一種新型的電離層短波探測發(fā)射天線

1、一種新型的電離層短波探測發(fā)射天線:Anewtypeof3MHz30MHzbroadbandshort-waveantenna，whichisappliedtotheionosphereshort-wavedetectionsystemtolaunchtheionospheredetectionsignal.Theworkingprincipleoftheionosphereshort-wavedetectionsystemisoutlined.Thetechnicalrequirementsofthetransmittingantennaintheionosphereshort-wavedet

2、ectionsystemareintroduced.Thetechnologydefectsofthecurrentionosphericshort-wavetransmittingantennausedinthedetectionsystemareanalyzed.Throughmodelingandsimulation，thetechnicalparametersoftheoldandthenewantennaarecompared，andcontrasttestisconductedinpracticalapplication.Thetestresultshowsthatthenewan

3、tennacanbettermeettherequirementoftransmittingantennaionosphereshort-wavedetectionsystem.0引言電離層具有時(shí)變、不均勻、各向異性、色散、吸收、雙折射及隨機(jī)等電磁特性，這些特性會(huì)引起無線電折射、吸收、閃爍、多徑效應(yīng)、極化旋轉(zhuǎn)、色散和多普勒頻移等變化，導(dǎo)致通信、導(dǎo)航、測量和遙感信息質(zhì)量的降低甚至失靈。因此對(duì)電離層電磁特性的研究和預(yù)報(bào)對(duì)人們的日常生活及軍事活動(dòng)有著十分重要的意義。而短波（3MHz-30MHz與電離層關(guān)系最為密切，為了保證HF頻段在相關(guān)領(lǐng)域的正常、可靠的應(yīng)用，各國紛紛創(chuàng)建了電離層探測觀測站，國際空間

4、環(huán)境服務(wù)組織（ISES）還專門從事快速交換電離層探測數(shù)據(jù)，發(fā)布影響短波通信的電離層騷擾警報(bào)。短波天線作為電離層短波探測系統(tǒng)重要組成部分，對(duì)其的研究有著十分重要的意義。1 電離層短波探測系統(tǒng)原理及天線需求分析目前電離層短波探測系統(tǒng)主要有兩種模式，一種是垂直探測模式，另一種是斜向探測模式。無論哪種模式，均是采用發(fā)射機(jī)迅速發(fā)射3MHz-30MHz（部分探測系統(tǒng)頻率為1MHz-30MHz掃頻脈沖信號(hào)，探測接收機(jī)同步接收經(jīng)電離層反射后的信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。垂直探測系統(tǒng)中電波通過天線向天頂方向輻射回波主要分布在觀測站點(diǎn)附近區(qū)域，這種模式主要用于研究發(fā)射站點(diǎn)上空一定區(qū)域內(nèi)電離層對(duì)短波傳播的影響。斜向

5、探測系統(tǒng)中電波通過天線以一定仰角發(fā)射到遠(yuǎn)區(qū)電離層，反射波分布在遠(yuǎn)區(qū)，發(fā)射站接收站相距幾百至幾千公里，因此斜向探測可對(duì)數(shù)千公里范圍內(nèi)電離層進(jìn)行探測。兩種探測系統(tǒng)均需要通過天線向特定空域輻射電磁波，理論上兩種探測系統(tǒng)可分別配備收發(fā)天線。但在實(shí)際應(yīng)用中，受經(jīng)濟(jì)因素及場地條件的影響，通常共用發(fā)射天線。這就要求發(fā)射天線同時(shí)向天頂方向輻射及低仰角輻射輻射電磁波，天線的空間方向圖需覆蓋幾乎整個(gè)上半空間，或至少仰角范圍達(dá)到1590,同時(shí)在仰角為15。90。區(qū)域內(nèi)具備較高的增益。2 現(xiàn)有天線性能缺陷及解決方案目前在電離層探測系統(tǒng)中所選用的發(fā)射天線為三角形天線也稱天線，如圖1所示。該天線年具備較寬阻抗帶寬，方向圖

