小型化中波發射天線技術研究*

楊 斌

(海軍駐北京地區通信軍事代表室 北京 100841)

小型化中波發射天線技術研究*

楊 斌

(海軍駐北京地區通信軍事代表室 北京 100841)

受波長限制,中波發射天線結構較大,要求的發信功率也較大,成為制約中波通信發展的關鍵技術。論文通過小型化中波發射天線技術的研究,重點關注功率容量、輻射效率和頻帶寬度三個指標,提出了幾種新的小型化中波發射天線設計方案。

中波發射天線; 小型化

ClassNumberTN82

1 引言

中波通信主要利用地波傳播,信道較為穩定。其通信距離雖然有限,但正好可以彌補短波通信地波與天波傳輸的“靜區”問題,主要用于水面艦艇近岸通信、無線電導航和無線電廣播。

然而,受波長限制,傳統的中波發射天線高度高、占地廣,例如傳統的桅桿式天線高度一般在60m～150m,占地70畝～150畝;改進后的自立式中波天線雖然減少了占地面積,但高度仍在120m左右[1]。中波發射天線的小型化設計已經成為制約中波通信發展的關鍵技術。

2 小型化中波發射天線設計原理

在天線理論中,一般將天線尺寸遠小于工作波長的天線稱為電小天線,這里討論的小型化中波發射天線就屬于電小天線的范疇[10]。

與常規尺寸的天線相比,電小天線最大的特點是天線周邊的電磁場呈電抗性,也就是說電場與磁場之間的相位差接近90°,虛功率遠大于實功率。從天線阻抗特性看,電小天線的輸入電阻小于常規天線,而輸入電抗大于常規天線。

為中波通信系統設計的電小天線,需要重點關注功率容量(P)、輻射效率(η)和頻帶寬度(B)三個指標,在方向性、通信仰角等方面可以適當作出犧牲。

2.1 功率容量

天線的功率容量(P)主要取決于天線導線的載流量和絕緣子的耐壓能力[2],是電小天線設計中必須首要考慮的問題。

由于電小天線的輸入電阻小于常規天線,而輸入電抗大于常規天線,所以在發射機饋入天線的功率相同時,電小天線的輸入電流和輸入電壓均遠大于常規天線。輸入電流大則要求天線導線具有較大的載流量,主要通過新型結構和材料,既要增大有效導電截面,又要控制天線的重量。輸入電壓高則要求天線絕緣子具有較高的耐壓能力,主要通過多片串聯等方式提高耐壓等級。

2.2 輻射效率

天線輻射效率由以下公式定義[3]:

(1)

式中RA為天線輻射電阻,RL為天線損耗電阻。由于電小天線的輻射電阻很小,天線損耗電阻的影響較大,所以必須通過精心設計控制損耗電阻,并盡可能增大輻射電阻,提高輻射場,從而獲得較好的輻射效率。

控制損耗電阻主要是降低導線電阻和接地電阻引起的電流損耗。因此,要對天線接地系統進行優化設計,盡可能減少損耗。

天線的輻射場取決于天線的電流矩,即輸入電流(I)與有效高度(he)的乘積。小天線的高度遠低于常規天線,因此必須想辦法提高其輸入電流,主要通過對天線與發射機的匹配回路進行優化設計來解決。

2.3 頻帶寬度

根據電小天線理論,有以下公式:

η·B∝S·he

(2)

式中S·he是天線的有效體積,其中S為天線頂負載的面積,he為天線的有效高度。

根據式(2),在天線有效體積一定時,提高輻射效率就必然要犧牲頻帶寬度。為了同時獲得較高的輻射效率和較寬的頻帶寬度,就必須增加天線有效體積。在天線高度受限的情況下,可通過增加天線的面積來增加天線有效體積。

3 小型化中波發射天線設計方案

小型化中波發射天線一直是國內外研究的熱點,河南省潢川中波臺使用的錐面頂負載小天線,塔高33m、占地約1畝、地網半徑7m,功率容量25kW,具體的輻射效率和頻帶寬度不明[1～4]。

根據前文所述設計原理,可以給出以下幾種小型化中波發射天線設計方案。為滿足特定使用需求,發射天線高度均限制在20m以下。

3.1 傘形天線方案

本方案傘形發射天線由桅桿和拉線組成。

如圖1所示,該天線桅桿高度為18m,底部絕緣,塔體用作天線輻射體。頂層拉線用作天線帳,在二分之一桅桿高度處用絕緣子斷開。其它各層拉線均需在靠近塔體處用絕緣子隔斷。天線下方敷設輻射狀地網,半徑18m。

圖1 傘形天線結構示意圖

天線電氣計算結果顯示,在1MHz工作頻率上,該天線基本參數如下:

· 有效高度:12.6m;

· 輻射電阻:3Ω;

· 靜電容:484pF;

· 輸入阻抗:6～170jΩ;

· 輻射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 輸入電流:42.3A;

· 輸入電壓:7.2kV;

· 頂端電壓:13.9kV;

