短波车载三环天线性能仿真分析

李引凡，孙月光，李长勇，卜　鑫

(1．重庆通信学院信息工程系， 重庆　沙坪坝　400035； 2．国防信息学院信息系统系， 湖北　武汉 430010；3．沈阳军区通信团， 辽宁　沈阳　110141)



短波车载三环天线性能仿真分析

李引凡1，孙月光2，李长勇1，卜鑫3

(1．重庆通信学院信息工程系， 重庆沙坪坝400035； 2．国防信息学院信息系统系， 湖北武汉 430010；3．沈阳军区通信团， 辽宁沈阳110141)

[摘要]在介绍短波车载三环天线组成和结构的基础上，对短波车载三环天线和短波车载4 m鞭状天线的输入阻抗、调谐匹配、方向图、最大辐射仰角和最大增益等参数指标进行了对比仿真分析后，对三环天线的性能和通信能力进行了论述.

[关键词]短波通信；三环天线；输入阻抗；辐射仰角；近垂直入射天波

短波车载三环天线是部队装备最早、应用最广泛的短波车载天线之一，主要用于短波通信车移动状态下的短波通信.

1车载三环天线结构

车载三环天线顶部由3个平面环组成[1]，如图1所示.常见尺寸有：长3.9 m、宽1.3 m、环层厚10 cm；长3.2 m、宽1.8 m、环层厚10 cm.天线安装于一升降机上，距车顶90 cm(升起天线时)或30 cm(降下天线时)，在电台工作时，应将三环天线升起，否则天线的增益会降低，影响通信效果.天线体由直径2.5 cm的铝管构成，馈线由车尾顶部延伸上来接于离一端30 cm的边管上.天线边管中间有一个使环开路或短路的套筒，该装置一般处于闭环状态，当天线调谐器不调谐时，可以将开/闭环套筒拉开或闭合，改变天线输入阻抗，有时可改善与天线调谐器的调谐匹配.

车载三环天线主要用于1.5～30 MHz的短波通信，特性阻抗50 Ω，功率容量小于1 kW，最大通信距离约为1 000 km.该天线是对传统垂直车载鞭状天线的改进，相当于鞭状天线接一个由3个水平环组成的顶负载，三环到天线调谐器间的连线相当于鞭状天线的垂直部分.文献[1]指出，采用这种水平三环结构与传统的4 m垂直鞭状天线相比可以带来几个好处：

(1)三环天线降低了天线的高度，提高了车辆的通过能力和机动性；

(2)三环天线的电长度大于4 m鞭状天线，改善了天线低频端的阻抗特性，有利于天线调谐器的调谐匹配；

(3)三环天线水平放置在车顶，提高了近垂直方向的辐射性能，有利于克服短波通信中的“静区”效应.

图1　车载三环天线结构图

2天线性能指标仿真分析

在基于矩量法的天线分析工具MMANA-GAL软件中对三环天线进行建模[2]，车顶离地高度2.5 m，地面电导率为10 ms/m、介电常数15.

2.1　输入阻抗与工作频段

通过仿真可画出三环天线和4 m鞭状天线在1.5～30 MHz内的输入阻抗变化曲线，如图2所示.

(a) 输入电阻

(b) 输入电抗图2　天线输入阻抗

从图中可以看到，鞭状天线的输入阻抗变化平稳，全频段内仅有一个谐振点，位于18 MHz附近；三环天线的输入阻抗则具有更大的动态范围和更多的谐振点，在12 MHz、18 MHz和24 MHz附近的谐振点输入阻抗分量达到了103～104Ω数量级.在12 MHz以下的低频段，与鞭状天线相比，三环天线的电抗分量有所改善，但电阻分量却更为恶化.

图3给出了SG-230型天线调谐器[3]对三环天线808个频点以及4 m鞭状天线570个频点的匹配结果，其中令Rg=50 Ω且电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)值取全局最优解.

图3　SG-230天调匹配结果

从图中可以看到，在频段低端，由于天线具有极小的输入电阻分量和极大的输入容抗分量，其阻抗分布已超出了SG-230天线调谐器的匹配范围，因此具有极大的VSWR值.随着频率的上升，VSWR值逐渐下降，若以VSWR = 2(图3中的虚线)为适配标准且令满足该门限值的最小频点为适配频段下限，则三环天线和4 m鞭状天线的适配频段分别约为f>5 MHz和f>3.45 MHz，显然4 m鞭状天线在频段低端的匹配性能表现更佳.当然其适配频段中仍存在若干不调谐点，如三环天线在5～7 MHz、10 MHz附近等，但其所占比例在可以接受的范围以内.当f>7 MHz时，总体的匹配情况比较理想，且两种天线的匹配性能差异不大.

对比图2，从图3中还可以看到，在电阻分量具有极大值的谐振频段，天线调谐器对三环天线的匹配与其他频段并无明显差异，说明较大的输入电阻分量并不直接导致调谐困难，相反，较小的输入电阻分量更容易导致调谐失败(文献[4]中对此有所论证).虽然配接不同的天线调谐器可以使工作频段有不同的表现，但在低频段，由于输入电阻分量太低，即便调谐，天线也未必能发挥良好的性能.

2.2　天线方向图

仿真给出了三环天线和4 m鞭状天线在1.5～30 MHz内等间隔的5个频点的H面(XOY水平面)和E面(XOZ垂直面)方向图，如图4所示.从图中可以看到，两种天线的H面方向性并不明显，基本呈现全向性，尤其在频段1.5～30 MHz的高段和低段.在频段中段，两种天线的H面方向性略微有所偏移，如图4中的B线.E面内，两种天线的最大辐射仰角和最大增益总体上随着频率的上升而增大，三环天线的最大辐射仰角接近90°，鞭状天线的最大辐射仰角小于80°，最大增益分别为6.1 dBi和3.5 dBi.

