胡召鵬，李實鋒，楊朝中，袁江斌，閆溫合

增強型羅蘭發(fā)射天線試驗方法研究

胡召鵬，李實鋒，楊朝中，袁江斌，閆溫合

（中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600）

增強型發(fā)射天線作為高精度地基授時系統(tǒng)的重要組成部分，其測試方法也同樣至關(guān)重要。由于該發(fā)射天線體積大，造價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，對正在建設(shè)或已建設(shè)完成的天線系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)測試難度較大，因此通過縮比模型的實驗方法進(jìn)行初步測試，既可以對發(fā)射天線的各項參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計，也可以根據(jù)工程的需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而為實際建設(shè)提供實驗基礎(chǔ)，并提前解決和分析可能遇到的各種問題，更好地服務(wù)于高精度地基授時系統(tǒng)的建設(shè)。

發(fā)射天線；縮比模型實驗；輸入阻抗；有效高度

0 引言

羅蘭發(fā)射天線技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前趨于成熟，主要分為單塔傘狀天線和四塔倒錐天線。增強型羅蘭發(fā)射天線屬于電小天線（電小天線是指最大尺寸小于工作波長1/2π或1/10的天線，電小天線一般只存在于長、中、短波和超短波波段中[1]），具有輻射電阻小、容抗大、輻射效率低、頻帶窄、規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和占地面積大等特點，其基本功能是承載發(fā)射機輸出的大功率信號，將電流能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波并傳送到空間，是輻射波的變換器和能量轉(zhuǎn)換裝置，最終完成大功率羅蘭授時信號的高效輻射發(fā)播。

依據(jù)高精度地基授時系統(tǒng)的建設(shè)方案，未來將在我國西部建設(shè)三個增強型羅蘭發(fā)射臺，因此增強型羅蘭發(fā)射天線的實驗及測試工作顯得尤為重要。通過解析計算以及計算機仿真的結(jié)果，設(shè)計并架設(shè)了比例為1：100的縮比模型，再結(jié)合模型試驗對已有的設(shè)計方案進(jìn)行有效的驗證，同時比較不同天線狀態(tài)，對計算中不能完全確定的局部尺寸進(jìn)行比較、驗證得出最優(yōu)的天線尺寸。通過縮比模型試驗?zāi)軌蛑苯訙y量出模型的輸入阻抗、自諧頻率以及靜態(tài)電容，并可利用場強測試以及根部電流測試來間接得出模型的有效高度，這些參數(shù)基本上能夠準(zhǔn)確地反映出實際尺寸下天線的各項電氣性能指標(biāo)[2-4]。

1 縮比模型測試方法

1.1 靜態(tài)電容測試

一般來說，在天線模型基座上測得的電容為視在電容，并不總是天線的靜態(tài)電容，只有當(dāng)觀測的頻率接近于零時，才能認(rèn)為測得的電容接近靜態(tài)電容。因此，在實驗中使用靜電容測試儀器的工作頻率越低，所測得的結(jié)果越接近真實情況。本實驗使用工作于60～100 Hz的電容測試儀，直接在天線根部測出天線的靜態(tài)電容，以減小誤差。

1.2 天線輸入阻抗和自諧頻率測試

長波發(fā)射天線的輸入阻抗分為實部（輸入電阻）以及虛部（輸入電抗）兩部分。其真實的輸入電阻不能準(zhǔn)確地通過模型試驗來測得，這是因為在縮比模型工作頻段內(nèi)，地?fù)p耗電阻及調(diào)諧元器件損耗電阻占去了天線輸入電阻的相當(dāng)大部分。地?fù)p耗電阻與地電導(dǎo)率有關(guān)，天線模型的電導(dǎo)率應(yīng)該等于實際天線場地的電導(dǎo)率乘以模型的比例倍數(shù)，要在相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)模擬出與實際場地電導(dǎo)率成比例的“地面”來，可以說是很難實現(xiàn)的。因此長波天線的輸入電阻只能在實際天線架設(shè)完畢之后進(jìn)行實地測試。真實天線的輸入電抗部分是能夠通過縮比模型來測量的，并且按照電抗曲線可以得出模型天線的諧振頻率，從而推導(dǎo)出真實天線的諧振頻率[5]。

