牛亞飛，李振中

一種多塔中波天線的設(shè)計(jì)與仿真

牛亞飛，李振中

（中國(guó)人民解放軍92678部隊(duì)，天津 300220）

占地面積大、征地成本高、場(chǎng)地限制不好布設(shè)等問題一直嚴(yán)重制約中波天線的建設(shè)。為了減少中波天線占地面積，提高鐵塔的利用率，對(duì)天線布局和天饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究雙頻共塔匹配網(wǎng)絡(luò)、阻塞網(wǎng)絡(luò)和共址多塔天線輻射特性，給出三塔六頻率的解決方案。最后，通過(guò)仿真論證，給出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)、天線幾何結(jié)構(gòu)和輻射性能參數(shù)。

中波天線；雙頻共塔；共址

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的中波發(fā)射臺(tái)所處位置慢慢變?yōu)槭袇^(qū)，面臨搬遷和調(diào)整的任務(wù)。中波發(fā)射臺(tái)搬遷后，由于場(chǎng)地條件限制，征地費(fèi)用高，限制了中波臺(tái)的建設(shè)[1-3]。

因而通常需要多頻共塔、多塔共址，減少中波臺(tái)占地，提升鐵塔利用效率。多頻共塔、多塔共址面臨著不同塔不同頻率工作時(shí)的相互影響和干擾、不同頻率發(fā)射時(shí)的信號(hào)阻塞等問題[4-7]。本文對(duì)中波天線布局和天饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了三塔六頻率的雙頻共塔、匹配網(wǎng)絡(luò)和阻塞網(wǎng)絡(luò)，減少了中波天線占地面積，提高了鐵塔利用率。

1 單塔天線設(shè)計(jì)

1.1 天線模型選擇

塔型采用四邊形自立式鐵塔。自立式鐵塔優(yōu)點(diǎn)如下[8-10]：

1）取消底座絕緣、絕緣拉繩，大大節(jié)省占地面積，總體投資降低；

2）鐵塔是直流接地，有利于發(fā)射系統(tǒng)的防雷；

3）可以承受大功率，無(wú)需為大功率問題而采用大型底座絕緣子；

4）天線可多頻工作；

5）鐵塔可綜合利用，可在其上安裝FM和微波天線而不影響中波發(fā)射正常工作；

6）與拉線塔相比，發(fā)射臺(tái)整體規(guī)劃更簡(jiǎn)潔、美觀，沒有拉線，對(duì)周邊環(huán)境影響較小。

自立式鐵塔的仿真模型如圖1所示，塔高200 m，四邊形自立式鐵塔，底座邊長(zhǎng)為22 m，頂部邊長(zhǎng)為4 m，錐臺(tái)漸變結(jié)構(gòu)。錐臺(tái)邊的四根柱直徑0.4 m，“之”字型連接柱直徑0.2 m，饋電平臺(tái)高100.4 m，饋籠為12根直徑35 mm的銅包鋼芯絞線。地網(wǎng)半徑205 m，“之”字型每級(jí)間隔15 m。工作頻率為747 kHz。

圖1 200 m自立塔模型

1.2 地網(wǎng)仿真分析

自立塔建設(shè)的真實(shí)地網(wǎng)埋在土壤表面下0.3 m處，土壤相對(duì)介電常數(shù)為6，導(dǎo)電率為0.01 S/m，真實(shí)地網(wǎng)模型如圖2所示。通過(guò)仿真對(duì)比使用完美電導(dǎo)體（Perfect Electrical Conductor，PEC）地網(wǎng)和真實(shí)地網(wǎng)對(duì)天線性能的影響。PEC地網(wǎng)的模型如圖2所示，將PEC埋在土壤表面下0.3 m處。

圖2 模擬的真實(shí)地網(wǎng)模型

真實(shí)地網(wǎng)采用3 mm直徑的硬銅線，總共 120根均布，相鄰兩根夾角3°，線長(zhǎng)205 m，呈現(xiàn)輻射狀，埋地深度0.3 m，在最外圈使用圍線連接。

在744.5 kHz和747 kHz兩個(gè)頻率上，輸入阻抗對(duì)比如表1所示。

表1 兩種地網(wǎng)輸入阻抗對(duì)比

從表1可以看出，使用真實(shí)地網(wǎng)后，實(shí)部增加約0.3 Ω，變化率小于2.12%；虛部增加約0.7 Ω，變化率小于7.5%。虛部主要影響匹配網(wǎng)絡(luò)，由于天線帶寬較寬，網(wǎng)絡(luò)匹配可以實(shí)現(xiàn)。實(shí)部影響天線輻射性能，地網(wǎng)損耗使得天線損耗增加，但損耗增加值小于2.12%，損耗增加較小，性能分析和仿真計(jì)算時(shí)，可以使用PEC地網(wǎng)替換真實(shí)地網(wǎng)，減少網(wǎng)格量，節(jié)約仿真時(shí)間，加快分析速度。

1.3 地網(wǎng)深度優(yōu)化

不同地網(wǎng)深度對(duì)天線性能的影響也是需要探究的問題。采用真實(shí)地網(wǎng)模型，僅地網(wǎng)深度不同，其他參數(shù)一樣，對(duì)比地網(wǎng)埋地深度0.3 m和0.6 m情況下，天線性能的差異。

