關(guān)于短波寬帶全向天線的深入研究與應(yīng)用過(guò)程詳解

0 引言

國(guó)家授時(shí)中心BPM短波授時(shí)系統(tǒng)每天24 h連續(xù)不斷地以4種頻率（2．5 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz）發(fā)播我國(guó)地方協(xié)調(diào)時(shí)UTC1和世界時(shí)UTC（NTSC）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，信號(hào)覆蓋半徑3 000 km，用戶(hù)時(shí)間同步精度為毫秒量級(jí)。使用的天線有水平角籠天線和寬帶天線。寬帶天線采用線柵型扇錐結(jié)構(gòu)的5～15 MHz短波全向天線。為了確保BPM短波授時(shí)系統(tǒng)不間斷地發(fā)播并達(dá)到滿意授時(shí)效果的要求，除發(fā)射設(shè)備必須滿足電波發(fā)射質(zhì)量和高可靠性的要求外，關(guān)鍵的技術(shù)因素就是天線了。對(duì)寬帶天線的深入研究和應(yīng)用，同發(fā)射設(shè)備保持良好的匹配是很有意義的工作。

1 天線形式特點(diǎn)

5～15 MHz短波寬帶全向天線采用線柵型扇錐結(jié)構(gòu)，是一種典型的寬帶天線。該天線的結(jié)構(gòu)形式，幾何尺寸如圖1所示。

在短波波段，以比較小的尺寸實(shí)現(xiàn)寬帶化較為理想的天線形式就是扇錐結(jié)構(gòu)天線。扇錐天線在結(jié)構(gòu)形式上屬于偶極對(duì)稱(chēng)水平天線，理論上具有任意寬的頻帶。

實(shí)際應(yīng)用中的扇錐天線高頻受制于激勵(lì)區(qū)的幾何尺寸，低頻受制于錐體長(zhǎng)度。天線的特性阻抗z0為：

zin=zo=120lncot（θ／4） （1）

式中θ為錐頂角。該天線使用特性阻抗為300 θ平衡饋線饋電，天線的特性阻抗為300 Ω，對(duì)應(yīng)的錐頂角θ=18．77°，對(duì)應(yīng)的扇面角為58°。

在工程應(yīng)用中均采用水平架設(shè)，一般不能制成錐籠形式而是以錐體展開(kāi)成扇錐的形狀，仍然可以保持特性阻抗不改變。通過(guò)合理地選擇扇錐的扇面角、錐頂角、導(dǎo)線的數(shù)量、線徑和線距、激勵(lì)區(qū)尺寸就可獲得需要的帶寬。

5～15 MHz短波寬帶全向天線的每個(gè)水平面由11根直徑為φ4銅包鋼導(dǎo)線組成，通過(guò)φ4銅線組成特性阻抗為300 Ω的平衡饋線饋電，饋線通過(guò)300 Ω／50 Ω寬帶平衡／不平衡轉(zhuǎn)換器，再由特性阻抗為50 Ω高頻電纜進(jìn)入機(jī)房由天線交換開(kāi)關(guān)連接到發(fā)射設(shè)備。

由于這種寬帶天線振子導(dǎo)線數(shù)目多，同水平角籠天線相比較能承受更高的功率。饋線在傳輸電話時(shí)的最大允許功率（單位：kW）為：

式中：d為導(dǎo)線直徑（單位：mm）；w為饋線特性阻抗；n為每邊平行導(dǎo)線數(shù)目；s為饋線上的駐波比。算出P=30～50 kW，取安全系數(shù)為3，即可承受10～17 kW的功率。

2 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

BPM短波授時(shí)5～15 MHz寬帶全向天線為中饋形式。由于該天線架設(shè)時(shí)受天線場(chǎng)地地形的限制，天線的實(shí)際尺寸同比原設(shè)計(jì)尺寸有所縮減，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