在天線縮比模型試驗中，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)后，在模型天線根部直接測得天線的輸入阻抗和諧振頻率。測試原理圖如圖1所示，使用儀器如圖2所示。

圖1 阻抗測試連接示意圖

圖2 HP8753ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

模型天線的輸入阻抗測試是縮比模型試驗的重要內(nèi)容，測試的準(zhǔn)確度與測試方法密切相關(guān)，在進(jìn)行測試時，對儀表進(jìn)行校準(zhǔn)尤其重要。而且，由于縮比模型所工作的頻段，外界電磁波干擾較大，需要進(jìn)行多次測試才能得出較準(zhǔn)確的結(jié)果[5-6]。

1.3 天線有效高度測試

有效高度是長波天線的重要電氣參數(shù)，該數(shù)值將直接影響到天線的輻射電阻和效率，因此必須在天線的縮比模型上得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。通常使用的方法是先測出輻射區(qū)的有效垂直場強和天線根部的電流（測試示意圖如圖3所示），再按照舒來依金—范德波爾地波場強公式推算出被測天線模型的有效高度[7]：

圖3 有效高度測試示意圖

圖3中：為功率信號源；A為高頻電流表，其型號為62C51型，量程0～1.5 A；為測試距離；調(diào)諧電路使用無感電阻、可調(diào)電容、可調(diào)電感串連組成；場強計采用ML428B型[8-9]。

為了準(zhǔn)確地測出場強，減小周邊環(huán)境及儀表的影響，必須用場強修正法對場強進(jìn)行修正。修正原理就是利用一根標(biāo)準(zhǔn)單極子作為參考，采用對比法對場強測量結(jié)果進(jìn)行修正。

將式（3）和（4）相除，可得：

應(yīng)該指出，模型天線的有效高度測試受環(huán)境氣候的影響較大，因此需要進(jìn)行多次測量，而后取其平均值[10-12]。

1.4 縮比模型測試

單傘絕緣天線縮比模型僅有一座中心絕緣塔，塔高2.8 m，為天線主輻射體，其上均勻布置有12根頂線，頂線與塔夾角50°，長度1.4 m，并通過絕緣子串連接拉線至地錨點；中心絕緣塔設(shè)置三方四層纖繩，將桅桿固定；天線底部采用銅板做地，周圍采用輻射狀地網(wǎng)，共36根；縮比模型天線如圖4所示。天線根部通過線纜連接至地下測試室。以上述單傘天線為基本模型，調(diào)整天線中心絕緣塔高度、頂線與塔夾角、頂線長度等參數(shù)，測試不同狀態(tài)下天線的輸入阻抗、自諧振頻率、靜態(tài)電容及有效高度。

縮比模型在單傘塔底引出一根饋線，由一根3 m長同軸線引入地下測試間，進(jìn)行阻抗及功率發(fā)射測量。調(diào)諧測試間建設(shè)于中心桅桿根部地網(wǎng)下方以減小測試干擾?？s比模型的頂容線、高饋線、地網(wǎng)線及跳線分別使用不同直徑的銅導(dǎo)線，支撐塔纖繩使用鋼絲繩[13-14]。

圖4 縮比天線整體圖

單傘絕緣天線，中心桅桿作為天線的主輻射體，其高度和頂線長度及夾角對天線的自諧頻率、有效高度有較大的影響，合適的尺寸將直接決定天線能否全面達(dá)到指標(biāo)要求。縮比模型試驗除驗證解析計算和仿真分析的結(jié)果外，主要針對選取不同的中心桅桿高度和頂線長度及夾角下引線長度進(jìn)行測試，保證其他幾何尺寸參數(shù)不變，并將結(jié)果進(jìn)行對比選出最佳尺寸。單傘天線縮比模型除圖4參考模型天線外，共測試了如表1所示的2種天線狀態(tài)。

表1 單傘縮比模型試驗天線狀態(tài)

