短波寬帶全向天線(xiàn)應用研究

摘要：應用數值分析法對短波授時(shí)系統——線(xiàn)柵型扇錐結構寬帶全向天線(xiàn)進(jìn)行了分析和仿真。對不同導線(xiàn)根數、天線(xiàn)饋電間距和扇面角時(shí)寬帶全向天線(xiàn)的駐波比和增益的影響進(jìn)行了討論。應用研究結果指導調整了短波授時(shí)系統寬帶全向天線(xiàn)，使其在5～15 MHz頻率上電壓駐波比小于1．5，達到了滿(mǎn)意授時(shí)效果的要求。
關(guān)鍵詞：短波授時(shí)；寬帶全向天線(xiàn)；線(xiàn)柵型扇錐結構；矩量法；VSWR

0 引言
國家授時(shí)中心BPM短波授時(shí)系統每天24 h連續不斷地以4種頻率(2．5 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz)發(fā)播我國地方協(xié)調時(shí)UTC1和世界時(shí)UTC(NTSC)標準時(shí)間、標準頻率信號，信號覆蓋半徑3 000 km，用戶(hù)時(shí)間同步精度為毫秒量級。使用的天線(xiàn)有水平角籠天線(xiàn)和寬帶天線(xiàn)。寬帶天線(xiàn)采用線(xiàn)柵型扇錐結構的5～15 MHz短波全向天線(xiàn)。為了確保BPM短波授時(shí)系統不間斷地發(fā)播并達到滿(mǎn)意授時(shí)效果的要求，除發(fā)射設備必須滿(mǎn)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(xiàn)了。對寬帶天線(xiàn)的深入研究和應用，同發(fā)射設備保持良好的匹配是很有意義的工作。

1 天線(xiàn)形式特點(diǎn)
5～15 MHz短波寬帶全向天線(xiàn)采用線(xiàn)柵型扇錐結構，是一種典型的寬帶天線(xiàn)。該天線(xiàn)的結構形式，幾何尺寸如圖1所示。

在短波波段，以比較小的尺寸實(shí)現寬帶化較為理想的天線(xiàn)形式就是扇錐結構天線(xiàn)。扇錐天線(xiàn)在結構形式上屬于偶極對稱(chēng)水平天線(xiàn)，理論上具有任意寬的頻帶。
實(shí)際應用中的扇錐天線(xiàn)高頻受制于激勵區的幾何尺寸，低頻受制于錐體長(cháng)度。天線(xiàn)的特性阻抗z0為：
zin=zo=120lncot(θ／4) (1)
式中θ為錐頂角。該天線(xiàn)使用特性阻抗為300 θ平衡饋線(xiàn)饋電，天線(xiàn)的特性阻抗為300 Ω，對應的錐頂角θ=18．77°，對應的扇面角為58°。
在工程應用中均采用水平架設，一般不能制成錐籠形式而是以錐體展開(kāi)成扇錐的形狀，仍然可以保持特性阻抗不改變。通過(guò)合理地選擇扇錐的扇面角、錐頂角、導線(xiàn)的數量、線(xiàn)徑和線(xiàn)距、激勵區尺寸就可獲得需要的帶寬。
5～15 MHz短波寬帶全向天線(xiàn)的每個(gè)水平面由11根直徑為φ4銅包鋼導線(xiàn)組成，通過(guò)φ4銅線(xiàn)組成特性阻抗為300 Ω的平衡饋線(xiàn)饋電，饋線(xiàn)通過(guò)300 Ω／50 Ω寬帶平衡／不平衡轉換器，再由特性阻抗為50 Ω高頻電纜進(jìn)入機房由天線(xiàn)交換開(kāi)關(guān)連接到發(fā)射設備。
由于這種寬帶天線(xiàn)振子導線(xiàn)數目多，同水平角籠天線(xiàn)相比較能承受更高的功率。饋線(xiàn)在傳輸電話(huà)時(shí)的最大允許功率(單位：kW)為：

式中：d為導線(xiàn)直徑(單位：mm)；w為饋線(xiàn)特性阻抗；n為每邊平行導線(xiàn)數目；s為饋線(xiàn)上的駐波比。算出P=30～50 kW，取安全系數為3，即可承受10～17 kW的功率。

2 數據計算與分析
BPM短波授時(shí)5～15 MHz寬帶全向天線(xiàn)為中饋形式。由于該天線(xiàn)架設時(shí)受天線(xiàn)場(chǎng)地地形的限制，天線(xiàn)的實(shí)際尺寸同比原設計尺寸有所縮減，詳細數據見(jiàn)表1。

天線(xiàn)投入使用后，10 MHz，15 MHz頻段可以滿(mǎn)足與發(fā)射設備的配合，5 MHz頻段不能滿(mǎn)足與發(fā)射設備的匹配，對天線(xiàn)作了1／4波長(cháng)短截線(xiàn)匹配后，初步可以供發(fā)射設備應急使用。在阻抗轉換器不平衡端測量天線(xiàn)輸入阻抗值、駐波比見(jiàn)表2。

眾所周知，雙錐天線(xiàn)的阻抗決定于錐頂角，頻率范圍決定于振子線(xiàn)長(cháng)度。表1中實(shí)際安裝數據的變更，使該天線(xiàn)在低頻段的駐波比難以達到滿(mǎn)意授時(shí)效果的要求。為了滿(mǎn)足電波發(fā)射質(zhì)量和高可靠性的要求，亟待對此問(wèn)題進(jìn)行分析尋找解決問(wèn)題的有效途徑。
對于有限長(cháng)雙錐天線(xiàn)已有文獻和書(shū)籍進(jìn)行了詳細的研究，由于扇錐結構嚴格的推導過(guò)于復雜，此處運用矩量法來(lái)計算。在矩量法計算中，基函數的選取對于計算的速度及精度都有很大的影響，線(xiàn)柵型扇錐天線(xiàn)導線(xiàn)數量多，采用階梯函數為基函數收斂速度慢，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(shí)，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(cháng)度，nj是該段中點(diǎn)的坐標；Aj，Bj,，Cj為三個(gè)未知系數。線(xiàn)柵型扇錐結構天線(xiàn)采用圓柱狀導線(xiàn)，正弦插值基可以較好地逼近實(shí)際天線(xiàn)電流，因而具有較快的收斂速度。