· 頻帶寬度:17kHz。

本方案適用于可以架設20m左右天線桅桿、可以敷設較大地網的場合。

3.2 山谷Γ形天線方案

本方案借鑒甚低頻山谷天線的設計思路,利用建筑物來支撐天線輻射體。

如圖2所示,假設建筑物高度為18m,在建筑物和地面之間架設天線頂線組成一幅長30m、寬10m的天線帳,頂線兩端通過絕緣子隔離。共架設30根頂線,分成三組、每組10根,每組向下引出一根下引線饋電。其中,中心組經調諧后接發射機;邊緣組通過調諧電感接地。天線下方敷設地網,面積與天線頂負載相當。

圖2 山谷Γ形天線結構示意圖

天線電氣計算結果顯示,在1MHz工作頻率上,該天線基本參數如下:

· 有效高度:6.4m;

· 輻射電阻:0.73Ω;

· 靜電容:559pF(中間組),612pF(邊緣組);

· 視在輸入阻抗:15.8～229jΩ;

· 輻射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 輸入電流:25.2A;

· 輸入電壓:5.8kV;

· 頂端電壓:7.2kV;

· 頻帶寬度:16kHz。

本方案適用于無法架設較高的桅桿,但有高層建筑物可供利用的場合。

3.3 T形天線方案

本方案借鑒甚低頻多調諧T形天線的設計思路,由天線桅桿支撐頂部天線帳。

如圖3所示,四根天線桅桿高6m,天線帳長度為30m,寬度為15m,共架設22根頂線。天線帳向下引出四根下引線饋電。其中一根下引線經調諧后接發射機。其余三根下引線通過調諧電感接地。天線下方敷設地網,面積與頂負載相當。

圖3 T形天線結構示意圖

天線電氣計算結果顯示,在1MHz工作頻率上,該天線基本參數如下:

· 有效高度:5.7m;

· 輻射電阻:2.2Ω;

· 靜電容:1523pF;

· 視在輸入阻抗:15.3～352jΩ;

· 輻射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 輸入電流:25.5A;

· 輸入電壓:9kV;

· 頂端電壓:11kV;

· 頻帶寬度:13kHz。

本方案桅桿高度較低,可架設在建筑物或其他平臺頂部,天線帳形狀也不局限于矩形,可根據平臺頂部的實際情況開展針對性設計。

3.4 多天線并聯方案

本方案借鑒船用中波天線的設計思路,由四根桅桿天線組成。

如圖4所示,四根高18m、底部及拉線絕緣的桅桿天線,按邊長為6m的正方形排列,通過饋線并聯后進行饋電。地面敷設輻射狀地網,半徑25m。

圖4 多天線并聯方案示意圖

天線電氣計算結果顯示,在1MHz工作頻率上,該天線基本參數如下:

· 有效高度:9m;

· 輻射電阻:1Ω;

· 靜電容:700pF;

· 輸入阻抗:2～207jΩ;

· 輻射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 輸入電流:70A;

· 輸入電壓:15kV;

· 頻帶寬度:8kHz。

該方案單根天線結構簡單,適于野外臨時快速敷設。

4 結語

與常規中波天線相比,小型化中波天線既然獲得了較小的尺寸,那么必須犧牲某些可以犧牲的性能,應該說是在得與失之間進行取舍。本文根據中波通信系統的要求,重點關注功率容量、輻射效率和頻帶寬度三個指標,提出了四種設計方案,均能滿足中波通信系統的要求。

每種方案都有各自的特點和適用場合,設計人員可以根據具體應用選取合適的方案。

[1]盧光輝,羊勝利,郭煒.三種中波天線的性能分析和比較[J].廣播電視信息,2012(10):97-99.

[2]李軍輝,徐偉.中波發射天線可承受最大發射功率的計算與探討[J].廣播與電視技術,2011(8):141-144.

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[5]邵羽,陳章友.一種寬帶電小天線的研制[J].電子學報,2011(3):719-722.

[6]王博.淺談錐面頂負荷中波小型發射天線的應用[J].廣播電視信息,2013(1):78-80.

[7]王國福.淺析新型錐面套筒頂負荷中波小天線[J].西部廣播電視,2013(Z2):84-86.

[8]陳立明.新型中波小天線系統原理[J].視聽,2009(9):15-17.

[9]王海.小型化定向中波天線陣的設計[J].現代電子技術,2012(13):93-94.

[10]任朗.天線理論基礎[M].北京:人民郵電出版社,1980.

[11]林昌祿.近代天線設計[M].北京:人民郵電出版社,1980.

StudyonMinimizedMediumWaveTransmittingAntenna

YANG Bin

(Marine Military Communication Representative Office in Beijing, Beijing 100841)

Medium wave transmitting antenna has large structure owing to its wavelength limit, and requires large transmitting power, which becomes key difficult hindering the development of medium wave communication. Three indices including power capacity, radiation efficiency, and spectrum width are focused, several improved design schemes are proposed through the analysis of minimized medium wave transmitting antenna.

medium wave transmitting antenna, minimized

2013年10月3日,

:2013年11月19日

楊斌,男,博士,高級工程師,研究方向:通信與電子技術。

TN82DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.018