短波寬帶全向天線應用研究

摘要：應用數(shù)值分析法對短波授時系統(tǒng)——線柵型扇錐結構寬帶全向天線進行了分析和仿真。對不同導線根數(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。應用研究結果指導調整了短波授時系統(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。
關鍵詞：短波授時；寬帶全向天線；線柵型扇錐結構；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)調時UTC1和世界時UTC(NTSC)標準時間、標準頻率信號，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構的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)射設備必須滿足電波發(fā)射質量和高可靠性的要求外，關鍵的技術因素就是天線了。對寬帶天線的深入研究和應用，同發(fā)射設備保持良好的匹配是很有意義的工作。

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

在短波波段，以比較小的尺寸實現(xiàn)寬帶化較為理想的天線形式就是扇錐結構天線。扇錐天線在結構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連接到發(fā)射設備。
由于這種寬帶天線振子導線數(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為導線直徑(單位：mm)；w為饋線特性阻抗；n為每邊平行導線數(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。由于該天線架設時受天線場地地形的限制，天線的實際尺寸同比原設計尺寸有所縮減，詳細數(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)射設備的配合，5 MHz頻段不能滿足與發(fā)射設備的匹配，對天線作了1／4波長短截線匹配后，初步可以供發(fā)射設備應急使用。在阻抗轉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的研究，由于扇錐結構嚴格的推導過于復雜，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；Aj，Bj,，Cj為三個未知系數(shù)。線柵型扇錐結構天線采用圓柱狀導線，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。