移动式倒V扇锥天线设计

2014-09-20李金山

江苏科技信息 2014年13期

李金山

（中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南新乡 453003）

0 引言

倒V形扇锥天线是水平V形天线的一种变形，将水平V形对称振子天线的两臂改为扇锥面，并且架设于近地面，即成了倒V扇锥天线，这种天线能同时接收垂直极化波和水平极化波。倒V形扇锥天线具有工作带宽较宽、增益高、结构简单、移动性好、拆卸方便等特点。天线示意图如图1所示。

图1 天线示意图

1 天线设计

根据用户需求，本文设计的短波倒V形扇锥天线主要考虑天线的功率容量和机动快速架设等特点，由于用户要求的功率容量为5kW，同时还具备3人在不大于30min的时间内架设完成和在不大于20min内拆装完毕，所以从以下几个方面考虑设计。

1.1 天线结构形式

考虑到天线使用的环境条件、工作带宽（短波波段）的要求，天线面左右对称的两部分由7根直径为4的带皮铜绞线组成；中心馈电处使用车载液压升降杆升降，升降杆顶部装有匹配网络及阻抗变换器；升降杆最高8m（离地面最高10m），天线展宽48m。软件仿真倒V扇锥天线示意图如图2所示，天线计算结果如图3所示。

天线系统由天线面、支撑杆、配重、匹配电路及馈线等组成；考虑到天线的使用要求，天线面可采用软铜线制作；天线支撑杆采用液压升降杆的方式更便于收放。

1.2 馈线设计

为了使倒V扇锥天线适应机动化使用要求，天线匹配器采用放在地面、通过平行双线传输线的方式给天线进行馈电，平行双线间距D=0.04m，平行双线使用Φ4mm的铜绞线，并且采用聚四氟乙烯板作为支撑。

1.3 天线阻抗性能

取大地εr=30，σ=0.001s/m，计算得到相对50Ω的天线驻波比（见图 3）。

图2 天线仿真示意图

图3 天线驻波比（300归于50Ω阻抗变换）

天线阻抗变换器采用6∶1阻抗变换，阻抗变换器输出为L36电缆座，输入端采用两端口平衡端螺纹连接。

1.4 天线功率容量计算

1.4.1 平行馈电线的耐压与功率容量计算

利用聚四氟乙烯作绝缘支撑，平行馈电线间距为D=40mm，其特性阻抗为：

式中：D为双导线中心间距，d为导线直径Φ4mm，计算得到集合线（平行双导线）的特性阻抗为：Z0=359Ω。平行双导线的电压波腹点最大电场强度为：

d为平行双导线的直径（cm），Z0为双导线的特性阻抗，k为行波系数。将 Z0=359Ω，d=0.4cm，p=5kW，k=1（假定在完全匹配的情况下）代入上式得平行双导线的电压波腹点最大电场强度为：Emax=0.6kV/cm。可以看出，即使在潮湿空气的工作环境中，平行双导线的电压波腹点最大电场强度远小于潮湿空气临界场强值E0=1.2kV/cm，因此，平行双导线的功率容量满足设计指标要求。

1.4.2 天线面耐压与功率容量计算

按等效传输线理论，天线振子是由对称振子变形而成，对称振子可看成特殊的传输线，振子表面的最大场强为：

式中，W为振子的特性阻抗，d为振子直径，n为线数，va代表振子的等效电压有效值，Ed为临界场强的振幅，通常为6～8 kV/cm，这里取6 kV/cm。由以上公式计算可知，天线面采用7根Φ4铜绞线，跨度为48m时，完全可以满足功率容量要求。

2 通用性设计

2.1 可靠性设计

天线系统由天线、液压升降杆和匹配器等3大部分组成。其中天线面主要由结构件组成，结构件的可靠性随时间耗损而降低，它受自身重量、雨、雪、冰、风、湿度以及盐雾影响，随疲劳、老化、磨损、腐蚀等因素而降低，它的使用可靠性和使用寿命在结构设计上考虑天线的使用环境，使用期限及天线结构部件材料等因素而详细计算，并留有足够的安全系数，采取有效的保护措施以及定期维修维护保证其可靠性；液压升降杆由驱动部分电路及液压升降杆结构件组成，液压升降杆结构件采用和天线结构件相同的设计方案；驱动部分电路及天线匹配器由电子元器件、电路模块及电路板等构成，采用电子元器件可靠性理论来预计和分配其可靠性指标，优选出适应于该天线使用环境及使用期限的电子元器件，形成最终的天线组成单元。

2.2 电磁兼容性设计

此项内容仅针对液压升降杆控制部分进行。在整个设计中考虑屏蔽、隔离、接地，最大限度地断开电磁干扰的传输路径。元器件的位置和走线要合理布置，以尽量减少静电耦合。采取电磁信号防护措施进行控制部分的防护设计，选购元器件、电缆电源线、电机部件时，选取满足指标要求、辐射小、抗干扰能力强的部件，确保产品满足GJB151A和用户对电磁兼容性相关要求。