張 明，鄧朝陽(yáng)，王 力，涂 帥

短波偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)設(shè)計(jì)及方向圖計(jì)算

張 明，鄧朝陽(yáng)，王 力，涂 帥

（91351部隊(duì)，遼寧興城 125106）

偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)是在偶極子簾幕天線(xiàn)的基礎(chǔ)之上增加了相位控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)相控陣天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了80o方位角的動(dòng)態(tài)通信覆蓋，有較好的通信性能，并對(duì)其方向圖進(jìn)行了理論仿真。最后通過(guò)比較雙菱形天線(xiàn)和偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)，證明了偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)的通信優(yōu)勢(shì)。

偶極子簾幕相控陣天線(xiàn) 相位控制 方向圖

0 引言

相控陣技術(shù)是通過(guò)控制各單元的相位、幅度來(lái)控制波束的掃描，為實(shí)現(xiàn)賦形波束及波束的無(wú)慣性?huà)呙杼峁┝思夹g(shù)支持。因此，相控陣技術(shù)在雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在通信方面，短波通信具有極其重要的戰(zhàn)略地位，短波相控陣天線(xiàn)可通過(guò)波束控制器來(lái)控制天線(xiàn)輻射波束指向，一個(gè)天線(xiàn)陣覆蓋較寬的通信扇面。在短波波段，偶極子簾幕形天線(xiàn)占地面積小，發(fā)射場(chǎng)型的變動(dòng)比較靈活，天線(xiàn)的輻射性能隨天線(xiàn)陣偶極子的層數(shù)和每層的半波振子數(shù)目的變化而改變，基于簾幕天線(xiàn)這種特性，本文設(shè)計(jì)了兩副偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)，覆蓋了10～30 MHz的通信波段范圍和80o的波束掃描范圍。

1 短波偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本節(jié)參考文獻(xiàn)的相位控制方法：通過(guò)改變信號(hào)的傳輸路徑來(lái)改變輸出信號(hào)的相位，并借鑒文獻(xiàn)的天線(xiàn)形式和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一副短波四元相控陣天線(xiàn)：偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)。這種相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)有兩種方案可供選擇：

1) 移相器工作在大功率發(fā)射機(jī)后面，先由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一個(gè)大功率短波射頻信號(hào)，然后通過(guò)移相器來(lái)改變大信號(hào)的相位，最后把經(jīng)過(guò)移相的信號(hào)送到天線(xiàn)；

2) 移相器工作在發(fā)射機(jī)前面，先將短波激勵(lì)器產(chǎn)生的小射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)移相器控制相位的變化，然后將經(jīng)過(guò)移相的小信號(hào)通過(guò)發(fā)射機(jī)進(jìn)行功率放大，最后把放大的信號(hào)送到天線(xiàn)。

這兩種設(shè)計(jì)方案的最大區(qū)別就是移相器的位置，第一種方案中的移相器必須滿(mǎn)足大功率工作要求，如果按照這種方案設(shè)計(jì)相控陣天線(xiàn)，首先要解決的是大功率短波移相器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文采用延遲線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì)短波大功率移相器，這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)相位沒(méi)有任何要求，它是通過(guò)移相器來(lái)控制信號(hào)相位變化的。第二種方案要求將發(fā)射機(jī)的功放和激勵(lì)器分離開(kāi)，而我國(guó)現(xiàn)役發(fā)信機(jī)裝備激勵(lì)器和射頻功放被安裝在同一個(gè)機(jī)柜中，因此必須對(duì)發(fā)信機(jī)進(jìn)行改裝。本文選擇了第一種天線(xiàn)設(shè)計(jì)方案。

為使天線(xiàn)陣能覆蓋10～30 MHz的頻率范圍，本文設(shè)計(jì)的簾幕天線(xiàn)陣的頻帶寬度約為1.73個(gè)倍頻程，低口頻率范圍為10～17.3 MHz，高口頻率范圍為17.3～30 MHz，選用兩副天線(xiàn)即可滿(mǎn)足10～30 MHz的頻率范圍要求。查閱參考文獻(xiàn)天線(xiàn)性能參數(shù)表（短波天線(xiàn)工程），低口天線(xiàn)型號(hào)選擇為HRS4/3/0.5，中心工作頻率為13.7 MHz，天線(xiàn)的駐波比小于1.5；高口天線(xiàn)型號(hào)選擇為HRS4/4/0.5，中心工作頻率為23.1 MHz，天線(xiàn)的駐波比小于1.5，這兩副天線(xiàn)的性能指標(biāo)均達(dá)到目標(biāo)要求。反射幕距離天線(xiàn)的水平距離為0/4,反射幕線(xiàn)間距設(shè)置為0.83 m，線(xiàn)直徑為4 mm。