天線投入使用后，10 MHz，15 MHz頻段可以滿足與發(fā)射設(shè)備的配合，5 MHz頻段不能滿足與發(fā)射設(shè)備的匹配，對(duì)天線作了1／4波長(zhǎng)短截線匹配后，初步可以供發(fā)射設(shè)備應(yīng)急使用。在阻抗轉(zhuǎn)換器不平衡端測(cè)量天線輸入阻抗值、駐波比見(jiàn)表2。

眾所周知，雙錐天線的阻抗決定于錐頂角，頻率范圍決定于振子線長(zhǎng)度。表1中實(shí)際安裝數(shù)據(jù)的變更，使該天線在低頻段的駐波比難以達(dá)到滿意授時(shí)效果的要求。為了滿足電波發(fā)射質(zhì)量和高可靠性的要求，亟待對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析尋找解決問(wèn)題的有效途徑。

對(duì)于有限長(zhǎng)雙錐天線已有文獻(xiàn)和書(shū)籍進(jìn)行了詳細(xì)的研究，由于扇錐結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的推導(dǎo)過(guò)于復(fù)雜，此處運(yùn)用矩量法來(lái)計(jì)算。在矩量法計(jì)算中，基函數(shù)的選取對(duì)于計(jì)算的速度及精度都有很大的影響，線柵型扇錐天線導(dǎo)線數(shù)量多，采用階梯函數(shù)為基函數(shù)收斂速度慢，為收到較快的收斂效果，該計(jì)算采用了正弦插值基。采用正弦插值基時(shí)，第Nj電流可以用下式表示：

Ij（N）=Aj+Bjsink（n-nj）+Cjcosk（n-nj），|n-nj《△j／2

式中：△j是第J段的長(zhǎng)度，nj是該段中點(diǎn)的坐標(biāo)；Aj，Bj，，Cj為三個(gè)未知系數(shù)。線柵型扇錐結(jié)構(gòu)天線采用圓柱狀導(dǎo)線，正弦插值基可以較好地逼近實(shí)際天線電流，因而具有較快的收斂速度。

對(duì)采用線柵型扇錐結(jié)構(gòu)的天線的不同導(dǎo)線數(shù)量、饋電端間距、扇錐張角下天線電壓駐波比和增益進(jìn)行仿真計(jì)算，數(shù)值計(jì)算表明：

（1）圖2顯示的是雙錐天線當(dāng)饋電端間距為某一固定值的條件下，在導(dǎo)線數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，兩者性能相近。圖中選用9，15，21根導(dǎo)線，計(jì)算曲線表示當(dāng)導(dǎo)線數(shù)量大于9根以上（其中包括11根導(dǎo)線值）天線的增益基本相近。

（2）圖3顯示饋電端間距，即饋電處有限縫隙的選取對(duì)天線性能的影響，當(dāng)饋電間距為0．4 m時(shí)，駐波比明顯高，但饋電端間距為0．6 m，0．8 m時(shí)電壓駐波比偏低一些，相對(duì)而言間距選0．8 m駐波比更低。

（3）圖4說(shuō)明天線扇面角的變化將會(huì)改變天線的阻抗特性，以至于對(duì)天線輸入阻抗及天線駐波比產(chǎn)生影響。

計(jì)算曲線說(shuō)明對(duì)于有限長(zhǎng)度的雙錐天線在一定的頻率范圍內(nèi)，不論在9～21根線之間怎樣選擇導(dǎo)線根數(shù)、中心饋電間距（0．4～0．8 m）和錐頂角（50°～90°），當(dāng)工作頻率低于9 MHz頻率時(shí)，天線的駐波比VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）都是小于2，同時(shí)天線增益下降，追究其原因是天線熱損耗增加所致。理論上論述為對(duì)于有限長(zhǎng)度的雙錐天線，當(dāng)恰好包圍該天線的半徑為h的虛構(gòu)的球面體內(nèi)，TEM波和錐體末端產(chǎn)生的高次模同時(shí)存在，這些高次模主要產(chǎn)生天線的電抗。錐末端引起反射而建立的駐波比導(dǎo)致復(fù)數(shù)的輸入阻抗。據(jù)此由傳輸線概念給出雙錐天線的輸入阻抗zi：

