管耀武,吳其山,黃世勇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

常用短波鞭天線(xiàn)性能優(yōu)化工程技術(shù)研究*

管耀武,吳其山,黃世勇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

短波天饋線(xiàn)系統(tǒng)是短波通信系統(tǒng)中的重要組成部分,天線(xiàn)的效率直接關(guān)系到短波通信的質(zhì)量,在實(shí)際開(kāi)展短波通信時(shí),加強(qiáng)對(duì)短波天線(xiàn)的工程應(yīng)用研究和優(yōu)化改進(jìn),才能充分發(fā)揮短波通信的總體效能。通過(guò)對(duì)鞭狀天線(xiàn)較為全面的性能分析,從提高鞭狀天線(xiàn)輻射效率的角度出發(fā),分別在加頂負(fù)載、加電感線(xiàn)圈、埋設(shè)地線(xiàn)或地網(wǎng)等幾個(gè)方面給出性能優(yōu)化的具體實(shí)現(xiàn)方法,切實(shí)有效地改善了短波通信(話(huà)音、數(shù)據(jù))傳輸性能。

短波通信 短波天線(xiàn) 性能分析 性能改進(jìn)

0 引 言

短波通信憑借其抗毀能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、運(yùn)行成本低等特點(diǎn),在公共應(yīng)急通信以及在軍事通信保障中的發(fā)揮著重要的作用。短波天饋線(xiàn)系統(tǒng)是短波通信系統(tǒng)中的重要組成部分,是電磁能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件,天線(xiàn)的效率直接關(guān)系到短波通信的質(zhì)量。在短波通信項(xiàng)目中必須重視短波天、饋線(xiàn)工程建設(shè)與優(yōu)化,才能充分發(fā)揮短波通信的總體效能。

短波鞭天線(xiàn)廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)、黨政、公安武警及相關(guān)特種行業(yè)的常規(guī)和應(yīng)急通信系統(tǒng)中。因此加強(qiáng)對(duì)短波鞭天線(xiàn)進(jìn)行性能分析并給出相應(yīng)的性能優(yōu)化措施,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

文中通過(guò)對(duì)鞭狀天線(xiàn)性能較為全面的分析,首先對(duì)在工程應(yīng)用中如何正確選擇和使用鞭天線(xiàn)提出建議,同時(shí)從提高鞭狀天線(xiàn)輻射效率的角度出發(fā),分別在加頂負(fù)載、加電感線(xiàn)圈、埋設(shè)地線(xiàn)或地網(wǎng)或架設(shè)平衡網(wǎng)幾個(gè)方面給出優(yōu)化的理論依據(jù)和具體工程實(shí)現(xiàn)方法。

1 常用短波鞭天線(xiàn)性能分析

鞭狀天線(xiàn)是短波天線(xiàn)的基本形式,其形狀似鞭,所以稱(chēng)為鞭狀天線(xiàn)。以下對(duì)其典型性能進(jìn)行分析:

1.1 短波鞭天線(xiàn)輻射特性

短波鞭天線(xiàn)輻射特性在水平面上為全向特性,電場(chǎng)在水平面上均應(yīng)分布,如圖1(a)所示。在垂直面上,各仰角上的電場(chǎng)強(qiáng)度并不相同,沿著地面方向的發(fā)射強(qiáng)度高,隨著仰角的增加,發(fā)射強(qiáng)度逐漸減弱,如圖1(b)所示。

圖1 鞭狀天線(xiàn)方向性示意Fig.1 Schematic diagram of the whip antenna direction

1.2 天線(xiàn)高度(長(zhǎng)度)與方向性的關(guān)系

鞭狀天線(xiàn)對(duì)于特定頻率,隨著天線(xiàn)高度的不同,其方向性有著較大的差別。如圖2所示。

圖2 鞭狀天線(xiàn)高度與方向性關(guān)系示意Fig.2 Schematic diagram of the whip antenna height and direction of the relationship

1.3 天線(xiàn)的效率

鞭狀天線(xiàn)的效率由下式求得:

式中,Pt為天線(xiàn)輻射至空間的功率,Ps為天線(xiàn)損耗功率,Rt為天線(xiàn)輻射電阻,Rs為天線(xiàn)損耗電阻。

鞭狀天線(xiàn)的效率隨h/λ增大而提高。短波鞭狀天線(xiàn)的效率一般只有百分之幾。圖3給出了高度h=4.8 m的典型鞭狀天線(xiàn)效率變化曲線(xiàn)。

