常用短波鞭天线性能优化工程技术研究*

2014-02-10管耀武吴其山黄世勇

通信技术 2014年8期

关键词：短波损耗导线

管耀武,吴其山,黄世勇

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

常用短波鞭天线性能优化工程技术研究*

管耀武,吴其山,黄世勇

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

短波天馈线系统是短波通信系统中的重要组成部分,天线的效率直接关系到短波通信的质量,在实际开展短波通信时,加强对短波天线的工程应用研究和优化改进,才能充分发挥短波通信的总体效能。通过对鞭状天线较为全面的性能分析,从提高鞭状天线辐射效率的角度出发,分别在加顶负载、加电感线圈、埋设地线或地网等几个方面给出性能优化的具体实现方法,切实有效地改善了短波通信(话音、数据)传输性能。

短波通信短波天线性能分析性能改进

0 引言

短波通信凭借其抗毁能力强、通信距离远、运行成本低等特点,在公共应急通信以及在军事通信保障中的发挥着重要的作用。短波天馈线系统是短波通信系统中的重要组成部分,是电磁能量转换的关键部件,天线的效率直接关系到短波通信的质量。在短波通信项目中必须重视短波天、馈线工程建设与优化,才能充分发挥短波通信的总体效能。

短波鞭天线广泛应用于军队、党政、公安武警及相关特种行业的常规和应急通信系统中。因此加强对短波鞭天线进行性能分析并给出相应的性能优化措施,具有非常重要的现实意义[1]。

文中通过对鞭状天线性能较为全面的分析,首先对在工程应用中如何正确选择和使用鞭天线提出建议,同时从提高鞭状天线辐射效率的角度出发,分别在加顶负载、加电感线圈、埋设地线或地网或架设平衡网几个方面给出优化的理论依据和具体工程实现方法。

1 常用短波鞭天线性能分析

鞭状天线是短波天线的基本形式,其形状似鞭,所以称为鞭状天线。以下对其典型性能进行分析:

1.1 短波鞭天线辐射特性

短波鞭天线辐射特性在水平面上为全向特性,电场在水平面上均应分布,如图1(a)所示。在垂直面上,各仰角上的电场强度并不相同,沿着地面方向的发射强度高,随着仰角的增加,发射强度逐渐减弱,如图1(b)所示。

图1 鞭状天线方向性示意Fig.1 Schematic diagram of the whip antenna direction

1.2 天线高度(长度)与方向性的关系

鞭状天线对于特定频率,随着天线高度的不同,其方向性有着较大的差别。如图2所示。

图2 鞭状天线高度与方向性关系示意Fig.2 Schematic diagram of the whip antenna height and direction of the relationship

1.3 天线的效率

鞭状天线的效率由下式求得:

式中,Pt为天线辐射至空间的功率,Ps为天线损耗功率,Rt为天线辐射电阻,Rs为天线损耗电阻。

鞭状天线的效率随h/λ增大而提高。短波鞭状天线的效率一般只有百分之几。图3给出了高度h=4.8 m的典型鞭状天线效率变化曲线。

图3 鞭状天线的效率与频率关系曲线Fig.3 Curves of the relationship between efficiency and frequency diagram of the whip antenna

2 短波鞭天线性能改进方案

2.1 天线高度选择及频率应用

如前短波鞭天线高度(长度)与方向性分析所述,在天线高度λ/4≤h≤5λ/8时,无线电波沿地面发射的效果最佳。当h/λ≤5/8时,沿着地面方向的电场强度随着增加而变大,当h=5λ/8时电场强度达到最大,但出现了副瓣。当h=3λ/4时,最大辐射方向已不在沿地面的方向上。因此,利用短波天线进行地波通信时,鞭状天线的高度必须小于5λ/8。为了避免高仰角引起的衰落现象,鞭状天线的最佳高度,应选高度h=0.53λ。

2.2 天线加改装措施

提高鞭状天线的效率,必须增大辐射电阻和减小损耗电阻,具体办法有:加顶负载[2]、加电感线圈、埋设地线或地网或架设平衡网[3]。

2.2.1 加顶负载

加顶负载就是在天线顶端增加小球、圆盘或辐射叶等负载器,加顶负载的鞭状天线如图4所示。

加顶负载使得天线的顶端辐射面积增大。相应地天线体与地之间的等效分布电容增大,容抗减小,顶端辐射电流增大,整个天线上的传导电流分布变得均匀,相当于增加了天线的有效高度,从而提高了鞭状天线的效率。

图4 加顶负载的鞭状天线示意Fig.4 Schematic diagram of whip antenna with top load

2.2.2 加电感线圈

加电感线圈就是在天线最上一节的底部增加一个电感线圈,从等效电路角度来看,可以抵消天线的一部分容抗,因而改善天线的传导电流分布,增加有效高度,提高天线的效率。

需要注意的是:电感线圈的电感量不能太大,否则会因其等效损耗电阻太大,反而使天线效率降低,或在某些频率上,天线的输入阻抗变为感抗,使得电台的调谐发生困难。

2.2.3 埋设地线和地网

鞭状天线的损耗,除较小的导线损耗和绝缘损耗外,主要是地面损耗。地面损耗的大小决定于地面的导电性能。因此,针对固定台站一般采用埋设地线或地网,对移动台站一般采用铺设平衡网的方法。以减小地面损耗,改善短波天线等效地平面的导电性能[4]。

