陳水清 張 峰 陳 斌

（1.92665部隊 張家界 427200）（2.中國電波傳播研究所青島分所 青島 266107）（3.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

風(fēng)載荷對垂直對數(shù)周期天線電氣性能影響分析＊

陳水清1張 峰2陳 斌3

（1.92665部隊 張家界 427200）（2.中國電波傳播研究所青島分所 青島 266107）（3.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

基于矩量法，分析了軟結(jié)構(gòu)垂直對數(shù)周期天線在風(fēng)載荷作用下的性能。并結(jié)合工程實際對該種軟結(jié)構(gòu)天線在風(fēng)載荷下的阻抗特性、方向特性進行了詳細計算。論文的結(jié)果對相控陣天線、測向天線等對穩(wěn)定性、一致性等要求較高的天線陣列選型、設(shè)計具有一定的參考意義。

矩量法；垂直對數(shù)周期天線；風(fēng)載荷

Class NumberTN82

1 引言

垂直極化對數(shù)周期天線［1～4］是一種經(jīng)典寬頻帶天線。該種天線以寬頻帶，高增益等突出優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于偵收、通信等領(lǐng)域。近年來也常將該種天線組陣應(yīng)用于測向、相控陣等領(lǐng)域［5］。

在短波段的垂直極化對數(shù)周期天線工程［6～7］中，經(jīng)常使用不銹鋼絲繩、鋁絞線、軟銅線等軟結(jié)構(gòu)材料來制作振子以及輔助線。這種軟結(jié)構(gòu)天線相對于硬結(jié)構(gòu)天線而言在風(fēng)載荷下有較大的位移偏移。該位移可能對天線及系統(tǒng)性能造成不確定的影響。

本文基于矩量法［8～10］對風(fēng)載荷作用下軟結(jié)構(gòu)垂直極化對數(shù)周期天線的阻抗特性、方向特性進行定量分析計算，并與無風(fēng)狀態(tài)的天線性能進行對比，從而確定風(fēng)載荷對天線性能影響程度。

2 計算方法

本文將軟結(jié)構(gòu)垂直對數(shù)周期天線振子視為線性結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)計算振子形變結(jié)果，采用矩量法對天線進行聯(lián)合求解。

矩量法以線性空間理論為基礎(chǔ)，通過把未知函數(shù)展開成線性無關(guān)基函數(shù)的級數(shù)表達式并與適當(dāng)選擇的權(quán)函數(shù)求內(nèi)積的方法，把積分方程轉(zhuǎn)換成線性代數(shù)方程組，通過求矩陣元素和矩陣求逆方法最后得出未知函數(shù)解。

3 風(fēng)載荷下天線模型建立

軟結(jié)構(gòu)垂直對數(shù)周期天線主要由前后桅桿、拉線、振子組件、吊索組成，天線整體示意圖如圖1所示。在圖1中除天線振子是所需要的天線輻射體以外，其它均為天線結(jié)構(gòu)成形支撐部件。

圖1 垂直對數(shù)周期天線示意圖

選定天線電氣參數(shù)為首振子半臂長8m，τ＝0.9，σ＝0.075，振子個數(shù)為8個。天線工作頻率9MHz～16MHz。

建立天線計算模型如圖2所示。

圖2 垂直對數(shù)周期天線計算模型

經(jīng)結(jié)構(gòu)力學(xué)計算，天線各振子掛點掛高如表1所示。

表1 振子掛高表

根據(jù)文獻［11］，可以得到該天線在12級風(fēng)作用下振子掛點位移值如表2所示［11］。

圖3 振子等效示意圖

為了建模方便，本文將振子在風(fēng)載荷作用下的弧形變形簡化為等腰三角形變形。如圖3所示。

直線OJ為原始狀態(tài)下的單個天線振子，弧線OM為風(fēng)載荷下變形的天線振子，直線MN及ON為本文所取風(fēng)載荷作用下近似振子。

經(jīng)過上述簡化，可建立風(fēng)載荷下的軟結(jié)構(gòu)垂直對數(shù)周期天線近似模型進行計算。

表2 振子掛點偏移表

4 風(fēng)載荷下阻抗特性計算

模型建立后，采用MOM方法分別計算無風(fēng)狀態(tài)以及風(fēng)載荷狀態(tài)下天線的阻抗、駐波比特性如下：

圖4 阻抗實部對比圖

圖5 阻抗虛部對比圖

圖6 駐波比對比圖

從以上圖3～圖5可以看出，在有風(fēng)和無風(fēng)時天線阻抗特性僅有微小變化，反映在駐波比上僅有小于0.05的變化，基本不會對天線工作狀態(tài)造成影響。

