短波偶极子帘幕相控阵天线设计及方向图计算

张 明，邓朝阳，王 力，涂 帅

短波偶极子帘幕相控阵天线设计及方向图计算

张 明，邓朝阳，王 力，涂 帅

（91351部队，辽宁兴城 125106）

偶极子帘幕相控阵天线是在偶极子帘幕天线的基础之上增加了相位控制系统。本文设计了两个相控阵天线，实现了80º方位角的动态通信覆盖，有较好的通信性能，并对其方向图进行了理论仿真。最后通过比较双菱形天线和偶极子帘幕相控阵天线，证明了偶极子帘幕相控阵天线的通信优势。

偶极子帘幕相控阵天线 相位控制 方向图

0 引言

相控阵技术是通过控制各单元的相位、幅度来控制波束的扫描，为实现赋形波束及波束的无惯性扫描提供了技术支持。因此，相控阵技术在雷达等领域得到了广泛的应用。在通信方面，短波通信具有极其重要的战略地位，短波相控阵天线可通过波束控制器来控制天线辐射波束指向，一个天线阵覆盖较宽的通信扇面。在短波波段，偶极子帘幕形天线占地面积小，发射场型的变动比较灵活，天线的辐射性能随天线阵偶极子的层数和每层的半波振子数目的变化而改变，基于帘幕天线这种特性，本文设计了两副偶极子帘幕相控阵天线，覆盖了10～30 MHz的通信波段范围和80º的波束扫描范围。

1 短波偶极子帘幕相控阵天线系统设计方案

本节参考文献的相位控制方法：通过改变信号的传输路径来改变输出信号的相位，并借鉴文献的天线形式和结构，设计了一副短波四元相控阵天线：偶极子帘幕相控阵天线。这种相控阵天线系统有两种方案可供选择：

1) 移相器工作在大功率发射机后面，先由发射机产生一个大功率短波射频信号，然后通过移相器来改变大信号的相位，最后把经过移相的信号送到天线；

2) 移相器工作在发射机前面，先将短波激励器产生的小射频信号经过移相器控制相位的变化，然后将经过移相的小信号通过发射机进行功率放大，最后把放大的信号送到天线。

这两种设计方案的最大区别就是移相器的位置，第一种方案中的移相器必须满足大功率工作要求，如果按照这种方案设计相控阵天线，首先要解决的是大功率短波移相器的设计问题。本文采用延迟线来设计短波大功率移相器，这种方案的优点在于对发射机输出信号相位没有任何要求，它是通过移相器来控制信号相位变化的。第二种方案要求将发射机的功放和激励器分离开，而我国现役发信机装备激励器和射频功放被安装在同一个机柜中，因此必须对发信机进行改装。本文选择了第一种天线设计方案。

为使天线阵能覆盖10～30 MHz的频率范围，本文设计的帘幕天线阵的频带宽度约为1.73个倍频程，低口频率范围为10～17.3 MHz，高口频率范围为17.3～30 MHz，选用两副天线即可满足10～30 MHz的频率范围要求。查阅参考文献天线性能参数表（短波天线工程），低口天线型号选择为HRS4/3/0.5，中心工作频率为13.7 MHz，天线的驻波比小于1.5；高口天线型号选择为HRS4/4/0.5，中心工作频率为23.1 MHz，天线的驻波比小于1.5，这两副天线的性能指标均达到目标要求。反射幕距离天线的水平距离为0/4,反射幕线间距设置为0.83 m，线直径为4 mm。

2 短波偶极子帘幕天线波控系统设计方案

下面以高口天线（HRS4/4/0.5偶极子帘幕天线）为例，来设计短波偶极子帘幕相控阵天线波控系统。HRS4/4/0.5偶极子帘幕天线有一个把四列偶极子分别连接到一个单一输入端的馈电系统。采用大信号移相方案，移相器采用大功率延迟线，天线系统的连接如图1所示。它的馈电系统由功分器和移相器组成，而移相器由一组同轴电缆延迟线和一个射频交换设备组成，射频交换设备可以将延迟线插入各列天线的馈电点（图1中的圆圈表示馈电点），或将延迟线从各列天线的馈电点移出，实现对各列天线馈电相位的控制。当从天线阵输入端到第1、第2、第3和第4列偶极子馈电点的传输线总长度1、2、3和4长度相同时，即1=2=3=4=0，则天线阵的波束指向天线阵的视轴方向，即垂直于偶极子阵平面的方向。

若要天线阵波束指向朝第1列偶极子方向偏转，则从天线阵输入端到4列偶极子馈电点的路径长度被分别设置为：

注：L1、L2、L3和L4是输入端到各天线根部的电缆长度

注：q为水平偏转角

3 短波偶极子帘幕相控阵天线的方向图

下面计算HRS4/3/0.5和HRS4/4/0.5偶极子帘幕相控阵天线波束无偏转的归一化方向图。

1) HRS4/3/0.5偶极子帘幕阵天线在低口（10～17.3 MHz）频段内工作，中心工作频率为13.7 MHz。天线阵为4列3行结构，层与层之间的距离为0/2，水平线上振子中心的距离为0/2，以及最低层偶极子距离地面的高度也为0/2，其中0为中心工作频率对应的波长。地面的介电常数为4，地面的导电率为0.01 mS/m，反射幕距离天线的水平距离为0/4，反射幕线间距为0.83 m，线直径为4 mm。参考短波偶极子帘幕天线方向图的计算公式和这些具体参数，计算了HRS4/3/0.5帘幕相控阵天线波束无偏转情况下的方向图，得到了其在低口频段内中心频点和高低频点的归一化垂直面方向图和水平面方向图（三个频率点分别为10 MHz、13.7 MHz、17.3 MHz），如图3所示。