(a) 三环天线

(b) 4 m鞭状天线A: 9 MHz　B: 16 MHz　C: 23 MHz图4　天线方向图

2.3　最大辐射仰角

仿真给出了三环天线和4 m鞭状天线在1.5～30 MHz内的最大辐射仰角变化曲线，如图5所示.

图5　最大辐射仰角

从图中可以看到，f<8 MHz时，两种天线的最大辐射仰角差异不大，均为20°～30°的低仰角.随着频率上升，鞭状天线在f>17.4 MHz后获得接近80°的高辐射仰角，而后又逐渐下降；三环天线的最大辐射仰角则在起始频段上有所提前，当f>13.5 MHz时，可以获得超过70°的高辐射仰角，并在f=19 MHz附近达到最大值90°.然而，即便如此，对于要求低频段(f<12 MHz)、高仰角(Δ>70°)的NVIS通信[5-6]而言，三环天线在最大辐射仰角这一参数上也并不满足要求，因此其用于近垂直入射天波(Near Vertical Incidence Sky-wave, NVIS)通信的能力还需进一步讨论和验证.

2.4　最大增益

仿真给出了三环天线和4 m鞭状天线在1.5～30 MHz内的最大增益变化曲线，如图6所示.从图中可以看到，鞭状天线的最大增益在频段高段更高，最高为f=13 MHz附近的4.3 dBi，低段次之，中段最低，最低为f=16 MHz附近的1.06 dBi，但总体而言变化比较平稳.三环天线的最大增益变化则更加剧烈：在f<13 MHz时其增益低于鞭状天线，最低达到了f=12.3 MHz附近的-10 dBi；在f>13 MHz时其增益则高于鞭状天线，最高达到f=30 MHz附近的7.7 dBi.

图6　最大增益

2.5　三环天线仿真结果

仿真给出了三环天线在1.5～30 MHz内的不同仰角上的增益变化曲线，如图7所示.

图7　不同仰角增益图

结合图2至图6的分析可以得到以下结论：

(1)近距离地波通信.对于低仰角、低频段的近距离(<50 km)地波通信而言，三环天线可以在Δ<10°、f<10 MHz的条件下发挥较好的性能.虽然性能不如4 m鞭状天线，但在移动条件下采用三环天线可以使通信变得更加灵活.

(2)近距离天波通信.对于高仰角、低频段的近距离(<200 km)天波通信(即NVIS通信)而言，三环天线在Δ>70°、f<12 MHz的条件下表现出的性能不佳，在低频段既无法获得高的最大辐射仰角，也无法在高仰角上获得高的增益，无助于解决短波通信的静区问题.

(3)远距离天波通信.对于中高仰角、中高频段的远距离(500～1 000 km)天波通信而言，三环天线可以在30°<Δ<50°、f>12 MHz的条件下发挥出良好的性能，相比4 m鞭状天线，其性能有所提升.

3结语

短波车载三环天线装备部队已接近20年，在短波机动通信中发挥了巨大的作用.然而，在使用过程中出现的通信效果差、通信距离近以及无法克服静区等问题，也进一步限制了通信战斗力的提升.对现有三环天线进行改进或重新设计新的可以克服静区的新型短波车载天线成为当务之急.可喜的是在这方面的研究已有新的成果出现和应用，可参考文献[7].

[参考文献]

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

[2]李长勇，王少华，章锋斌，等．短波车载三环天线性能仿真[J]．军事通信技术，2013，34(3)：69-72.

[3]SG-230 smartuner antenna coupler: installation and operations manual [R]. SGC Inc，2000.

[4]李引凡，卜鑫，彭焰．天线调谐器Γ形/反Γ形阻抗匹配网络参数估算[J]．重庆通信学院学报，2013，32(1)：20-23.

[5]李引凡．NVIS传播的理论与实现[J]．重庆通信学院学报，2004，23(4)：55-58.

[6]李长勇，李引凡，李卫东．短波通信频率选择与天线架设[J]．重庆通信学院学报，2013，31(2)：7-10.

[7]王少华，李长勇，彭川．一种新型车载短波半环天线的仿真与分析[J]．重庆通信学院学报，2013，32(6)：4-6.

(责任编辑吴强)

Simulation analysis on the performances of vehicle mounted

three-loop HF antenna

LI Yinfan1, SUN Yueguang2, LI Changyong1, BU Xin3

(1. Department of Information Engineering, Chongqing Communication College, Shapingba Chongqing 400035, China；

2. Department of Information System, Academy of National Defense Information, Wuhan Hubei 430010, China；

3. Communications Regiment, Shenyang Military Region, Shenyang Liaoning 110141, China)

Abstract：The components and forms of HF vehicle mounted three-loop antenna are introduced at first. The HF vehicle mounted three-loop antenna and 4 m whip antenna are used to simulate and analyze the parameters such as inputting impedance, maximum elevation angle, pattern and maximum gain with different frequencies. The results between two types of antennas are compared. At last， the performances and communication abilities of three-loop antenna are discussed.

Key words：HF communications; three-loop antenna; input impedance; radiation elevation; NVIS

[中图分类号]TN82

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2015)05-0046-04

[作者简介]李引凡(1979-)，男，重庆市人，讲师，硕士，主要从事军事无线通信技术与装备方面的研究.

[收稿日期]2015-02-28