(1)地线和地网

用来做为地线的材料一般使用金属板、金属管或导线等金属物体。为避免生锈,地线通常用铜线或镀锌导线。地线埋地深度一般为0.2～0.5 m,为了改善接地效果,可以选择较为湿润的地面或在埋设地线的区域灌注淡盐水。

减小地面损耗的更好方法是在天线底部的地面下敷设地网。当采用间隔密集型辐射状地网时,总的接地电阻为:

式中,RE为电场损耗引入的电阻,RH为磁场损耗引入的电子。

单位面积电阻由公式(3)计算

式中,S=2πρ/N,N为地网导线的根数,ρ为距天线基部的径向距离,d为地网导线的直径,δ为集肤深度,στ为导线材料的电导率,σ为大地的电导率,f为工作频率。

单位面积电阻RE可由由公式(4)计算

式中,σ为大地的电导率,ε为大地的介电常数,h为地网的有效深度。

工程上地网通常由15根(或更多)辐射状导线组成,导线直径为2～3 mm,长度应接近λ/2,至少应不短于天线高度。在地网的中心用金属管或几根铜线绞合后做成集流环,然后用粗铜线或绞合铜线引至机房。为改善接地效果,可将几根长2 m以上的镀锌钢管打入地下作为接地体,上端接到集流环上。所有连接处都必须接触良好。

图5 辐射地网示意Fig.5 Schematic diagram of radiation network

如图5所示,给出了常用地网结构示意图,其中:辐射状地网:R=60 m,n=60根,共用φ= 3.5 mm硬铜线3 600 m。因用于固定台站数十米高的直立鞭状天线,因此使用的辐射状导线多达60根。用于尺寸较小的固定式鞭状天线时,可适量减少辐射状导线的数量。

(2)架设平衡网

对于不便于埋设地网的固定站(如:多岩石地区),可采用平衡网代替地网。所谓平衡网就是安置在天线和地之间的导体,它可由多根导线、金属板或通信车的车体的外壳构成。通常由4～8根导线组成的平衡网,架高一般为0.5～1 m,导线长度为(0.15～0.2)λ,机动方便。平衡网有时也直接铺设于地面上,平衡网的架设如图6所示。

图6 平衡网架设示意Fig.6 Schematic diagram of Balance net erection

对于需要“动中通”的短波通信车或加装车载短波电台的通信车,可以利用车体外壳代替平衡网,或者在车顶敷设几根辐射线做为平衡网。驻车通信时,还可将平衡网辐射线拉直引到车外地面上,以提高天线增益[5]。

3 结语

运用文中论述的一些改进方法,在一些具体项目中有效地改善了短波通信效能。通过实际对比测试,相对未采取优化措施的条件下,有效地改善了短波通信质量,较大地改善了收发双方的数据传输速率。在某应急通信车项目中,通过采用安装架设平台来模拟地网,也有效地提升了短波通信质量。

按照文中论述的优化理论,举一反三可对其它常用的如双极天线等短波天线进行了类比分析和优化,也在实际短波通信工程中取得了较好的优化改善效果,值得推广应用。

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AN He-zhi,WANG Lei-lei,LI Ping,ZHANG Wen-hui, et al.Study and Simulation of the Top-loaded Monopole Antenna[J].Electronic Science and Technology,2012,25 (10):55-57.

[3] 蔡英仪,王坦.短波天线工程建设与维护[M].解放军出版社2003:19-26.

CAI Ying-yi,WANG Tan.ShortwaveAntenna Engineering Construction and Maintenance[M].The People's Liberation Army Press,2003:19-26.

[4] 弓永明,蔡志远,马银圣,等.一种短板鞭状宽带天线的设计[J].现代电子技术,2014,(04):17-20.

GONG Yong-ming,CAI Zhi-yuan,MA Yin-sheng,et al. Design of Shortwave Whip-shaped Broadband Antenna [J].Modern Electronics Technique,2014,(04):17-20.

[5] 黄龙,谭孝虎,许琴,等.应急通信车载HF鞭状天线辐射特性分析[J].指挥信息系统与技术,2010,1(05): 38-42.

HUANG Long,TAN Xiao-hu,XU Qin,etal.Analysis of the Radiation Characteristics of the HF Whip Antenna on Emergency Communication Vehicles[J].Command Information System and Technology,2010,1(05):38-42.

GUAN Yao-wu(1973-),male,M.Sci., engineer,mainly engaged in communication and information system、RF technology.

吴其山(1979—),男,学士,工程师,主要研究方向为无线通信系统设计和电台整机设计;

WU Qi-shan(1979-),male,B.Sci.,engineer,majoring in the design of wireless communication system and transmitterreceiver unit.

黄世勇(1983—),男,学士,工程师,主要研究方向为无线通信技术。

HUANG Shi-yong(1983-),male,B.sci.,engineer,mainly engaged in wireless communication technology.

A Method to Improve the Performance of HF Whip Antenna

GUAN Yao-wu,WU Qi-shan,HUANG Shi-yong
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

HF Antenna is an important part of HF communication system,its efficiency is directly related to the quality of HF communication.Only to strengthen the research and application of engineering and optimization of the HF antenna could give full play to the overall efficiency of HF communication.With the comprehensive analysis of whip antenna performance,this paper describes specific implementation of top load,radiation network and Balance net erection,etc.,from the perspective of improving the whip antenna radiation efficiency,thus to improve transmission performance of HF communications(voice,data)effectively.

HF communication;HF antenna;performance analysis;performance optimization

TP393

1002-0802(2014)08-0973-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.027