2 短波偶極子簾幕天線(xiàn)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

下面以高口天線(xiàn)（HRS4/4/0.5偶極子簾幕天線(xiàn)）為例，來(lái)設(shè)計(jì)短波偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)波控系統(tǒng)。HRS4/4/0.5偶極子簾幕天線(xiàn)有一個(gè)把四列偶極子分別連接到一個(gè)單一輸入端的饋電系統(tǒng)。采用大信號(hào)移相方案，移相器采用大功率延遲線(xiàn)，天線(xiàn)系統(tǒng)的連接如圖1所示。它的饋電系統(tǒng)由功分器和移相器組成，而移相器由一組同軸電纜延遲線(xiàn)和一個(gè)射頻交換設(shè)備組成，射頻交換設(shè)備可以將延遲線(xiàn)插入各列天線(xiàn)的饋電點(diǎn)（圖1中的圓圈表示饋電點(diǎn)），或?qū)⒀舆t線(xiàn)從各列天線(xiàn)的饋電點(diǎn)移出，實(shí)現(xiàn)對(duì)各列天線(xiàn)饋電相位的控制。當(dāng)從天線(xiàn)陣輸入端到第1、第2、第3和第4列偶極子饋電點(diǎn)的傳輸線(xiàn)總長(zhǎng)度1、2、3和4長(zhǎng)度相同時(shí)，即1=2=3=4=0，則天線(xiàn)陣的波束指向天線(xiàn)陣的視軸方向，即垂直于偶極子陣平面的方向。

若要天線(xiàn)陣波束指向朝第1列偶極子方向偏轉(zhuǎn)，則從天線(xiàn)陣輸入端到4列偶極子饋電點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度被分別設(shè)置為：

注：L1、L2、L3和L4是輸入端到各天線(xiàn)根部的電纜長(zhǎng)度

注：q為水平偏轉(zhuǎn)角

3 短波偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)的方向圖

下面計(jì)算HRS4/3/0.5和HRS4/4/0.5偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)波束無(wú)偏轉(zhuǎn)的歸一化方向圖。

1) HRS4/3/0.5偶極子簾幕陣天線(xiàn)在低口（10～17.3 MHz）頻段內(nèi)工作，中心工作頻率為13.7 MHz。天線(xiàn)陣為4列3行結(jié)構(gòu)，層與層之間的距離為0/2，水平線(xiàn)上振子中心的距離為0/2，以及最低層偶極子距離地面的高度也為0/2，其中0為中心工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。地面的介電常數(shù)為4，地面的導(dǎo)電率為0.01 mS/m，反射幕距離天線(xiàn)的水平距離為0/4，反射幕線(xiàn)間距為0.83 m，線(xiàn)直徑為4 mm。參考短波偶極子簾幕天線(xiàn)方向圖的計(jì)算公式和這些具體參數(shù)，計(jì)算了HRS4/3/0.5簾幕相控陣天線(xiàn)波束無(wú)偏轉(zhuǎn)情況下的方向圖，得到了其在低口頻段內(nèi)中心頻點(diǎn)和高低頻點(diǎn)的歸一化垂直面方向圖和水平面方向圖（三個(gè)頻率點(diǎn)分別為10 MHz、13.7 MHz、17.3 MHz），如圖3所示。

