【正文】 。 集總加載對(duì)小環(huán)天線性能的影響 線天線的輸入阻抗或?qū)Ъ{和電流分布受到天線加載的很大影響,通過(guò)對(duì)線天線的加載,使天線上部分或全部呈現(xiàn)行波電流分布,不僅極大地?cái)U(kuò)展了天線工作頻帶,而且可以控制天線的方向性。 在各種關(guān)于加載天線的研究工作中,研究人員先后提出了分布加載和集總加載天線的理論方法和應(yīng)用。分布加載通常是由導(dǎo)電介質(zhì)按照一定規(guī)律涂敷到絕緣芯上形成無(wú)反射行波天線。而集總加載則是通過(guò)在天線上加載RLC集總電路元件來(lái)改變天線上電流分布的。對(duì)于工作在短波波段上的天線, 由于其工作頻率低, 天線的物理尺寸相對(duì)比較大, 采用集總加載的方法是比較方便和容易實(shí)現(xiàn)的,同時(shí)使天線具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,不易折斷損壞等。 下面以小環(huán)天線為例,簡(jiǎn)要介紹有關(guān)天線集總加載的知識(shí)。(1)電阻加載 ,可以使沿線電流近似行波分布,這不僅能夠提高天線的輸入阻抗,便于和饋線匹配,而且為單向輻射,并具有較好的寬頻帶特性。 根據(jù)傳輸線理論可知,若負(fù)載阻抗等于小環(huán)的平均特性阻抗,則加載圓環(huán)可看成是一行波天線,端接匹配負(fù)截的兩個(gè)半圓環(huán)起著向外輻射電磁波的作用。用類似計(jì)算對(duì)稱振子平均特性阻抗的方法,可以近似求出加載圓環(huán)天線的平均特性阻抗。 (26)上式在()較小時(shí)是足夠準(zhǔn)確的。若忽略沿線電流的衰減,加載圓環(huán)上行波電流分布的表示式為: (27) 電流環(huán)在遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)產(chǎn)生的矢位為 (28) 式中,為坐標(biāo)原點(diǎn)至觀察點(diǎn)的距離,有上標(biāo)“”表示源點(diǎn)坐標(biāo),無(wú)“”表示場(chǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。要注意到,由于線上電流的相位連續(xù)滯后,因而方向圖不具有軸對(duì)稱特點(diǎn),故為的函數(shù)。遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)為(29)將代入,即可求出環(huán)所在平面的方向圖。 當(dāng)計(jì)入電流衰減之后所得方向圖與不計(jì)電流衰減時(shí)的情況相差不大。加載小圓環(huán)天線,兩主平面方向圖均接近心臟形。 由于環(huán)內(nèi)接有負(fù)載電阻,故天線效率較低,當(dāng)天線電尺寸較小時(shí),效率可用下式估算: (210) 由上式可知:當(dāng)環(huán)的電尺寸一定時(shí),環(huán)的平均特性阻抗愈小,天線效率愈高,因此,增大環(huán)天線直徑可適當(dāng)提高加載環(huán)天線的效率。(2)電感加載 如果在半環(huán)天線的中部某點(diǎn)加入一定數(shù)值的感抗(),就可以適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)距離天線接地點(diǎn)之間的線段所呈現(xiàn)的電抗,從而改變加感點(diǎn)距離饋電點(diǎn)之間的電流分布,使環(huán)線上總電流均勻分布。它對(duì)加感點(diǎn)以上的電流分布作用不大。 分析加感點(diǎn)的電抗可知,在電感元件接入之前 (211) 由傳輸線理論近似估算得: (212) 式中為圖中b、c兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度,即加感點(diǎn)與接地點(diǎn)之間天線線段的長(zhǎng)度。在接入電感元件后有: (213) 式中是所加載的電感元件的電抗,為加感點(diǎn)與接地點(diǎn)之間天線線段的的折合長(zhǎng)度。顯然此時(shí)天線的有效長(zhǎng)度較加感前增大。 因此,合理選取加感點(diǎn)的位置以及加感值的大小,可以增加半環(huán)天線的有效長(zhǎng)度,并且使天線上電流達(dá)到較均勻分布。