模型天線對不同狀態(tài)下輸入電阻、輸入電抗、接收點場強、根部電流、靜態(tài)電容0進(jìn)行了測試，并推算出有效高度和諧振頻率0。

參考天線中心塔高2.8 m，根據(jù)兩種不同的天線狀態(tài)測試結(jié)果如圖5，圖6，圖7和圖8所示：

① 中心塔高2.8 m，頂線長1.5 m，夾角45°，靜態(tài)電容136 pF自諧振頻率11 MHz。

② 中心塔高2.8 m，頂線長1.4 m，夾角50°，靜態(tài)電容132 pF自諧振頻率10.8 MHz。

圖5 單傘模型天線1輸入阻抗

圖6 單傘模型天線1有效高度

圖7 單傘模型天線2輸入阻抗

圖8 單傘模型天線2有效高度

1.5 兩種狀態(tài)下模型天線參數(shù)對比

從上述2種狀態(tài)的測試結(jié)果可以看出，模型天線的輸入電抗及諧振頻率測試較穩(wěn)定準(zhǔn)確，多次測量結(jié)果基本一致；而有效高度的測試結(jié)果在頻段內(nèi)波動較大，約有10%左右的起伏，這與理論分析有一些差別。分析其原因，主要是因為模型天線的工作頻段為低頻頻段，此波段在進(jìn)行場強測試時的外界干擾較大，并且環(huán)境和測試儀器也會帶來一定誤差，按照經(jīng)驗這一波動應(yīng)視為正常。在此基礎(chǔ)上，對整個測試頻段內(nèi)的有效高度進(jìn)行平均，采用平均有效高度的方法能夠比較準(zhǔn)確地反映模型天線的真實有效高度。

從上面參數(shù)測試結(jié)果對比可以看到，中心塔高2.8 m，頂線長1.4 m，夾角為50°的狀態(tài)時，測試的縮比模型天線電氣參數(shù)都能滿足設(shè)計需求，且占地小的情況下性能優(yōu)異，因而我們選用該天線狀態(tài)作為單傘天線的基本狀態(tài)[15]。

1.6 計算、仿真及模型實驗的結(jié)果對比

我們將天線的電氣解析計算、軟件仿真及模型實驗結(jié)果進(jìn)行對比。比對時將模型天線實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放，還原到實際天線參數(shù)的數(shù)值。圖9是單傘絕緣天線初步選定的模型2輻射電阻計算、仿真及模型實驗的結(jié)果對比。圖10是天線輸入電抗的結(jié)果對比。輻射電阻的測試結(jié)果是由測試的有效高度推導(dǎo)得出。圖11是天線有效高度的計算、仿真及模型實驗結(jié)果[16]。

從天線參數(shù)的計算、仿真及模型實驗結(jié)果的對比不難看出，一些關(guān)鍵的電氣參數(shù)如有效高度、輻射電阻、輸入電抗等，通過解析計算、計算機仿真與模型實驗的結(jié)果變化規(guī)律一致性較好、誤差較小，充分驗證了電氣參數(shù)計算的準(zhǔn)確性。在縮比模型試驗中，鐵塔、頂線及拉線的外徑很難按照比例進(jìn)行縮小，這對于靜態(tài)電容有一定影響。因此，為了得到更精確地測試數(shù)據(jù)，需要對靜態(tài)電容值進(jìn)行一定的修正。

圖9 單傘絕緣天線模型2 輻射電阻對比

圖10 單傘絕緣天線模型2 輸入電抗對比

圖11 單傘絕緣天線模型2有效高度對比

2 總結(jié)

通過對增強型羅蘭發(fā)射天線系統(tǒng)各電氣參數(shù)的反復(fù)核算，并結(jié)合計算機仿真以及縮比模型試驗的驗證，最終可以確定單傘絕緣天線系統(tǒng)的組成及詳細(xì)的電氣、結(jié)構(gòu)等參數(shù)，該測試方法的運用，將為高精度地基授時系統(tǒng)增強型羅蘭發(fā)射天線的最終建設(shè)提供良好的技術(shù)支撐，并為發(fā)射天線系統(tǒng)的相關(guān)測試工作提供有效的理論依據(jù)。

[1] LOPEZ A R. Fundamental limitations of small antennas: validation of wheeler’s formulas[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2006, 48(4): 28-36.

