摘要：應(yīng)用數(shù)值分析法對短波授時系統(tǒng)——線柵型扇錐結(jié)構(gòu)寬帶全向天線進行了分析和仿真。對不同導(dǎo)線根數(shù)、天線饋電間距和扇面角時寬帶全向天線的駐波比和增益的影響進行了討論。應(yīng)用研究結(jié)果指導(dǎo)調(diào)整了短波授時系統(tǒng)寬帶全向天線，使其在5～15 MHz頻率上電壓駐波比小于1．5，達到了滿意授時效果的要求。
關(guān)鍵詞：短波授時；寬帶全向天線；線柵型扇錐結(jié)構(gòu)；矩量法；VSWR
0 引言
國家授時中心BPM短波授時系統(tǒng)每天24 h連續(xù)不斷地以4種頻率(2．5 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz)發(fā)播我國地方協(xié)調(diào)時UTC1和世界時UTC(NTSC)標(biāo)準(zhǔn)時間、標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，信號覆蓋半徑3 000 km，用戶時間同步精度為毫秒量級。使用的天線有水平角籠天線和寬帶天線。寬帶天線采用線柵型扇錐結(jié)構(gòu)的5～15 MHz短波全向天線。為了確保BPM短波授時系統(tǒng)不間斷地發(fā)播并達到滿意授時效果的要求，除發(fā)射設(shè)備必須滿足電波發(fā)射質(zhì)量和高可靠性的要求外，關(guān)鍵的技術(shù)因素就是天線了。對寬帶天線的深入研究和應(yīng)用，同發(fā)射設(shè)備保持良好的匹配是很有意義的工作。
1 天線形式特點
5～15 MHz短波寬帶全向天線采用線柵型扇錐結(jié)構(gòu)，是一種典型的寬帶天線。該天線的結(jié)構(gòu)形式，幾何尺寸如圖1所示。
在短波波段，以比較小的尺寸實現(xiàn)寬帶化較為理想的天線形式就是扇錐結(jié)構(gòu)天線。扇錐天線在結(jié)構(gòu)形式上屬于偶極對稱水平天線，理論上具有任意寬的頻帶。
實際應(yīng)用中的扇錐天線高頻受制于激勵區(qū)的幾何尺寸，低頻受制于錐體長度。天線的特性阻抗z0為：
zin=zo=120lncot(θ／4) (1)
式中θ為錐頂角。該天線使用特性阻抗為300 θ平衡饋線饋電，天線的特性阻抗為300 Ω，對應(yīng)的錐頂角θ=18．77°，對應(yīng)的扇面角為58°。
在工程應(yīng)用中均采用水平架設(shè)，一般不能制成錐籠形式而是以錐體展開成扇錐的形狀，仍然可以保持特性阻抗不改變。通過合理地選擇扇錐的扇面角、錐頂角、導(dǎo)線的數(shù)量、線徑和線距、激勵區(qū)尺寸就可獲得需要的帶寬。
5～15 MHz短波寬帶全向天線的每個水平面由11根直徑為φ4銅包鋼導(dǎo)線組成，通過φ4銅線組成特性阻抗為300 Ω的平衡饋線饋電，饋線通過300 Ω／50 Ω寬帶平衡／不平衡轉(zhuǎn)換器，再由特性阻抗為50 Ω高頻電纜進入機房由天線交換開關(guān)連接到發(fā)射設(shè)備。
由于這種寬帶天線振子導(dǎo)線數(shù)目多，同水平角籠天線相比較能承受更高的功率。饋線在傳輸電話時的最大允許功率(單位：kW)為：
式中：d為導(dǎo)線直徑(單位：mm)；w為饋線特性阻抗；n為每邊平行導(dǎo)線數(shù)目；s為饋線上的駐波比。算出P=30～50 kW，取安全系數(shù)為3，即可承受10～17 kW的功率。
2 數(shù)據(jù)計算與分析
BPM短波授時5～15 MHz寬帶全向天線為中饋形式。由于該天線架設(shè)時受天線場地地形的限制，天線的實際尺寸同比原設(shè)計尺寸有所縮減，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。
天線投入使用后，10 MHz，15 MHz頻段可以滿足與發(fā)射設(shè)備的配合，5 MHz頻段不能滿足與發(fā)射設(shè)備的匹配，對天線作了1／4波長短截線匹配后，初步可以供發(fā)射設(shè)備應(yīng)急使用。在阻抗轉(zhuǎn)換器不平衡端測量天線輸入阻抗值、駐波比見表2。
眾所周知，雙錐天線的阻抗決定于錐頂角，頻率范圍決定于振子線長度。表1中實際安裝數(shù)據(jù)的變更，使該天線在低頻段的駐波比難以達到滿意授時效果的要求。為了滿足電波發(fā)射質(zhì)量和高可靠性的要求，亟待對此問題進行分析尋找解決問題的有效途徑。
對于有限長雙錐天線已有文獻和書籍進行了詳細(xì)的研究，由于扇錐結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的推導(dǎo)過于復(fù)雜，此處運用矩量法來計算。在矩量法計算中，基函數(shù)的選取對于計算的速度及精度都有很大的影響，線柵型扇錐天線導(dǎo)線數(shù)量多，采用階梯函數(shù)為基函數(shù)收斂速度慢，為收到較快的收斂效果，該計算采用了正弦插值基。采用正弦插值基時，第Nj電流可以用下式表示：
Ij(N)=Aj+Bjsink(n-nj)+Cjcosk(n-nj)，|n-nj<△j／2
式中：△j是第J段的長度，nj是該段中點的坐標(biāo)；Aj，Bj,，Cj為三個未知系數(shù)。線柵型扇錐結(jié)構(gòu)天線采用圓柱狀導(dǎo)線，正弦插值基可以較好地逼近實際天線電流，因而具有較快的收斂速度。
對采用線柵型扇錐結(jié)構(gòu)的天線的不同導(dǎo)線數(shù)量、饋電端間距、扇錐張角下天線電壓駐波比和增益進行仿真計算，數(shù)值計算表明：