2) HRS4/4/0.5偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)為4列4行結(jié)構(gòu)，在高口（17.3～30 MHz）這個(gè)頻段內(nèi)工作，中心工作頻率為23.1 MHz。HRS4/4/0.5偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)的各個(gè)參數(shù)設(shè)置和HRS4/3/0.5偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)基本相同，只是在HRS4/3/0.5偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)的基礎(chǔ)上它的每一陣列的水平振子數(shù)目增加了一個(gè)，即每個(gè)天線(xiàn)列單元有四個(gè)水平振子垂直排列組成，其它天線(xiàn)電參數(shù)均保持不變。參考短波偶極子簾幕天線(xiàn)方向圖的計(jì)算公式和這些具體參數(shù)，計(jì)算了HRS4/4/0.5簾幕相控陣天線(xiàn)波束無(wú)偏轉(zhuǎn)情況下的方向圖，得到了其在低口頻段內(nèi)中心頻點(diǎn)和高低頻點(diǎn)的歸一化垂直面方向圖和水平面方向圖（三個(gè)頻率點(diǎn)分別為17.3 MHz、23.1 MHz、30 MHz），如圖4所示。

4 短波偶極子簾幕天線(xiàn)性能優(yōu)勢(shì)分析

目前，大型短波通信臺(tái)站的遠(yuǎn)距離發(fā)信天線(xiàn)主要采用菱形天線(xiàn)。它由固定在四個(gè)高度相同的桅桿上且構(gòu)成一個(gè)菱形形狀的兩條金屬線(xiàn)組成，在長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)的一端饋電，另一端接匹配電阻，天線(xiàn)電流呈行波狀態(tài)，阻抗帶寬很寬，增益很高。雙菱形天線(xiàn)與HRS4/4/0.5偶極子簾幕天線(xiàn)陣主要電氣性能和占地面積見(jiàn)表1。

圖3 HRS4/3/0.5偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)水平波束無(wú)偏轉(zhuǎn)方向圖

表1 相控陣天線(xiàn)與雙菱形天線(xiàn)的主要電氣性能及占地面積

由這兩種天線(xiàn)對(duì)比圖表可以得到：

1) 偶極子簾幕天線(xiàn)陣與雙菱形天線(xiàn)的增益相差不多，因此在相同發(fā)射功率的條件下，這兩種天線(xiàn)的通信保障距離相當(dāng)。

2) 從波束寬度來(lái)看，雙菱形天線(xiàn)的水平波束寬度比偶極子簾幕天線(xiàn)陣的水平波束寬度窄很多，因此單副雙菱形天線(xiàn)的通信保障扇面比偶極子簾幕天線(xiàn)陣小很多，需要很多副雙菱形天線(xiàn)才能對(duì)一個(gè)較大的通信扇面進(jìn)行有效的覆蓋。而偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)可以對(duì)水平波束的指向進(jìn)行電控，實(shí)現(xiàn)較大扇面的通信覆蓋。

3) 由于雙菱形天線(xiàn)的副瓣多且電平較高，所以盡管雙菱形天線(xiàn)的主瓣窄，但增益并不比偶極子簾幕天線(xiàn)增益高。HRS4/4/0.5偶極子簾幕相控陣天線(xiàn)在其最低工作頻率工作時(shí)，方向圖主瓣偏轉(zhuǎn)30°時(shí)的最大增益值為15.5，并有較大的3dB主瓣寬度，雖然其工作頻帶相對(duì)于雙菱形天線(xiàn)要窄，但總體性能較雙菱形天線(xiàn)有較大優(yōu)勢(shì)。

4) 偶極子簾幕天線(xiàn)陣占地面積遠(yuǎn)小于雙菱形天線(xiàn)的占地面積。

5 結(jié)論

短波偶極子簾幕相控陣陣天線(xiàn)是在短波偶極子簾幕天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，增加移相分系統(tǒng)，控制垂直方向排列的子陣的饋電相位，可以實(shí)現(xiàn)水平面（方位角度量）內(nèi)主瓣的偏轉(zhuǎn)，從而擴(kuò)大通信覆蓋區(qū)域。HRS4/3/0.5和HRS4/4/0.5偶極子簾幕天線(xiàn)方位角波束主瓣寬度典型值為24°，通過(guò)對(duì)饋電相位控制，計(jì)算得到相位步進(jìn)量30°、60°和90°分別實(shí)現(xiàn)約10°、20°和30°波束指向偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信覆蓋范圍達(dá)80°以上。

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Design and Pattern Calculation of Short Wave Dipole Curtain Phased Array Antenna

Zhang Ming, Deng Chaoyang, Wang Li, Tu Shuai

(The Army of 91351, Xingcheng 125106, Liaoning, China)

TN821

A

1003-4862（2019）08-0047-04

2019-01-15

張明（1984-），男，工程師。E-mail：317450303@qq.com