小型化中波发射天线技术研究*

杨 斌

(海军驻北京地区通信军事代表室 北京 100841)

小型化中波发射天线技术研究*

杨 斌

(海军驻北京地区通信军事代表室 北京 100841)

受波长限制,中波发射天线结构较大,要求的发信功率也较大,成为制约中波通信发展的关键技术。论文通过小型化中波发射天线技术的研究,重点关注功率容量、辐射效率和频带宽度三个指标,提出了几种新的小型化中波发射天线设计方案。

中波发射天线; 小型化

ClassNumberTN82

1 引言

中波通信主要利用地波传播,信道较为稳定。其通信距离虽然有限,但正好可以弥补短波通信地波与天波传输的“静区”问题,主要用于水面舰艇近岸通信、无线电导航和无线电广播。

然而,受波长限制,传统的中波发射天线高度高、占地广,例如传统的桅杆式天线高度一般在60m～150m,占地70亩～150亩;改进后的自立式中波天线虽然减少了占地面积,但高度仍在120m左右[1]。中波发射天线的小型化设计已经成为制约中波通信发展的关键技术。

2 小型化中波发射天线设计原理

在天线理论中,一般将天线尺寸远小于工作波长的天线称为电小天线,这里讨论的小型化中波发射天线就属于电小天线的范畴[10]。

与常规尺寸的天线相比,电小天线最大的特点是天线周边的电磁场呈电抗性,也就是说电场与磁场之间的相位差接近90°,虚功率远大于实功率。从天线阻抗特性看,电小天线的输入电阻小于常规天线,而输入电抗大于常规天线。

为中波通信系统设计的电小天线,需要重点关注功率容量(P)、辐射效率(η)和频带宽度(B)三个指标,在方向性、通信仰角等方面可以适当作出牺牲。

2.1 功率容量

天线的功率容量(P)主要取决于天线导线的载流量和绝缘子的耐压能力[2],是电小天线设计中必须首要考虑的问题。

由于电小天线的输入电阻小于常规天线,而输入电抗大于常规天线,所以在发射机馈入天线的功率相同时,电小天线的输入电流和输入电压均远大于常规天线。输入电流大则要求天线导线具有较大的载流量,主要通过新型结构和材料,既要增大有效导电截面,又要控制天线的重量。输入电压高则要求天线绝缘子具有较高的耐压能力,主要通过多片串联等方式提高耐压等级。

2.2 辐射效率

天线辐射效率由以下公式定义[3]:

(1)

式中RA为天线辐射电阻,RL为天线损耗电阻。由于电小天线的辐射电阻很小,天线损耗电阻的影响较大,所以必须通过精心设计控制损耗电阻,并尽可能增大辐射电阻,提高辐射场,从而获得较好的辐射效率。

控制损耗电阻主要是降低导线电阻和接地电阻引起的电流损耗。因此,要对天线接地系统进行优化设计,尽可能减少损耗。

天线的辐射场取决于天线的电流矩,即输入电流(I)与有效高度(he)的乘积。小天线的高度远低于常规天线,因此必须想办法提高其输入电流,主要通过对天线与发射机的匹配回路进行优化设计来解决。

2.3 频带宽度

根据电小天线理论,有以下公式:

η·B∝S·he

(2)

式中S·he是天线的有效体积,其中S为天线顶负载的面积,he为天线的有效高度。

根据式(2),在天线有效体积一定时,提高辐射效率就必然要牺牲频带宽度。为了同时获得较高的辐射效率和较宽的频带宽度,就必须增加天线有效体积。在天线高度受限的情况下,可通过增加天线的面积来增加天线有效体积。

3 小型化中波发射天线设计方案

小型化中波发射天线一直是国内外研究的热点,河南省潢川中波台使用的锥面顶负载小天线,塔高33m、占地约1亩、地网半径7m,功率容量25kW,具体的辐射效率和频带宽度不明[1～4]。

根据前文所述设计原理,可以给出以下几种小型化中波发射天线设计方案。为满足特定使用需求,发射天线高度均限制在20m以下。

3.1 伞形天线方案

本方案伞形发射天线由桅杆和拉线组成。

如图1所示,该天线桅杆高度为18m,底部绝缘,塔体用作天线辐射体。顶层拉线用作天线帐,在二分之一桅杆高度处用绝缘子断开。其它各层拉线均需在靠近塔体处用绝缘子隔断。天线下方敷设辐射状地网,半径18m。

图1 伞形天线结构示意图

天线电气计算结果显示,在1MHz工作频率上,该天线基本参数如下:

· 有效高度:12.6m;

· 辐射电阻:3Ω;

· 静电容:484pF;

· 输入阻抗:6～170jΩ;

· 辐射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 输入电流:42.3A;

· 输入电压:7.2kV;

