短波宽带全向天线应用研究

摘要：应用数值分析法对短波授时系统——线栅型扇锥结构宽带全向天线进行了分析和仿真。对不同导线根数、天线馈电间距和扇面角时宽带全向天线的驻波比和增益的影响进行了讨论。应用研究结果指导调整了短波授时系统宽带全向天线，使其在5～15 MHz频率上电压驻波比小于1．5，达到了满意授时效果的要求。
关键词：短波授时；宽带全向天线；线栅型扇锥结构；矩量法；VSWR

0 引言
    国家授时中心BPM短波授时系统每天24 h连续不断地以4种频率(2．5 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz)发播我国地方协调时UTC1和世界时UTC(NTSC)标准时间、标准频率信号，信号覆盖半径3 000 km，用户时间同步精度为毫秒量级。使用的天线有水平角笼天线和宽带天线。宽带天线采用线栅型扇锥结构的5～15 MHz短波全向天线。为了确保BPM短波授时系统不间断地发播并达到满意授时效果的要求，除发射设备必须满足电波发射质量和高可靠性的要求外，关键的技术因素就是天线了。对宽带天线的深入研究和应用，同发射设备保持良好的匹配是很有意义的工作。

1 天线形式特点
    5～15 MHz短波宽带全向天线采用线栅型扇锥结构，是一种典型的宽带天线。该天线的结构形式，几何尺寸如图1所示。

    在短波波段，以比较小的尺寸实现宽带化较为理想的天线形式就是扇锥结构天线。扇锥天线在结构形式上属于偶极对称水平天线，理论上具有任意宽的频带。
    实际应用中的扇锥天线高频受制于激励区的几何尺寸，低频受制于锥体长度。天线的特性阻抗z0为：
    zin=zo=120lncot(θ／4)     (1)
    式中θ为锥顶角。该天线使用特性阻抗为300 θ平衡馈线馈电，天线的特性阻抗为300 Ω，对应的锥顶角θ=18．77°，对应的扇面角为58°。
    在工程应用中均采用水平架设，一般不能制成锥笼形式而是以锥体展开成扇锥的形状，仍然可以保持特性阻抗不改变。通过合理地选择扇锥的扇面角、锥顶角、导线的数量、线径和线距、激励区尺寸就可获得需要的带宽。
    5～15 MHz短波宽带全向天线的每个水平面由11根直径为φ4铜包钢导线组成，通过φ4铜线组成特性阻抗为300 Ω的平衡馈线馈电，馈线通过300 Ω／50 Ω宽带平衡／不平衡转换器，再由特性阻抗为50 Ω高频电缆进入机房由天线交换开关连接到发射设备。
    由于这种宽带天线振子导线数目多，同水平角笼天线相比较能承受更高的功率。馈线在传输电话时的最大允许功率(单位：kW)为：
   
    式中：d为导线直径(单位：mm)；w为馈线特性阻抗；n为每边平行导线数目；s为馈线上的驻波比。算出P=30～50 kW，取安全系数为3，即可承受10～17 kW的功率。

2 数据计算与分析
    BPM短波授时5～15 MHz宽带全向天线为中馈形式。由于该天线架设时受天线场地地形的限制，天线的实际尺寸同比原设计尺寸有所缩减，详细数据见表1。

    天线投入使用后，10 MHz，15 MHz频段可以满足与发射设备的配合，5 MHz频段不能满足与发射设备的匹配，对天线作了1／4波长短截线匹配后，初步可以供发射设备应急使用。在阻抗转换器不平衡端测量天线输入阻抗值、驻波比见表2。

    众所周知，双锥天线的阻抗决定于锥顶角，频率范围决定于振子线长度。表1中实际安装数据的变更，使该天线在低频段的驻波比难以达到满意授时效果的要求。为了满足电波发射质量和高可靠性的要求，亟待对此问题进行分析寻找解决问题的有效途径。
    对于有限长双锥天线已有文献和书籍进行了详细的研究，由于扇锥结构严格的推导过于复杂，此处运用矩量法来计算。在矩量法计算中，基函数的选取对于计算的速度及精度都有很大的影响，线栅型扇锥天线导线数量多，采用阶梯函数为基函数收敛速度慢，为收到较快的收敛效果，该计算采用了正弦插值基。采用正弦插值基时，第Nj电流可以用下式表示：
    Ij(N)=Aj+Bjsink(n-nj)+Cjcosk(n-nj)，|n-nj<△j／2
    式中：△j是第J段的长度，nj是该段中点的坐标；Aj，Bj,，Cj为三个未知系数。线栅型扇锥结构天线采用圆柱状导线，正弦插值基可以较好地逼近实际天线电流，因而具有较快的收敛速度。
    对采用线栅型扇锥结构的天线的不同导线数量、馈电端间距、扇锥张角下天线电压驻波比和增益进行仿真计算，数值计算表明：
    (1)图2显示的是双锥天线当馈电端间距为某一固定值的条件下，在导线数量达到一定程度时，两者性能相近。图中选用9，15，21根导线，计算曲线表示当导线数量大于9根以上(其中包括11根导线值)天线的增益基本相近。