由于電感僅對(duì)加感點(diǎn)以下線段上的電流分布起較明顯的作用,如果采取在天線的中部加感以及在天線終端加負(fù)載電阻相結(jié)合的方式,可進(jìn)一步改善天線沿線電流分布、改變天線的等效長(zhǎng)度,從而改善天線的阻抗特性,提高輻射效率。 由小環(huán)天線加載實(shí)例分析可以看出,線天線集總加載可改變天線上電流分布,從而控制天線的輸入阻抗、增益、輻射特性等主要特性指標(biāo)。然而天線加載在拓寬天線頻帶的同時(shí)往往犧牲了天線的增益。因此需要綜合考慮加載對(duì)天線性能的影響,選取比較折中的加載方式使天線的綜合性能最優(yōu)。 第三章 寬帶短波環(huán)形天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 寬帶短波NVIS半環(huán)鞭天線的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是一種寬帶短波半環(huán)NVIS天線,該天線工作于短波波段(230MHz),具有全向輻射特性,通信距離可達(dá)01000km以上,除能夠提供有效的NVIS通信外,還具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、風(fēng)阻系數(shù)小、輪廓低以及雷達(dá)散射截面積小等性能,使得該天線很適合應(yīng)用作車載天線。 寬帶短波半環(huán)NVIS天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 、RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)、終端加載電阻,天調(diào)系統(tǒng),同軸線以及天線反射板。其中,RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)加載于金屬鞭狀半環(huán)的頂部中間。終端加載電阻其一端與金屬鞭狀半環(huán)鞭的終端固定連接,另一端與安裝金屬鞭狀半環(huán)的載體(反射板)通過(guò)螺紋固定連接,天調(diào)系統(tǒng)的輸出端與天線鞭的輸入端,天調(diào)系統(tǒng)的輸入端與同軸線的輸出端固定連接,實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的連通。從而,同軸線、天調(diào)系統(tǒng)、金屬鞭狀半環(huán)天線鞭、加載于天線鞭頂部中間的RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)、加載于天線鞭終端與反射板之間的終端加載電阻、以及承載天線的反射板(天線載體)共同構(gòu)成本天線系統(tǒng)。 ,回波損耗小,增益高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,除能夠提供有效的NVIS通信外,具有風(fēng)阻系數(shù)小、輪廓低以及雷達(dá)散射截面積小等性能,能夠更好地符合車載天線、特別是軍用車天線環(huán)境所考慮的重要因素。 寬帶短波NVIS半環(huán)鞭天線的原理 在我們所研究的區(qū)域之外,可以用假想的電荷或電流來(lái)代替原來(lái)的邊界,只要這些電荷或電流和區(qū)域中原有的電荷或電流產(chǎn)生的場(chǎng)滿足原來(lái)的邊界條件,則根據(jù)電磁場(chǎng)唯一性定理,兩種情況在所研究的空間中有相同的解。稱假想的電荷或電流為原有的電荷或電流的鏡像,稱這種處理方法為鏡像法。如果實(shí)際地面與理想情況差別較大,例如地面不是理想導(dǎo)電面或者金屬面不是無(wú)限大的平面,則應(yīng)對(duì)此作適當(dāng)修正。在理想導(dǎo)電平面上,一垂直放置的電基本振子,它輻射的是垂直極化波,當(dāng)光程相同時(shí),直射線和反射線的電場(chǎng)矢量是等幅同相的,故為正鏡像,亦即鏡像振子和實(shí)際振子上的電流是等幅同相的。反之,水平放置的一電基本振子,鏡像振子和實(shí)際振子的電流是等幅反相的,為負(fù)鏡像。傾斜放置的電基本振子的電流可看作是垂直電流與水平電流的疊加。