圖3 鞭狀天線(xiàn)的效率與頻率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Curves of the relationship between efficiency and frequency diagram of the whip antenna

2 短波鞭天線(xiàn)性能改進(jìn)方案

2.1 天線(xiàn)高度選擇及頻率應(yīng)用

如前短波鞭天線(xiàn)高度(長(zhǎng)度)與方向性分析所述,在天線(xiàn)高度λ/4≤h≤5λ/8時(shí),無(wú)線(xiàn)電波沿地面發(fā)射的效果最佳。當(dāng)h/λ≤5/8時(shí),沿著地面方向的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著增加而變大,當(dāng)h=5λ/8時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大,但出現(xiàn)了副瓣。當(dāng)h=3λ/4時(shí),最大輻射方向已不在沿地面的方向上。因此,利用短波天線(xiàn)進(jìn)行地波通信時(shí),鞭狀天線(xiàn)的高度必須小于5λ/8。為了避免高仰角引起的衰落現(xiàn)象,鞭狀天線(xiàn)的最佳高度,應(yīng)選高度h=0.53λ。

2.2 天線(xiàn)加改裝措施

提高鞭狀天線(xiàn)的效率,必須增大輻射電阻和減小損耗電阻,具體辦法有:加頂負(fù)載[2]、加電感線(xiàn)圈、埋設(shè)地線(xiàn)或地網(wǎng)或架設(shè)平衡網(wǎng)[3]。

2.2.1 加頂負(fù)載

加頂負(fù)載就是在天線(xiàn)頂端增加小球、圓盤(pán)或輻射葉等負(fù)載器,加頂負(fù)載的鞭狀天線(xiàn)如圖4所示。

加頂負(fù)載使得天線(xiàn)的頂端輻射面積增大。相應(yīng)地天線(xiàn)體與地之間的等效分布電容增大,容抗減小,頂端輻射電流增大,整個(gè)天線(xiàn)上的傳導(dǎo)電流分布變得均勻,相當(dāng)于增加了天線(xiàn)的有效高度,從而提高了鞭狀天線(xiàn)的效率。

圖4 加頂負(fù)載的鞭狀天線(xiàn)示意Fig.4 Schematic diagram of whip antenna with top load

2.2.2 加電感線(xiàn)圈

加電感線(xiàn)圈就是在天線(xiàn)最上一節(jié)的底部增加一個(gè)電感線(xiàn)圈,從等效電路角度來(lái)看,可以抵消天線(xiàn)的一部分容抗,因而改善天線(xiàn)的傳導(dǎo)電流分布,增加有效高度,提高天線(xiàn)的效率。

需要注意的是:電感線(xiàn)圈的電感量不能太大,否則會(huì)因其等效損耗電阻太大,反而使天線(xiàn)效率降低,或在某些頻率上,天線(xiàn)的輸入阻抗變?yōu)楦锌?使得電臺(tái)的調(diào)諧發(fā)生困難。

2.2.3 埋設(shè)地線(xiàn)和地網(wǎng)

鞭狀天線(xiàn)的損耗,除較小的導(dǎo)線(xiàn)損耗和絕緣損耗外,主要是地面損耗。地面損耗的大小決定于地面的導(dǎo)電性能。因此,針對(duì)固定臺(tái)站一般采用埋設(shè)地線(xiàn)或地網(wǎng),對(duì)移動(dòng)臺(tái)站一般采用鋪設(shè)平衡網(wǎng)的方法。以減小地面損耗,改善短波天線(xiàn)等效地平面的導(dǎo)電性能[4]。

(1)地線(xiàn)和地網(wǎng)

用來(lái)做為地線(xiàn)的材料一般使用金屬板、金屬管或?qū)Ь€(xiàn)等金屬物體。為避免生銹,地線(xiàn)通常用銅線(xiàn)或鍍鋅導(dǎo)線(xiàn)。地線(xiàn)埋地深度一般為0.2～0.5 m,為了改善接地效果,可以選擇較為濕潤(rùn)的地面或在埋設(shè)地線(xiàn)的區(qū)域灌注淡鹽水。

減小地面損耗的更好方法是在天線(xiàn)底部的地面下敷設(shè)地網(wǎng)。當(dāng)采用間隔密集型輻射狀地網(wǎng)時(shí),總的接地電阻為:

式中,RE為電場(chǎng)損耗引入的電阻,RH為磁場(chǎng)損耗引入的電子。

單位面積電阻由公式(3)計(jì)算

式中,S=2πρ/N,N為地網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)的根數(shù),ρ為距天線(xiàn)基部的徑向距離,d為地網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)的直徑,δ為集膚深度,στ為導(dǎo)線(xiàn)材料的電導(dǎo)率,σ為大地的電導(dǎo)率,f為工作頻率。

單位面積電阻RE可由由公式(4)計(jì)算

式中,σ為大地的電導(dǎo)率,ε為大地的介電常數(shù),h為地網(wǎng)的有效深度。

工程上地網(wǎng)通常由15根(或更多)輻射狀導(dǎo)線(xiàn)組成,導(dǎo)線(xiàn)直徑為2～3 mm,長(zhǎng)度應(yīng)接近λ/2,至少應(yīng)不短于天線(xiàn)高度。在地網(wǎng)的中心用金屬管或幾根銅線(xiàn)絞合后做成集流環(huán),然后用粗銅線(xiàn)或絞合銅線(xiàn)引至機(jī)房。為改善接地效果,可將幾根長(zhǎng)2 m以上的鍍鋅鋼管打入地下作為接地體,上端接到集流環(huán)上。所有連接處都必須接觸良好。

圖5 輻射地網(wǎng)示意Fig.5 Schematic diagram of radiation network

如圖5所示,給出了常用地網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖,其中:輻射狀地網(wǎng):R=60 m,n=60根,共用φ= 3.5 mm硬銅線(xiàn)3 600 m。因用于固定臺(tái)站數(shù)十米高的直立鞭狀天線(xiàn),因此使用的輻射狀導(dǎo)線(xiàn)多達(dá)60根。用于尺寸較小的固定式鞭狀天線(xiàn)時(shí),可適量減少輻射狀導(dǎo)線(xiàn)的數(shù)量。

(2)架設(shè)平衡網(wǎng)

對(duì)于不便于埋設(shè)地網(wǎng)的固定站(如:多巖石地區(qū)),可采用平衡網(wǎng)代替地網(wǎng)。所謂平衡網(wǎng)就是安置在天線(xiàn)和地之間的導(dǎo)體,它可由多根導(dǎo)線(xiàn)、金屬板或通信車(chē)的車(chē)體的外殼構(gòu)成。通常由4～8根導(dǎo)線(xiàn)組成的平衡網(wǎng),架高一般為0.5～1 m,導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度為(0.15～0.2)λ,機(jī)動(dòng)方便。平衡網(wǎng)有時(shí)也直接鋪設(shè)于地面上,平衡網(wǎng)的架設(shè)如圖6所示。

圖6 平衡網(wǎng)架設(shè)示意Fig.6 Schematic diagram of Balance net erection

對(duì)于需要“動(dòng)中通”的短波通信車(chē)或加裝車(chē)載短波電臺(tái)的通信車(chē),可以利用車(chē)體外殼代替平衡網(wǎng),或者在車(chē)頂敷設(shè)幾根輻射線(xiàn)做為平衡網(wǎng)。駐車(chē)通信時(shí),還可將平衡網(wǎng)輻射線(xiàn)拉直引到車(chē)外地面上,以提高天線(xiàn)增益[5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用文中論述的一些改進(jìn)方法,在一些具體項(xiàng)目中有效地改善了短波通信效能。通過(guò)實(shí)際對(duì)比測(cè)試,相對(duì)未采取優(yōu)化措施的條件下,有效地改善了短波通信質(zhì)量,較大地改善了收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)傳輸速率。在某應(yīng)急通信車(chē)項(xiàng)目中,通過(guò)采用安裝架設(shè)平臺(tái)來(lái)模擬地網(wǎng),也有效地提升了短波通信質(zhì)量。

按照文中論述的優(yōu)化理論,舉一反三可對(duì)其它常用的如雙極天線(xiàn)等短波天線(xiàn)進(jìn)行了類(lèi)比分析和優(yōu)化,也在實(shí)際短波通信工程中取得了較好的優(yōu)化改善效果,值得推廣應(yīng)用。

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

吳其山(1979—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電臺(tái)整機(jī)設(shè)計(jì);

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

黃世勇(1983—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

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

A

1002-0802(2014)08-0973-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.027

管耀武(1973—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)、射頻電路;

2014-06-20;

2014-07-20 Received date：2014-06-20;Revised date：2014-07-20