· 顶端电压:13.9kV;

· 频带宽度:17kHz。

本方案适用于可以架设20m左右天线桅杆、可以敷设较大地网的场合。

3.2 山谷Γ形天线方案

本方案借鉴甚低频山谷天线的设计思路,利用建筑物来支撑天线辐射体。

如图2所示,假设建筑物高度为18m,在建筑物和地面之间架设天线顶线组成一幅长30m、宽10m的天线帐,顶线两端通过绝缘子隔离。共架设30根顶线,分成三组、每组10根,每组向下引出一根下引线馈电。其中,中心组经调谐后接发射机;边缘组通过调谐电感接地。天线下方敷设地网,面积与天线顶负载相当。

图2 山谷Γ形天线结构示意图

天线电气计算结果显示,在1MHz工作频率上,该天线基本参数如下:

· 有效高度:6.4m;

· 辐射电阻:0.73Ω;

· 静电容:559pF(中间组),612pF(边缘组);

· 视在输入阻抗:15.8～229jΩ;

· 辐射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 输入电流:25.2A;

· 输入电压:5.8kV;

· 顶端电压:7.2kV;

· 频带宽度:16kHz。

本方案适用于无法架设较高的桅杆,但有高层建筑物可供利用的场合。

3.3 T形天线方案

本方案借鉴甚低频多调谐T形天线的设计思路,由天线桅杆支撑顶部天线帐。

如图3所示,四根天线桅杆高6m,天线帐长度为30m,宽度为15m,共架设22根顶线。天线帐向下引出四根下引线馈电。其中一根下引线经调谐后接发射机。其余三根下引线通过调谐电感接地。天线下方敷设地网,面积与顶负载相当。

图3 T形天线结构示意图

天线电气计算结果显示,在1MHz工作频率上,该天线基本参数如下:

· 有效高度:5.7m;

· 辐射电阻:2.2Ω;

· 静电容:1523pF;

· 视在输入阻抗:15.3～352jΩ;

· 辐射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 输入电流:25.5A;

· 输入电压:9kV;

· 顶端电压:11kV;

· 频带宽度:13kHz。

本方案桅杆高度较低,可架设在建筑物或其他平台顶部,天线帐形状也不局限于矩形,可根据平台顶部的实际情况开展针对性设计。

3.4 多天线并联方案

本方案借鉴船用中波天线的设计思路,由四根桅杆天线组成。

如图4所示,四根高18m、底部及拉线绝缘的桅杆天线,按边长为6m的正方形排列,通过馈线并联后进行馈电。地面敷设辐射状地网,半径25m。

图4 多天线并联方案示意图

天线电气计算结果显示,在1MHz工作频率上,该天线基本参数如下:

· 有效高度:9m;

· 辐射电阻:1Ω;

· 静电容:700pF;

· 输入阻抗:2～207jΩ;

· 辐射效率:50%;

· 功率容量:10kW;

· 输入电流:70A;

· 输入电压:15kV;

· 频带宽度:8kHz。

该方案单根天线结构简单,适于野外临时快速敷设。

4 结语

与常规中波天线相比,小型化中波天线既然获得了较小的尺寸,那么必须牺牲某些可以牺牲的性能,应该说是在得与失之间进行取舍。本文根据中波通信系统的要求,重点关注功率容量、辐射效率和频带宽度三个指标,提出了四种设计方案,均能满足中波通信系统的要求。

每种方案都有各自的特点和适用场合,设计人员可以根据具体应用选取合适的方案。

[1]卢光辉,羊胜利,郭炜.三种中波天线的性能分析和比较[J].广播电视信息,2012(10):97-99.

[2]李军辉,徐伟.中波发射天线可承受最大发射功率的计算与探讨[J].广播与电视技术,2011(8):141-144.

[3]曹金泉.中波发射天线辐射效率分析[J].中国传媒科技,2012(5):126-128.

[4]彭波华.浅谈中波发射天线的发展类型[J].无线互联科技,2012(5):42-44.

[5]邵羽,陈章友.一种宽带电小天线的研制[J].电子学报,2011(3):719-722.

[6]王博.浅谈锥面顶负荷中波小型发射天线的应用[J].广播电视信息,2013(1):78-80.

[7]王国福.浅析新型锥面套筒顶负荷中波小天线[J].西部广播电视,2013(Z2):84-86.

[8]陈立明.新型中波小天线系统原理[J].视听,2009(9):15-17.

[9]王海.小型化定向中波天线阵的设计[J].现代电子技术,2012(13):93-94.

[10]任朗.天线理论基础[M].北京:人民邮电出版社,1980.

[11]林昌禄.近代天线设计[M].北京:人民邮电出版社,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

杨斌,男,博士,高级工程师,研究方向:通信与电子技术。

TN82DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.018