式中：r為錐體長(zhǎng)度；β=2π／λ（λ為波長(zhǎng)）；zin=zo=120ln cot（θ／4），zm=Rm+jxm同天線工作狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)。對(duì)于不同的工作頻率，天線的輸入阻抗、駐波比、增益也不同。通過(guò)修改天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和與此有關(guān)的天線場(chǎng)地等，成為改善天線電氣指標(biāo)的一個(gè)有效途徑。

3 實(shí)際天線調(diào)整

BPM短波授時(shí)5～15 MHz寬帶全向天線的每個(gè)振子由11根導(dǎo)線組成，中心饋電間距小于等于0．4m，天線特性阻抗是300 Ω，錐頂角為18．77°，對(duì)應(yīng)的扇面角為58°，圖4中對(duì)應(yīng)于5 MHz時(shí)VSWR≤1．7。符合圖3中當(dāng)饋電間距為0．4 m時(shí)VSWR≤2，當(dāng)工作頻率為10 MHz，15 MHz時(shí)天線駐波比VSWR≤1．5。

面對(duì)的問(wèn)題是，在給定天線結(jié)構(gòu)尺寸和工作頻段的條件下，如何使饋線上的電壓駐波比VSWR不大于某一計(jì)算值，且滿足發(fā)射設(shè)備匹配的要求。

按照計(jì)算仿真分析確定解決問(wèn)題的基本思想為：根據(jù)地面上水平對(duì)稱(chēng)振子坐標(biāo)原理整理完善天線場(chǎng)地地面，整理饋線和下引線饋籠，確保其對(duì)地對(duì)稱(chēng)放置，使其兩饋籠φa，φb相同，滿足zag=zbg。線柵扇錐結(jié)構(gòu)的短波寬帶全向天線是一個(gè)天線幾何結(jié)構(gòu)中對(duì)角度的依賴(lài)大于對(duì)長(zhǎng)度依賴(lài)的典型應(yīng)用。根據(jù)式（1），式（3）中θ的分析和改變其值的測(cè)試，逐漸增大θ并使其接近原設(shè)計(jì)值，可在預(yù)設(shè)的寬帶內(nèi)使輸入阻抗的電抗部分保持在較小，同時(shí)輸入阻抗的實(shí)部變得對(duì)頻率的改變不那么敏感。對(duì)5～15 MHz短波寬帶全向天線進(jìn)行了試驗(yàn)調(diào)整，使錐頂角滿足θ=18．77°和對(duì)應(yīng)的扇面角≤60°的目標(biāo)，達(dá)到了降低低頻端駐波比的目的。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E5062A測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。Agilent E5062A測(cè)量了天線輸入阻抗按圖5連線。

實(shí)測(cè)天線輸入阻抗和駐波比如圖6所示。調(diào)整后的參數(shù)見(jiàn)表3。

經(jīng)過(guò)調(diào)整后的短波寬帶天線的低頻端的輸入阻抗、電壓駐波比同未調(diào)整的狀態(tài)（見(jiàn)表2）相比較有了明顯的提高，優(yōu)于圖2～圖4所示的仿真計(jì)算結(jié)果，可以滿足發(fā)射設(shè)備工作匹配的要求。由于天線增益和天線方向圖測(cè)試復(fù)雜，并受測(cè)試條件和時(shí)間的限制未能測(cè)量，是本次調(diào)整試驗(yàn)工作的一個(gè)不足。該天線架設(shè)在非完純導(dǎo)電地平面上，如果能夠通過(guò)對(duì)地平面的構(gòu)建，預(yù)期天線指標(biāo)還會(huì)有所改善。

4 結(jié)語(yǔ)

雙錐結(jié)構(gòu)的短波寬帶全向天線是一種性能較好的寬頻帶天線，在中、近距離的短波通信、廣播等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文所列方法可有效地改善天線性能指標(biāo)，提升了系統(tǒng)工作的可靠性。同時(shí)也體會(huì)到應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)據(jù)計(jì)算方法，為使天線工程技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向精細(xì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了一個(gè)途徑。