(1)圖2顯示的是雙錐天線當(dāng)饋電端間距為某一固定值的條件下，在導(dǎo)線數(shù)量達到一定程度時，兩者性能相近。圖中選用9，15，21根導(dǎo)線，計算曲線表示當(dāng)導(dǎo)線數(shù)量大于9根以上(其中包括11根導(dǎo)線值)天線的增益基本相近。
(2)圖3顯示饋電端間距，即饋電處有限縫隙的選取對天線性能的影響，當(dāng)饋電間距為0．4 m時，駐波比明顯高，但饋電端間距為0．6 m，0．8 m時電壓駐波比偏低一些，相對而言間距選0．8 m駐波比更低。
(3)圖4說明天線扇面角的變化將會改變天線的阻抗特性，以至于對天線輸入阻抗及天線駐波比產(chǎn)生影響。
計算曲線說明對于有限長度的雙錐天線在一定的頻率范圍內(nèi)，不論在9～21根線之間怎樣選擇導(dǎo)線根數(shù)、中心饋電間距(0．4～0．8 m)和錐頂角(50°～90°)，當(dāng)工作頻率低于9 MHz頻率時，天線的駐波比VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)都是小于2，同時天線增益下降，追究其原因是天線熱損耗增加所致。理論上論述為對于有限長度的雙錐天線，當(dāng)恰好包圍該天線的半徑為h的虛構(gòu)的球面體內(nèi)，TEM波和錐體末端產(chǎn)生的高次模同時存在，這些高次模主要產(chǎn)生天線的電抗。錐末端引起反射而建立的駐波比導(dǎo)致復(fù)數(shù)的輸入阻抗。據(jù)此由傳輸線概念給出雙錐天線的輸入阻抗zi：
式中：r為錐體長度；β=2π／λ(λ為波長)；zin=zo=120ln cot(θ／4)，zm=Rm+jxm同天線工作狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)。對于不同的工作頻率，天線的輸入阻抗、駐波比、增益也不同。通過修改天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和與此有關(guān)的天線場地等，成為改善天線電氣指標(biāo)的一個有效途徑。
3 實際天線調(diào)整
BPM短波授時5～15 MHz寬帶全向天線的每個振子由11根導(dǎo)線組成，中心饋電間距小于等于0．4m，天線特性阻抗是300 Ω，錐頂角為18．77°，對應(yīng)的扇面角為58°，圖4中對應(yīng)于5 MHz時VSWR≤1．7。符合圖3中當(dāng)饋電間距為0．4 m時VSWR≤2，當(dāng)工作頻率為10 MHz，15 MHz時天線駐波比VSWR≤1．5。
面對的問題是，在給定天線結(jié)構(gòu)尺寸和工作頻段的條件下，如何使饋線上的電壓駐波比VSWR不大于某一計算值，且滿足發(fā)射設(shè)備匹配的要求。
按照計算仿真分析確定解決問題的基本思想為：根據(jù)地面上水平對稱振子坐標(biāo)原理整理完善天線場地地面，整理饋線和下引線饋籠，確保其對地對稱放置，使其兩饋籠φa，φb相同，滿足zag=zbg。線柵扇錐結(jié)構(gòu)的短波寬帶全向天線是一個天線幾何結(jié)構(gòu)中對角度的依賴大于對長度依賴的典型應(yīng)用。根據(jù)式(1)，式(3)中θ的分析和改變其值的測試，逐漸增大θ并使其接近原設(shè)計值，可在預(yù)設(shè)的寬帶內(nèi)使輸入阻抗的電抗部分保持在較小，同時輸入阻抗的實部變得對頻率的改變不那么敏感。對5～15 MHz短波寬帶全向天線進行了試驗調(diào)整，使錐頂角滿足θ=18．77°和對應(yīng)的扇面角≤60°的目標(biāo)，達到了降低低頻端駐波比的目的。
使用網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E5062A測量試驗結(jié)果。Agilent E5062A測量了天線輸入阻抗按圖5連線。
實測天線輸入阻抗和駐波比如圖6所示。調(diào)整后的參數(shù)見表3。
經(jīng)過調(diào)整后的短波寬帶天線的低頻端的輸入阻抗、電壓駐波比同未調(diào)整的狀態(tài)(見表2)相比較有了明顯的提高，優(yōu)于圖2～圖4所示的仿真計算結(jié)果，可以滿足發(fā)射設(shè)備工作匹配的要求。由于天線增益和天線方向圖測試復(fù)雜，并受測試條件和時間的限制未能測量，是本次調(diào)整試驗工作的一個不足。該天線架設(shè)在非完純導(dǎo)電地平面上，如果能夠通過對地平面的構(gòu)建，預(yù)期天線指標(biāo)還會有所改善。
4 結(jié)語
雙錐結(jié)構(gòu)的短波寬帶全向天線是一種性能較好的寬頻帶天線，在中、近距離的短波通信、廣播等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文所列方法可有效地改善天線性能指標(biāo)，提升了系統(tǒng)工作的可靠性。同時也體會到應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)據(jù)計算方法，為使天線工程技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向精細(xì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了一個途徑。
本實驗測量工作由授時中心和中電集團電波研究所的同志共同完成，對在完成本文過程中提供數(shù)據(jù)和資料的趙謙和BPM短波授時臺工作人員表示致謝。
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