一種旋轉對數周期天線設計

何如龍

摘 ? 要：對數周期天線是能夠用一副天線工作于整個短波波段并保持優良性能的寬帶天線形式，主要用于中遠距離通信，本文提出了一種短波旋轉對數周期天線的設計方法，針對其關鍵設計點提出了獨特見解。之后經過樣機試架試驗，測試了所設計天線的關鍵電氣指標，與理論結果進行比較，并結合天線結構設計實際進行調整修正。調整后天線性能優異。本文指出了此類天線的設計關鍵，對該種緊湊型帶桁架天線工程具有參考意義。

關鍵詞：旋轉 ?對數周期天線 ?短波 ?桁架

中圖分類號：TN821 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0041-02

對數周期天線是能夠用一副天線工作于整個短波波段并保持優良性能的寬帶天線形式，主要用于中遠距離通信[1]。由于它結構簡單，頻帶寬，增益高，得到廣泛應用[2]。傳統的對數周期天線安裝好后只能對一個方向進行通信，旋轉對數周期天線是在天線幕的下面安裝轉動伺服系統，工作時可以根據需要調整天線轉到最佳通信方向。由于旋轉的特殊需求，旋轉對數周期天線在電氣設計中有其獨特特點。

1 ?引言

考慮結構及抗風要求，旋轉對數周期天線結構尺寸必須嚴格控制，否則對于整個天線體的轉動支撐結構帶來很大的負荷，甚至不能實現。而如果天線尺寸過小，那么天線的增益和阻抗將很難達到設計要求。因此合理的選擇天線參數將變得至關重要。

為了大幅度縮小對數周期天線的縱向長度，必須合理地分配τ與σ參數。當τ與σ分配不合適時，天線的非頻變性會遭到破壞，即使在振子全尺寸情況下都不能滿足要求。高性能的小型化對數周期天線設計思路是：首先設計出合適的 與 參數，將天線的縱向尺寸縮小至實際需要的空間，此時振子在全尺寸情況工作，必須滿足電性能要求;其次，進行天線的橫向尺寸縮小，將振子尺寸縮小至實際需要的空間內，一般可采用V型振子、門形振子、S形振子等縮短橫向尺寸。

2 ?旋轉對數周期天線的電氣仿真

本文旋轉對數周期天線采用燕尾型對數周期天線形式[3]，所有振子基本呈“V”型結構，天線結構緊湊，通常比相同工作頻率的對數周期偶極子天線橫向寬度要小很多，以便于天線整體結構轉動。旋轉對數周期天線電氣工作原理與一般對數周期偶極子天線的工作原理相同，即存在傳輸區、輻射區、非諧振區。

一般燕尾型對數周期天線的結構示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看到，燕尾型對數周期天線中每個振子與集合線夾角均不相同，一般為了縮短橫向長度，最長振子與集合的夾角最小，其余后面逐漸變大。為了保證天線電氣性能的非頻變特性，振子與集合線的夾角也必須按照比例因子逐漸變化，這個比例關系構成了燕尾型對數周期天線各個振子自相似的核心。振子長度與振子間距的比例同一般對數周期偶極子天線相同，天線通過各個振子的自相似結構構成非頻變特性。

整個天線由鐵塔、天線桁架、天線面、阻抗變換器、加載網絡構成。

本天線設計工作頻率范圍為4～30MHz，天線面由17對振子、一對集合線、兩對邊索組成，占地約28m×28m。振子與集合線構成不同的夾角向短振子方向傾斜，構成燕尾型對數周期天線。振子以對數周期基本原理長度構成。長振子對應低頻工作區域，短振子對應高頻工作區域。

本天線為實現天線重心、支撐絎架、支撐塔投影重合，要求振子和集合線夾角盡可能小。

經過電氣計算及結構初步反饋，天線的駐波比以及典型頻率方向圖如圖2所示。

3 ?天線結構形式

天線結構如圖1所示，天線面主要包括振子和尾線、邊吊索、短路線、集合線、跳線等;天線主桁架包括中心主桁架、中心立塔、前端支撐組件和主桁架支撐組件組成;側翼包括側翼底座、絕緣管、拉線箍等組成。除下支撐外，其余支撐梁主要材質為玻璃鋼管，下支撐由金屬組裝而成;拉線包括主桁架、側翼的上、下拉線和主桁架、側翼間拉線，上、下拉線由鋼絲繩制作而成，主桁架、側翼間拉線由非金屬繩制作而成。

集合線通過絕緣板安裝在桁架內部，為上、下雙線結構。短路線連接在集合線另一端，結構形式與集合線一樣，為上下結構，固定在主桁架下方。

天線高頻端由V型架支撐，V型架由V型接頭、接頭、玻璃鋼管和平衡拉線組成，V型架結構示意圖見圖3。其中水平拉線長約3.6m，其上均勻布置三個絕緣子將拉線分成約0.9m間隔的四段。

V型接頭和接頭均由φ80mm×5mm鋼管和鋼板焊接而成，鋼管上加工螺栓固定孔，固定玻璃鋼管。

4 ?天線試驗

天線在生產完成后進行試架，并對其進行了駐波比測試，測試結果如圖4所示。

在中低頻段，天線駐波比均小于2，基本符合理論仿真結果。但在25MHz以后，天線駐波比明顯異常。經分析其原因可能有以下幾點[4]。

（1）最短振子過長，天線可用頻段不足以覆蓋到30MHz;

（2）高頻振子及其跳線受桁架負面影響;

（3）天線受其他耦合影響;

經逐項排查，最終發現天線桁架前端V型架上的水平拉線對天線影響較大。V型架V型接頭、接頭、水平拉線部分均為金屬件。其中水平拉線按0.9m間隔布置高頻絕緣子，但該水平拉線距離高頻振子距離僅2m左右，考慮到天線最短振子長度為1.46m，0.9m長的絕緣子間隔仍然會產生嚴重影響其仍然對天線高頻造成嚴重影響。

經再次建模、試驗，將該拉線替換為非金屬繩，該影響隨之消除。但考慮到工程防腐以及天線壽命的原因，該拉線采用金屬繩仍然有重要意義。但采用金屬拉繩時，應保持單段金屬繩長度小于天線最短振子半臂長的1/2計算表明當拉線長度約為振子半臂長的1/2時基本對天線駐波特性不構成影響，如圖5所示。

5 ?結語

在旋轉對數周期天線這種結構緊湊的天線設計中，天線性能極易受到天線面附近桁架、拉線、支撐件以及索具等其他因素干擾。在天線設計時對天線面尤其是高頻端所有金屬結構件均需要特別關注，對于較大金屬件影響應通過電磁仿真軟件建模計算避免，并通過試驗驗證。

參考文獻

[1] （美）波賽爾（Poisel.R.A）著.天線系統及其在電子戰系統中的應用[M].胡來招等，譯.北京：國防工業出版社，2014.

[2] 陳水清，李運洲，孫英閣.15kW大功率固定對數周期天線改造設計[J].艦船電子工程，2016，36（5）：172-174.

[3] 李東虎，任曉飛，李虎.一種小型化短波對數周期天線設計[J].電波科學學報，2014，29（4）：711-714.

[4] 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.