6、覆蓋范圍寬廣等特點(diǎn)，但其也存在著一定的技術(shù)缺陷，主要表現(xiàn)為三角形天線的空間方向圖有裂瓣且零深較高。方向圖裂瓣導(dǎo)致電離層探測系統(tǒng)輻射出去的電磁波無法到達(dá)某些區(qū)域，特別是在斜向探測系統(tǒng)中的影響尤為明顯，斜測探測出現(xiàn)探測盲區(qū)。該問題可通過增加天線的數(shù)量，即通過在不同站點(diǎn)架設(shè)多付三角形天線組網(wǎng)解決，但其經(jīng)濟(jì)成本較高。針對(duì)該現(xiàn)象，筆者提出了一種新型天線“飛魚對(duì)數(shù)周期天線”，如圖2所示。該天線幕垂直地面放置，振子與地面構(gòu)成一定的傾角，高頻端沖向地面，利用地面的反射，可向空間輻射寬波瓣方向圖，其方向圖可以很好地覆蓋仰角1590的空域，且該空域內(nèi)方向圖無裂瓣。利用一付天線而不需要組網(wǎng)即可解決原有天線輻射盲區(qū)的

7、問題，這為上述問題提供了一種新的解決方法。（圖2）3天線建模分析筆者將依據(jù)電離層短波探測工程應(yīng)用為背景，分別對(duì)兩種天線進(jìn)行建模分析，并對(duì)兩種類型天線的阻抗特性、方向圖特性及增益等性能進(jìn)行對(duì)比。1.1 建模軟件對(duì)線天線電氣性能的分析可以采用矩量法編程據(jù)算，即將天線分解成許多直線小線段，對(duì)每一小段中由射頻電流產(chǎn)生的場以及由其它小段互耦和產(chǎn)生的場進(jìn)行計(jì)算，然后將所有線段產(chǎn)生的場進(jìn)行矢量相加便可得到線天線的空間場分布。進(jìn)行編程計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮地面的影響，對(duì)大地電導(dǎo)率及介電常數(shù)進(jìn)行合理賦值。直接使用基礎(chǔ)語言編程計(jì)算是一件較復(fù)雜的工作，而計(jì)算機(jī)仿真軟件的發(fā)展使得這一工作變得簡單起來。目前較為流行的線天線仿

8、真軟件有RoyLewallen公司的NEC系列軟件，還有EMSS公司的FEK醞歹U軟件。FEK球件包含了豐富的高頻算法，如MOMFEMPQLargeelementPO、GOUTD等，其在電磁仿真分析方面表現(xiàn)較為突出。本文章中筆者在對(duì)兩種天線進(jìn)行建模仿真時(shí)，使用的軟件為FEKO5.5版本。1.2 三角形天線仿真三角形天線（天線）為行波天線，由兩片成類似形狀的輻射振子、匹配網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載及支撐鐵塔構(gòu)成，天線示意圖如圖1所示。其中ABAC部分為天線輻射體，分別由兩根導(dǎo)線組成，兩根導(dǎo)線在A端及B端相互連接，使用兩根導(dǎo)線可使得天線阻抗曲線相對(duì)平穩(wěn)，且可以承受更高功率。BO及CO為水平饋電線。三角形天線工作時(shí)

9、，高頻電流一部分通過輻射體轉(zhuǎn)換成電磁波向自由空間輻射，而未輻射部分被吸收負(fù)載所吸收。因?yàn)檩椛潴w為斜架設(shè)，因此三角形天線同時(shí)輻射水平極化波和垂直極化波。天線仿真參數(shù)：三角形天線為成熟的短波天線，其設(shè)計(jì)參數(shù)在許多天線教材中都有介紹。筆者進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時(shí)所使用設(shè)計(jì)參數(shù)為：頻率范圍為3MHz-30MHz天線架H=32m跨度L=903水平部分離地高度D=2m輻射導(dǎo)線直徑為4mm天線吸收負(fù)載R=600Q。天線仿真時(shí)應(yīng)充分考慮大地參數(shù)對(duì)天線電氣特性的影響，此處選取我國北方典型地貌的地參數(shù)，介電常數(shù)=13,電導(dǎo)率（t=0.005。天線建模如圖3所示。仿真結(jié)果：阻抗特性。三角形天線的阻抗仿真結(jié)果如圖4所示，采用9

