,1999:75-79.

[9] 李林楠.寬頻帶雙極化對數周期天線的設計與實現[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2012.

[10] 閻照文，蘇東林，袁曉梅.FEKO5.4電磁場分析技術與實例詳解[M].北京:水利水電出版社，2009:15-27.

Design of 15 kW High-power Fixed Log Periodic Antenna

CHEN ShuiqingLI YunzhouSUN Yingge

(No. 92665 Troops of PLA, Changde266107)

AbstractA 15kw’s high-power rotation of log periodic antenna design is introduced in this paper. Antenna standing wave ratio is simulated by electromagnetic software FEKO, and the results show that all frequencies standing wave ratio are less than 2, meeting the requirement. Antenna is finally set up and tested according to the design, and its result is consistent with the calculation. These prove antenna reform is successful.

Key Wordshigh-power, log periodic antenna, design

* 收稿日期：2015年11月18日,修回日期：2015年12月26日

作者簡介：陳水清，男，工程師，研究方向：天線理論與設計。李運洲，男，工程師，研究方向：天線理論。孫英閣，男，工程師，研究方向：電磁兼容。

中圖分類號TN821.6

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.044