2) HRS4/4/0.5偶极子帘幕相控阵天线为4列4行结构，在高口（17.3～30 MHz）这个频段内工作，中心工作频率为23.1 MHz。HRS4/4/0.5偶极子帘幕相控阵天线的各个参数设置和HRS4/3/0.5偶极子帘幕相控阵天线基本相同，只是在HRS4/3/0.5偶极子帘幕相控阵天线的基础上它的每一阵列的水平振子数目增加了一个，即每个天线列单元有四个水平振子垂直排列组成，其它天线电参数均保持不变。参考短波偶极子帘幕天线方向图的计算公式和这些具体参数，计算了HRS4/4/0.5帘幕相控阵天线波束无偏转情况下的方向图，得到了其在低口频段内中心频点和高低频点的归一化垂直面方向图和水平面方向图（三个频率点分别为17.3 MHz、23.1 MHz、30 MHz），如图4所示。

4 短波偶极子帘幕天线性能优势分析

目前，大型短波通信台站的远距离发信天线主要采用菱形天线。它由固定在四个高度相同的桅杆上且构成一个菱形形状的两条金属线组成，在长对角线的一端馈电，另一端接匹配电阻，天线电流呈行波状态，阻抗带宽很宽，增益很高。双菱形天线与HRS4/4/0.5偶极子帘幕天线阵主要电气性能和占地面积见表1。

图3 HRS4/3/0.5偶极子帘幕相控阵天线水平波束无偏转方向图

表1 相控阵天线与双菱形天线的主要电气性能及占地面积

由这两种天线对比图表可以得到：

1) 偶极子帘幕天线阵与双菱形天线的增益相差不多，因此在相同发射功率的条件下，这两种天线的通信保障距离相当。

2) 从波束宽度来看，双菱形天线的水平波束宽度比偶极子帘幕天线阵的水平波束宽度窄很多，因此单副双菱形天线的通信保障扇面比偶极子帘幕天线阵小很多，需要很多副双菱形天线才能对一个较大的通信扇面进行有效的覆盖。而偶极子帘幕相控阵天线可以对水平波束的指向进行电控，实现较大扇面的通信覆盖。

3) 由于双菱形天线的副瓣多且电平较高，所以尽管双菱形天线的主瓣窄，但增益并不比偶极子帘幕天线增益高。HRS4/4/0.5偶极子帘幕相控阵天线在其最低工作频率工作时，方向图主瓣偏转30°时的最大增益值为15.5，并有较大的3dB主瓣宽度，虽然其工作频带相对于双菱形天线要窄，但总体性能较双菱形天线有较大优势。

4) 偶极子帘幕天线阵占地面积远小于双菱形天线的占地面积。

5 结论

短波偶极子帘幕相控阵阵天线是在短波偶极子帘幕天线的基础上，增加移相分系统，控制垂直方向排列的子阵的馈电相位，可以实现水平面（方位角度量）内主瓣的偏转，从而扩大通信覆盖区域。HRS4/3/0.5和HRS4/4/0.5偶极子帘幕天线方位角波束主瓣宽度典型值为24°，通过对馈电相位控制，计算得到相位步进量30°、60°和90°分别实现约10°、20°和30°波束指向偏转，进而实现通信覆盖范围达80°以上。

[1] 邮电部北京设计所. 天线和馈电线[M]. 北京: 人民邮电出版社, 1985: 98-196.

[2] 李相平, 张刚, 李亚昆, 等. FPGA在相控阵波束控制器中的应用[J]. 电子工程师, 2008, 34(1): 1-3.

[3] 孙长果, 张进民, 张晓丽, 等. 一种利用相控阵天线阵综合扇区波束的方法[J]. 通信学报, 2003, 24(6): 139-143.

[4] 张光义. 数字波束形成方法的应用分析[J]. 现代雷达, 1989(2): 66-72.

[5] Chang H C. Analysis of Coupled Phase-locked Loops with Independent Oscillators for Beam Control Active Phased Arrays[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2004, 52(3): 1059-1066.

[6] Wilensky R. High-power, Broad-bandwidth HF Dipole Curtain Array with Extensive Vertical and Azimuthal Beam Control[J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 1988, 34(2): 201-209.

[7] 南京电子技术研究所. 相控阵天线手册[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007: 1, 180-188.

Design and Pattern Calculation of Short Wave Dipole Curtain Phased Array Antenna

Zhang Ming, Deng Chaoyang, Wang Li, Tu Shuai

(The Army of 91351, Xingcheng 125106, Liaoning, China)

TN821

A

1003-4862（2019）08-0047-04

2019-01-15

张明（1984-），男，工程师。E-mail：317450303@qq.com