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          短波寬帶全向天線應(yīng)用研究

          作者: 時(shí)間:2013-04-17 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要:應(yīng)用數(shù)值分析法對(duì)授時(shí)系統(tǒng)——線柵型扇錐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和仿真。對(duì)不同導(dǎo)線根數(shù)、天線饋電間距和扇面角時(shí)的駐波比和增益的影響進(jìn)行了討論。結(jié)果指導(dǎo)調(diào)整了授時(shí)系統(tǒng),使其在5~15 MHz頻率上電壓駐波比小于1.5,達(dá)到了滿意授時(shí)效果的要求。
          關(guān)鍵詞:授時(shí);寬帶全向天線;線柵型扇錐結(jié)構(gòu);矩量法;VSWR

          0 引言
          國(guó)家授時(shí)中心BPM短波授時(shí)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(guó)地方協(xié)調(diào)時(shí)UTC1和世界時(shí)UTC(NTSC)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào),信號(hào)覆蓋半徑3 000 km,用戶時(shí)間同步精度為毫秒量級(jí)。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(shí)系統(tǒng)不間斷地發(fā)播并達(dá)到滿意授時(shí)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(duì)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(diǎn)
          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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/192819.htm

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          在短波波段,以比較小的尺寸實(shí)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(duì)稱水平天線,理論上具有任意寬的頻帶。
          實(shí)際應(yīng)用中的扇錐天線高頻受制于激勵(lì)區(qū)的幾何尺寸,低頻受制于錐體長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的錐頂角θ=18.77°,對(duì)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(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(dǎo)線的數(shù)量、線徑和線距、激勵(lì)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(gè)水平面由11根直徑為φ4銅包鋼導(dǎo)線組成,通過(guò)φ4銅線組成特性阻抗為300 Ω的平衡饋線饋電,饋線通過(guò)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(jìn)入機(jī)房由天線交換開(kāi)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(shí)的最大允許功率(單位:kW)為:
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          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(jì)算與分析
          BPM短波授時(shí)5~15 MHz寬帶全向天線為中饋形式。由于該天線架設(shè)時(shí)受天線場(chǎng)地地形的限制,天線的實(shí)際尺寸同比原設(shè)計(jì)尺寸有所縮減,詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

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          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(duì)天線作了1/4波長(zhǎng)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(cè)量天線輸入阻抗值、駐波比見(jiàn)表2。

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          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(zhǎng)度。表1中實(shí)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(dá)到滿意授時(shí)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(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析尋找解決問(wèn)題的有效途徑。
          對(duì)于有限長(zhǎng)雙錐天線已有文獻(xiàn)和書(shū)籍進(jìn)行了詳細(xì)的研究,由于扇錐結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的推導(dǎo)過(guò)于復(fù)雜,此處運(yùn)用矩量法來(lái)計(jì)算。在矩量法計(jì)算中,基函數(shù)的選取對(duì)于計(jì)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(jì)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(zhǎng)度,nj是該段中點(diǎn)的坐標(biāo);Aj,Bj,,Cj為三個(gè)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(shí)際天線電流,因而具有較快的收斂速度。

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