10、00：50的阻抗變換后，得到的天線駐波曲線如圖5所示，從圖上可以看出，三角形天線的駐波比大部分小于2.5,個(gè)別點(diǎn)VSWR3o而在工程應(yīng)用中三角形天線作為發(fā)射使用時(shí)駐波比指標(biāo)一般為VSWR2.5,作為接收使用時(shí)VSWR3。方向圖。三角形天線方向圖如圖6所示。1.3 飛魚天線仿真飛魚對(duì)數(shù)周期天線由天線幕、天線幕支架等組成，飛魚天線輻射振子與集合線成一定夾角，振子長度及夾角按照特定參數(shù)變化。天線高頻端沖向地面，天線輻射經(jīng)過地面反射到上半空間，從而產(chǎn)生全向且仰角范圍較廣的方向圖。天線仿真時(shí)筆者根據(jù)工程應(yīng)用中的技術(shù)要求，精心設(shè)計(jì)了一組飛魚天線參數(shù)：振子數(shù)量為17對(duì)，天線架高32m,跨度70m,天線工作頻

11、率3MHz-30MHz天線仿真時(shí)大地參數(shù)與天線一致，飛魚天線電氣模型如圖7所示。仿真結(jié)果：阻抗特性。飛魚天線的阻抗特性在3MHz-30MH領(lǐng)帶內(nèi)比較平穩(wěn)，阻抗實(shí)部在100300Q區(qū)間變化，虛部在-100100Q區(qū)間變化，天線阻抗特性如圖8所示。方向圖如圖9所示。4 仿真結(jié)果對(duì)比4.1 阻抗三角形天線雖然屬于類行波天線，但由于工作頻帶較寬，在3MHz-30MHz的頻帶范圍內(nèi)，天線阻抗曲線起伏較大，匹配難度較大,從仿真結(jié)果可以看出三角形駐波比VSWR3o而飛魚對(duì)數(shù)周期天線輻射振子成周期變化，整個(gè)頻帶內(nèi)阻抗特性平穩(wěn)，天線匹配難度較小，天線駐波比VSWR2.5。4.2 方向圖從仿真結(jié)果可以看出兩種天線

12、的方向圖均為弱方向性，可以實(shí)現(xiàn)全向輻射。但三角形天線方向圖隨著頻率升高而產(chǎn)生裂瓣及零深，裂瓣零深的數(shù)量隨頻率升高而增加，裂瓣的產(chǎn)生將使得天線方向圖分布不均，而零深將導(dǎo)致天線出現(xiàn)輻射盲區(qū)。飛魚天線方向圖在高頻與低頻有所差異，主要表現(xiàn)在天線最大增益從天頂偏向低仰角方向，但增益下降幅度較小，不會(huì)產(chǎn)生裂瓣及零深，從而使得天線輻射無盲區(qū)，可以更好地覆蓋上半空間。4.3 增益天線的增益指標(biāo)直接影響著系統(tǒng)的靈敏度及觀測測范圍，筆者分別以90仰角（天頂方向），45仰角為例對(duì)兩種天線增益進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。從圖可以看出，在天定方向上，飛魚天線增益變化比較平穩(wěn)，而三角形天線增益變化較大。在天頂方向時(shí)，飛魚

13、天線增益在低頻段大于三角形天線，中頻段時(shí)兩種天線增益相當(dāng)，在高頻時(shí)較三角形天線略低；而在45仰角方向上，飛魚天線增益幾乎在全頻段均大于三角形天線。5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證從理論仿真結(jié)果可以看出，飛魚天線在阻抗、方向圖、增益方面的電氣性能均優(yōu)于三角形天線，為進(jìn)一步驗(yàn)證飛魚天線工程應(yīng)用情況，筆者及設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了斜測度量試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋喊l(fā)射站點(diǎn)設(shè)置在新鄉(xiāng)，接收站點(diǎn)分別位于北京、廣州、?？?、蘭州、重慶（如圖11所示），發(fā)射天線分別使用飛魚天線及三角天線，接收天線使用折合振子天線，通過數(shù)傳網(wǎng)路將各站點(diǎn)接收到的信號(hào)回傳至新鄉(xiāng)進(jìn)行度量對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，在5個(gè)觀測點(diǎn)中，除了?？谡驹趥€(gè)別時(shí)間段內(nèi)三角形天線的使用效果優(yōu)于飛魚天線，在其它時(shí)段所有站點(diǎn)飛魚天線的使用效果均優(yōu)于三角形天線。6 結(jié)束語由兩種天線仿真結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，三角形天線的波瓣寬度較窄，在1580空間上裂瓣較多，零深