而任意一線天線均可分成苦干首尾相接的電基本振子,因而可由每個(gè)電基本振子的鏡像得出整個(gè)天線的鏡像。對(duì)于垂直放置在理想導(dǎo)電面上的半環(huán)天線,有鏡像原理可等效為垂直放置的偶極振子天線。 車載半環(huán)鞭天線依據(jù)所配置的車輛大致可以分成履帶式和膠輪式兩類。根據(jù)鏡像原理,對(duì)于兩種半環(huán)天線配置,其工作原理可以看作垂直放置的單環(huán)天線和上下放置的雙環(huán)天線兩種情況。因?yàn)榈刃Лh(huán)天線半徑小于工作波長(zhǎng),因此可以用電小環(huán)天線輻射特性來(lái)估這種天線的輻射方向圖。典型電小環(huán)天線為一全向輻射天線,其H面方向圖為8字型,E面方向圖為圓形。在實(shí)際車輛加載的情況下,由于車輛尺寸有限及地面非理想導(dǎo)電,實(shí)際鏡像輻射方向略偏離垂直方向。 根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理,該天線為鞭狀半環(huán)結(jié)構(gòu),通過(guò)在天線半環(huán)頂部中央加載RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)以及在終端加載電阻來(lái)進(jìn)一部改善普通短波半環(huán)鞭天線上的電流分布,從而進(jìn)一步改善該種天線的輻射特性、阻抗特性等,大幅度提高天線的帶寬,以便在此基礎(chǔ)上采用天調(diào)匹配系統(tǒng)(其功能包括頻率檢測(cè)、天線駐波檢測(cè)、預(yù)調(diào)控制等),實(shí)現(xiàn)大幅度改善饋電點(diǎn)全頻段的阻抗特性,實(shí)現(xiàn)全頻帶匹配,最終構(gòu)成性能優(yōu)越的車載短波通信天線系統(tǒng)。 寬帶短波NVIS半環(huán)鞭天線設(shè)計(jì)方案 ,其中:1是金屬(如特種鋼)鞭狀半環(huán),被集中加載網(wǎng)絡(luò)2分成兩段,并通過(guò)集中加載網(wǎng)絡(luò)2固定連接實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的連通,其作為天線的輻射器向外輻射電磁波,需合理設(shè)計(jì)金屬鞭導(dǎo)體的截面直徑d及金屬鞭環(huán)的半徑D以實(shí)現(xiàn)最佳輻射效率及方向圖特性。2是RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)。RLC并聯(lián)等效網(wǎng)絡(luò)2固定加載在金屬鞭狀半環(huán)1的頂部中間,將金屬鞭狀半環(huán)分做兩段,并通過(guò)螺紋結(jié)構(gòu)分別與兩天線鞭臂固定連接,它的作用是改善未加載該RLC等效網(wǎng)絡(luò)時(shí)的鞭狀半環(huán)上的電流分布,從而改善未加載天線的輻射特性和阻抗特性。3是終端加載電阻,其一端與金屬鞭狀半環(huán)1的終端固定連接,另一端通過(guò)螺紋固定在反射板上(實(shí)際應(yīng)用中,反射板通常是汽車車頂板等),其作用是進(jìn)一步改善鞭狀半環(huán)上的電流分布,從而進(jìn)一步改善天線的輻射特性和阻抗特性。4天調(diào)系統(tǒng),是由阻抗變換器(可使用變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗變換)及LC串、并聯(lián)電路組成的匹配網(wǎng)絡(luò)以及控制開(kāi)關(guān)等組成的系統(tǒng),其輸出端與金屬鞭狀半環(huán)1的輸入端連接,輸入端與同軸線饋線5的輸出端固定連接,其作用協(xié)調(diào)饋電電纜輸出端口與天線輸入之間的關(guān)系,完成阻抗匹配,可以很大程度上提高發(fā)射效率,實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的有效傳輸。5是饋電電纜,此處采用同軸線饋電,其輸出端與天調(diào)系統(tǒng)4的輸入端固定連接,實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的連通。 電阻加載天線的優(yōu)點(diǎn)是工作頻帶寬,缺點(diǎn)是電阻吸收功率,使效率降低,特別是對(duì)