    (2)图3显示馈电端间距，即馈电处有限缝隙的选取对天线性能的影响，当馈电间距为0．4 m时，驻波比明显高，但馈电端间距为0．6 m，0．8 m时电压驻波比偏低一些，相对而言间距选0．8 m驻波比更低。

    (3)图4说明天线扇面角的变化将会改变天线的阻抗特性，以至于对天线输入阻抗及天线驻波比产生影响。
    计算曲线说明对于有限长度的双锥天线在一定的频率范围内，不论在9～21根线之间怎样选择导线根数、中心馈电间距(0．4～0．8 m)和锥顶角(50°～90°)，当工作频率低于9 MHz频率时，天线的驻波比VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)都是小于2，同时天线增益下降，追究其原因是天线热损耗增加所致。理论上论述为对于有限长度的双锥天线，当恰好包围该天线的半径为h的虚构的球面体内，TEM波和锥体末端产生的高次模同时存在，这些高次模主要产生天线的电抗。锥末端引起反射而建立的驻波比导致复数的输入阻抗。据此由传输线概念给出双锥天线的输入阻抗zi：
   
    式中：r为锥体长度；β=2π／λ(λ为波长)；zin=zo=120ln cot(θ／4)，zm=Rm+jxm同天线工作状态有关的参数。对于不同的工作频率，天线的输入阻抗、驻波比、增益也不同。通过修改天线结构参数和与此有关的天线场地等，成为改善天线电气指标的一个有效途径。

3 实际天线调整
    BPM短波授时5～15 MHz宽带全向天线的每个振子由11根导线组成，中心馈电间距小于等于0．4m，天线特性阻抗是300 Ω，锥顶角为18．77°，对应的扇面角为58°，图4中对应于5 MHz时VSWR≤1．7。符合图3中当馈电间距为0．4 m时VSWR≤2，当工作频率为10 MHz，15 MHz时天线驻波比VSWR≤1．5。

    面对的问题是，在给定天线结构尺寸和工作频段的条件下，如何使馈线上的电压驻波比VSWR不大于某一计算值，且满足发射设备匹配的要求。
    按照计算仿真分析确定解决问题的基本思想为：根据地面上水平对称振子坐标原理整理完善天线场地地面，整理馈线和下引线馈笼，确保其对地对称放置，使其两馈笼φa，φb相同，满足zag=zbg。线栅扇锥结构的短波宽带全向天线是一个天线几何结构中对角度的依赖大于对长度依赖的典型应用。根据式(1)，式(3)中θ的分析和改变其值的测试，逐渐增大θ并使其接近原设计值，可在预设的宽带内使输入阻抗的电抗部分保持在较小，同时输入阻抗的实部变得对频率的改变不那么敏感。对5～15 MHz短波宽带全向天线进行了试验调整，使锥顶角满足θ=18．77°和对应的扇面角≤60°的目标，达到了降低低频端驻波比的目的。
    使用网络分析仪Agilent E5062A测量试验结果。Agilent E5062A测量了天线输入阻抗按图5连线。

    实测天线输入阻抗和驻波比如图6所示。调整后的参数见表3。

    经过调整后的短波宽带天线的低频端的输入阻抗、电压驻波比同未调整的状态(见表2)相比较有了明显的提高，优于图2～图4所示的仿真计算结果，可以满足发射设备工作匹配的要求。由于天线增益和天线方向图测试复杂，并受测试条件和时间的限制未能测量，是本次调整试验工作的一个不足。该天线架设在非完纯导电地平面上，如果能够通过对地平面的构建，预期天线指标还会有所改善。

4 结语
   双锥结构的短波宽带全向天线是一种性能较好的宽频带天线，在中、近距离的短波通信、广播等领域有着广泛的应用。本文所列方法可有效地改善天线性能指标，提升了系统工作的可靠性。同时也体会到应用现代数据计算方法，为使天线工程技术逐渐转向精细科学技术的发展提供了一个途径。
    本实验测量工作由授时中心和中电集团电波研究所的同志共同完成，对在完成本文过程中提供数据和资料的赵谦和BPM短波授时台工作人员表示致谢。