短波寬帶全向天線應(yīng)用研究

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(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)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(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。

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(jìn)入機(jī)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(dá)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(jìn)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(xiàn)和書籍進(jìn)行了詳細(xì)的研究，由于扇錐結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的推導(dǎo)過于復(fù)雜，此處運(yùn)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(diǎn)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。