地網(wǎng)埋深不同情況下，在744.5 kHz和747 kHz兩個(gè)頻率上，輸入阻抗對(duì)比如表2所示。

表2 兩種地網(wǎng)輸入阻抗對(duì)比

從表2可以看出，地網(wǎng)埋深從0.3 m增加到 0.6 m時(shí)，實(shí)部增加約0.2 Ω，變化率小于1.41%；虛部減少了約0.6 Ω，變化率小于7.2%。地網(wǎng)埋深后，天線損耗增加，但損耗增加值小于1.41%，損耗增加較小。

單塔天線方向圖如圖3所示，最大輻射方向不在水平面，波束有一定上翹，這是因?yàn)镻EC地網(wǎng)為有限地。天線在水平面的全向輻射性能較好，水平面增益約為-0.12 dBi。

圖3 單塔天線方向圖

2 多塔天線設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

通過(guò)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)6個(gè)頻率，3個(gè)鐵塔共址建設(shè)的中波天線，每個(gè)鐵塔支持雙頻工作。鐵塔和頻率參數(shù)如下：

1）第一個(gè)塔，高度為140 m，工作頻率747 kHz、1 008 kHz；底座邊長(zhǎng)為19 m，頂部邊長(zhǎng)為4 m，錐臺(tái)漸變結(jié)構(gòu)。錐臺(tái)邊的4根柱直徑0.4 m，“之”字型連接柱直徑0.2 m，饋電平臺(tái)高度56 m，饋籠為12根直徑35 mm的銅包鋼芯絞線。地網(wǎng)半徑 200 m，“之”字型每級(jí)間隔15 m。

2）第二個(gè)塔，高度為120 m，工作頻率846 kHz、1 098 kHz；底座邊長(zhǎng)為18 m，頂部邊長(zhǎng)為4 m，錐臺(tái)漸變結(jié)構(gòu)。錐臺(tái)邊的4根柱直徑0.4 m，“之”字型連接柱直徑0.2 m，饋電平臺(tái)高度48 m，饋籠為12根直徑35 mm的銅包鋼芯絞線。地網(wǎng)半徑 155 m，“之”字型每級(jí)間隔15 m。

3）第三個(gè)塔，高度為100 m，工作頻率900 kHz、1 557 kHz；底座邊長(zhǎng)為17 m，頂部邊長(zhǎng)為4 m，錐臺(tái)漸變結(jié)構(gòu)。錐臺(tái)邊的4根柱直徑0.4 m，“之”字型連接柱直徑0.2 m，饋電平臺(tái)高度38 m，饋籠為12根直徑35 mm的銅包鋼芯絞線。地網(wǎng)半徑 125 m，“之”字型每級(jí)間隔15 m。

組成的三塔模型有兩種：一字型和三角型，分別如圖4（a）和（b）所示。

圖4 三塔一字型陣列和三角型陣列模型

兩種天線組陣仿真的阻抗特性如表3所示。從兩種陣列的輸入阻抗可以分析，頻率越高時(shí)，兩個(gè)陣列對(duì)應(yīng)的輸入阻抗差別越小，這是因?yàn)橥瑯游锢砭嚯x情況下，頻率越高對(duì)應(yīng)的電尺寸越大，互耦越小。

表3 天線阻抗對(duì)比表

2.2 方向圖

一字型和三角型陣列模型747 kHz的3D方向圖如圖5所示。

圖5 一字型陣和三角型陣747 kHz三維方向圖

一字型陣列水平面方向圖如圖6所示。

圖6 一字型陣列水平方向圖

三角型陣列水平面方向圖如圖7所示。

圖7 三角型陣列水平方向圖

對(duì)比分析兩種陣列，可以發(fā)現(xiàn)，一字型的陣列方向圖不圓度更好一些，這是因?yàn)槿切完嚵兄g的耦合更大。

2.3 匹配網(wǎng)絡(luò)及效率

從feko中導(dǎo)出一字型天線仿真的S參數(shù)，在先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）軟件中建模，使用DataItems工具中的S3P模型，導(dǎo)入 S參數(shù)并在天線端口加上對(duì)應(yīng)的匹配網(wǎng)絡(luò)。天線效率數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?和表5所示。

表4 一字型天線效率

表5 三角型陣天線效率

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了地網(wǎng)等效模型和地網(wǎng)深度對(duì)中波天線性能的影響，利用feko和ADS軟件仿真分析三塔共址天線不同布局方式的阻抗特性、方向圖、輻射效率等指標(biāo)，通過(guò)合理地調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，輻射效率均大于98%，中波臺(tái)站的建設(shè)可根據(jù)實(shí)際地形特點(diǎn)和覆蓋區(qū)域選擇合適的布局形式。

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Design and Simulation of Multi-Tower Medium Wave Antenna

NIU Yafei, LI Zhenzhong

The construction of medium wave antennas is seriously restricted by the problems of large area, high cost of land acquisition and poor layout of the site. In order to reduce the medium wave antenna area and to improve the utilization rate of the towers, the layout and the feed network of antenna are optimized. The double-frequency tower matching network, blocking network and colocation tower antenna radiation characteristics are studied, then the solution of three towers with six frequency is given. Finally, through simulation verification, the corresponding network, antenna performance parameters of the geometric structure and radiation are given.

Medium Wave Antenna; Dual-Frequency Tower; Co-Site

TN822.2

A

1674-7976-(2022)-06-442-06

2022-08-26。

牛亞飛（1986.01—），河北深州人，工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電導(dǎo)航授時(shí)。