[2] 劉建國, 高萬明, 陳廣林. BPL授時發(fā)播系統(tǒng)天線物理特性的研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2012, 35(9): 57-61.

[3] 段建文. BPL長波授時信號發(fā)播控制方法的研究[D]. 西安: 中國科學(xué)院國家授時中心, 2008.

[4] 方福勝, 王治才. BPL長波天線體吊裝懸掛系統(tǒng)的某些結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J]. 時間頻率學(xué)報, 2012, 1(1): 11-15.

[5] 郭加寧, 謝歡歡. 大型長波天線支撐塔對電氣性能影響分析[J]. 現(xiàn)代導(dǎo)航, 2014, 3(6): 201-20.

[6] 黃紀(jì)軍, 劉克成, 龐衛(wèi)勇. 傘形天線掃描分析[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報, 1996, 2(12): 68-72.

[7] 孫勝利, 李云紅. 甚低頻傘形天線的電氣性能研究[J]. 艦船電子工程, 2016(6): 59-60.

[8] HEYES D D. The Loran-C midcontinent expansion project-a status report[C]//IEEE Symposium on Position Location and Navigation, Orlando: IEEE, 1988.

[9] KOO H, NAM S. Modified L-type eloran transmitting antenna for co-location with an AM antenna[C]//2016 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Okinawa: IEEE, 2016.

[10] LIANG Min, ZHANG Hong-yin, ZHANG Fu-shun, et al. A novel single-fed high-gain and phase-adjustable transmitting antenna element for wireless power transmission[C]//2018 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS), Chengdu: IEEE, 2018.

[11] PAPAMICHAEL V C, KARADIMAS P. Performance evaluation of actual multielement antenna systems under transmit antenna selection/maximal ratio combining[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2011, 10(2): 690-691.

[12] KAWAKAMI H, HAGA T, HOSOIDIGITAL K. Digital terrestrial broadcasting antennas-4-plane synthesis pattern and gain improvement[C]//2007 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Honolulu: IEEE, 2007.

[13] ERFANI E, TATU S, JAZI M N, et al. A millimeter-wave transmitarray antenna[C]//2016 17th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM), Montreal: IEEE, 2016.

[14] HANSEN P M, RODRIGUEZ A. Performance analysis of large electrically small transmit antennas[C]//2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), Spokane: IEEE, 2011.

[15] LI H, LIU C. Calculation on characteristics of VLF umbrella inverted-cone transmitting antenna[C]//2014 Sixth International Conference on Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), Shanghai: IEEE, 2014.

[16] MONIN A. Submarine floating antenna model for LORAN-C signal processing[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2003, 39(4): 1304-1315.

Research on test method of enhanced Loran transmitting antenna

HU Zhao-peng, LI Shi-feng, YANG Chao-zhong, YUAN Jiang-bin, YAN Wen-he

(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600)

The test method of the enhanced transmitting antenna, which is an important part of the High-precision Ground-based Time Service System, is very important. Due to the large size, high cost and complex structure of this antenna, it is difficult to test the antenna system which is under construction or completed in detail. Therefore, the preliminary test is carried out using the experimental method of reduced scale model. With the help of this method parameters of the transmitting antenna can be preliminarily designed and adjusted according to the needs of the project. It provides the experimental basis for the construction, and solves and analyzes various possible problems in advance, and serves the construction of the High-precision Ground-based Time Service System better.

transmitting antenna; scaled model experiment; input impedance; effective height

10.13875/j.issn.1674-0637.2021-04-0310-07

胡召鵬, 李實鋒, 楊朝中, 等. 增強型羅蘭發(fā)射天線試驗方法研究[J]. 時間頻率學(xué)報, 2021, 44(4): 310-316.

2021-04-29；

2021-07-01

中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃“西部青年學(xué)者”B類資助項目（XAB2018B14）