移動式倒V扇錐天線設計

李金山

（中國電子科技集團公司第二十二研究所，河南新鄉 453003）

0 引言

倒V形扇錐天線是水平V形天線的一種變形，將水平V形對稱振子天線的兩臂改為扇錐面，并且架設于近地面，即成了倒V扇錐天線，這種天線能同時接收垂直極化波和水平極化波。倒V形扇錐天線具有工作帶寬較寬、增益高、結構簡單、移動性好、拆卸方便等特點。天線示意圖如圖1所示。

圖1 天線示意圖

1 天線設計

根據用戶需求，本文設計的短波倒V形扇錐天線主要考慮天線的功率容量和機動快速架設等特點，由于用戶要求的功率容量為5kW，同時還具備3人在不大于30min的時間內架設完成和在不大于20min內拆裝完畢，所以從以下幾個方面考慮設計。

1.1 天線結構形式

考慮到天線使用的環境條件、工作帶寬（短波波段）的要求，天線面左右對稱的兩部分由7根直徑為4的帶皮銅絞線組成；中心饋電處使用車載液壓升降桿升降，升降桿頂部裝有匹配網絡及阻抗變換器；升降桿最高8m（離地面最高10m），天線展寬48m。軟件仿真倒V扇錐天線示意圖如圖2所示，天線計算結果如圖3所示。

天線系統由天線面、支撐桿、配重、匹配電路及饋線等組成；考慮到天線的使用要求，天線面可采用軟銅線制作；天線支撐桿采用液壓升降桿的方式更便于收放。

1.2 饋線設計

為了使倒V扇錐天線適應機動化使用要求，天線匹配器采用放在地面、通過平行雙線傳輸線的方式給天線進行饋電，平行雙線間距D=0.04m，平行雙線使用Φ4mm的銅絞線，并且采用聚四氟乙烯板作為支撐。

1.3 天線阻抗性能

取大地εr=30，σ=0.001s/m，計算得到相對50Ω的天線駐波比（見圖 3）。

圖2 天線仿真示意圖

圖3 天線駐波比（300歸于50Ω阻抗變換）

天線阻抗變換器采用6∶1阻抗變換，阻抗變換器輸出為L36電纜座，輸入端采用兩端口平衡端螺紋連接。

1.4 天線功率容量計算

1.4.1 平行饋電線的耐壓與功率容量計算

利用聚四氟乙烯作絕緣支撐，平行饋電線間距為D=40mm，其特性阻抗為：

式中：D為雙導線中心間距，d為導線直徑Φ4mm，計算得到集合線（平行雙導線）的特性阻抗為：Z0=359Ω。平行雙導線的電壓波腹點最大電場強度為：

d為平行雙導線的直徑（cm），Z0為雙導線的特性阻抗，k為行波系數。將 Z0=359Ω，d=0.4cm，p=5kW，k=1（假定在完全匹配的情況下）代入上式得平行雙導線的電壓波腹點最大電場強度為：Emax=0.6kV/cm。可以看出，即使在潮濕空氣的工作環境中，平行雙導線的電壓波腹點最大電場強度遠小于潮濕空氣臨界場強值E0=1.2kV/cm，因此，平行雙導線的功率容量滿足設計指標要求。

1.4.2 天線面耐壓與功率容量計算

按等效傳輸線理論，天線振子是由對稱振子變形而成，對稱振子可看成特殊的傳輸線，振子表面的最大場強為：

式中，W為振子的特性阻抗，d為振子直徑，n為線數，va代表振子的等效電壓有效值，Ed為臨界場強的振幅，通常為6～8 kV/cm，這里取6 kV/cm。由以上公式計算可知，天線面采用7根Φ4銅絞線，跨度為48m時，完全可以滿足功率容量要求。

2 通用性設計

2.1 可靠性設計

天線系統由天線、液壓升降桿和匹配器等3大部分組成。其中天線面主要由結構件組成，結構件的可靠性隨時間耗損而降低，它受自身重量、雨、雪、冰、風、濕度以及鹽霧影響，隨疲勞、老化、磨損、腐蝕等因素而降低，它的使用可靠性和使用壽命在結構設計上考慮天線的使用環境，使用期限及天線結構部件材料等因素而詳細計算，并留有足夠的安全系數，采取有效的保護措施以及定期維修維護保證其可靠性；液壓升降桿由驅動部分電路及液壓升降桿結構件組成，液壓升降桿結構件采用和天線結構件相同的設計方案；驅動部分電路及天線匹配器由電子元器件、電路模塊及電路板等構成，采用電子元器件可靠性理論來預計和分配其可靠性指標，優選出適應于該天線使用環境及使用期限的電子元器件，形成最終的天線組成單元。

2.2 電磁兼容性設計

此項內容僅針對液壓升降桿控制部分進行。在整個設計中考慮屏蔽、隔離、接地，最大限度地斷開電磁干擾的傳輸路徑。元器件的位置和走線要合理布置，以盡量減少靜電耦合。采取電磁信號防護措施進行控制部分的防護設計，選購元器件、電纜電源線、電機部件時，選取滿足指標要求、輻射小、抗干擾能力強的部件，確保產品滿足GJB151A和用戶對電磁兼容性相關要求。

3 結論

通過上述仿真計算和實際測試，天線設計能滿足技術指標的要求；同時經過用戶長時間在復雜環境下的使用，天線系統的電性能指標基本不變，外觀結構保持良好。

［1］王元坤，李玉權.線天線的寬頻帶技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1995.

［2］魏文元，宮德明，等，天線原理［M］.北京：國防工業出版社，1985.

［3］周朝棟，王元坤，周良明.線天線理論與工程［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1988.

［4］林昌祿，聶在平.天線工程手冊［M］.北京：電子工業出版社，2002.

［5］郵電部北京設計院.電信工程設計技術手冊——天線和饋電線［M］.北京：人民郵電出版社，1985.