5 風(fēng)載荷下方向特性計算

為更全面的分析風(fēng)載荷對天線的影響，本文在對數(shù)周期天線輻射方向遠場區(qū)虛擬一平面波照射對數(shù)周期天線，平面波來波方向取我們通常關(guān)心的天線垂直面方向圖方向。記錄對數(shù)周期天線上感應(yīng)的電壓幅度、相位值。

計算頻率分別設(shè)定為9MHz、12MHz、16MHz。計算結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 9MHz垂直面幅度方向圖

圖8 12MHz垂直面幅度方向圖

圖9 16MHz垂直面幅度方向圖

圖10 9MHz垂直面相位方向圖

圖11 12MHz垂直面相位方向圖

圖12 16MHz垂直面相位方向圖

從圖7～圖12可以看出在風(fēng)載荷作用下天線幅度響應(yīng)有一定變化，但并不顯著。天線相位響應(yīng)有較大變化，在低頻段最大變化量約10°。

在通常短波相控陣天線工程中，一般功率分配器、定向耦合器、移相網(wǎng)絡(luò)等單一部件相位一致性可以控制在1°～3°左右。顯然風(fēng)載荷造成的影響將遠遠超過這些設(shè)備的影響，成為不可忽視的重要影響因素。

本文計算的天線起始頻率為9MHz，最長振子掛高僅為10m。可以預(yù)見在3MHz開始的規(guī)模更大的偶極子對數(shù)周期天線中，天線振子更長，風(fēng)載荷造成的位移偏移很可能會更大，因此其相位影響也很可能更大。

6 結(jié)語

本文通過對軟結(jié)構(gòu)垂直對數(shù)周期天線進行分析，對風(fēng)載荷作用下的天線性能進行數(shù)值計算，針對所設(shè)定模型給出了定量數(shù)據(jù)結(jié)果。結(jié)果表明在12級風(fēng)載荷下天線阻抗特性以及幅度方向圖基本沒有太大影響。但是對于相位響應(yīng)則有約0°～10°影響。對比工程中其他設(shè)備相位一致性精度，認(rèn)為風(fēng)載荷對于測向陣、相控陣等對幅度相位響應(yīng)一致性、穩(wěn)定性要求較高的天線陣列性能具有重大影響，在天線工程中應(yīng)根據(jù)需要進行影響評估并采取針對性解決措施。

［1］廖飛，龍成友，熊俊卿.近地垂直對數(shù)周期天線的性能分析［J］.現(xiàn)代雷達，2008，7：91－94.

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Influence of Wind Load on the Electrical Performance of the Vertical LogPeriodic Antenna

CHEN Shuiqing1ZHANG Feng2CHEN Bin3
（1.No.92665Army of PLA，Zhangjiajie 427200）（2.China Research Institute of Radiowave Propagation Qingdao Branch，Qingdao 266107）（3.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

Based on the method of moments，the performance of the vertical log periodic antenna under wind load is analyzed.A detailed calculation of the antenna's impedance characteristics and directional characteristics under wind load is carried on.The data drawn from the calculation is of reference in the array and design of high stability and consistency modes of antenna，such as phased－array antennas and direction－finding antennas.

method of moments，vertical log－periodic antenna，wind load

TN82DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.020

2015年5月8日，

2015年6月27日

陳水清，男，工程師，研究方向：短波通信。張峰，男，碩士，工程師，研究方向：天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。陳斌，男，碩士，副教授，研究方向：無線通信。