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1、宽带短波环形天线项目设计方案第一章 课题研究的背景及意义1.1 宽带短波环形天线的研究背景近几十年来，科学技术的飞速发展和人们生活日益现代化与社会化，对电子技术的应用提出了更高的要求。例如电视、广播、通信等业务，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且还要求设备宽带化、共用化。因此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为天线学科研究领域中的一个重要分支。在现代通信技术中，为了实现保密通信，消除干扰，将广泛应用多频段、多功能电台和宽带跳频电台，跳频速率越来越高，跳频范围也越来越宽。原有的窄带天线已无法满足要求，即使可调谐天线也无法满足快速的跳频速率。同时，在移
2、动平台，狭小的空间内若密布多副天线，相互之间的干扰较为严重，影响通信质量，这也要求研制的天线能覆盖很宽的频段，有的甚至达到十几个倍频以上，使多个电台共用一副天线来减少天线数量，并且要求天线效率高，损耗小，能承受较大的发射功率等特点，从而保证通信质量。在这种背景下，天线的宽带化和小型化就成为天线研究中的一个重要课题，特别是工作在短波波段上的天线，由于工作频率低，天线的工作波长都比较长，天线的物理尺寸都比较小，而且采用环形集总加载的方法是比较方便和容易实现的，从而研发性能优良的宽带短波环形天线成为工程实现中亟待解决关键技术。1.2 课题研究的意义1.2.1 短波通信短波通信是历史最为久远的无线电通
3、信。它是战略通信网的重要组成部分。短波通信设备简单、机动灵活、成本低廉，可用较小的发射功率直接进行远距离通信。所以，在很长一段时期中，一直是重要的通信手段，特别是实现远距离通信的主要手段。由于卫星通信的出现和发展，使短波通信受到了较长时间的冷落。和卫星通信比较，短波信道是随机参量信道，稳定性和可靠性差，通信速率低。人们以为短波通信会被卫星通信取代。由此造成对短波通信投资的急剧减少和科研的削弱。连美军1976年制定的综合战术通信计划中，仅把短波通信列为补充和备用手段。由于短波通信技术的进步，其可靠性、稳定性、通信质量与通信速率提高到新的水平。与卫星通信及有线通信相比，短波通信介质的电离层不易遭受
4、人为破坏。短波通信被重新确定了其重要的位置。美国重新把短波信道作为战略的和战术主干线和二级线路。在我国短波通信网是战略通信网之一。是战时作战指挥通信中的“杀手锏”之一，是和平时期防暴乱、抢险救灾的应急通信手段。短波通信有时甚至是唯一的通信手段。短波通信愈来愈受到重视。1、短波传播方式短波的基本传播途径有两种：地波（表面波）传播和天波传播。天波传播是短波通信的主要传输方式。（1）地波传播沿大地与空气的分界面传播的电波，叫地面波或表面波，简称地波。其传播途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于部份能量被大地吸收，很快减弱，波长越短，减弱越快，因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可靠性高
5、。通常，超长波、长波、中波无线电通信，利用地波传播。（2）天波传播 天波是指由天线向高空辐射的电磁波受到天空电离层反射或折射后返回地面的无线电波。天波是短波的主要传播途径。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以多次反射，因而传播距离很远（可上万公里），而且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。随着无线电通信新技术的不断涌现，天波传播弱点对短波通信的影响，正在逐步被克服。2、短波通信盲区上面已介绍了地波和天波两种传播方式。一般来说，地波的传播距离可达2030公里，而天波从电离层第一次反射落地（第一跳）到发射点的最短距离约为
6、80100公里，从而20到100公里之间这一段，地波和天波都够不到，形成了短波通信的“寂静区”，也称为盲区。盲区内的通信大多是比较困难的。图1.1 短波天波通信跳跃距离与通信盲区示意图如图1.1所示，跳跃区：发射站与无线电波首次由电离层返回地面的地点之间的距离。盲区：在天波跳跃区内和地波传播极限之间有一段距离，短波信号经过电离层折射越过了此区，信号无法到达该区域，这段距离就是我们常说的短波通信盲区。1.2.2 短波天线 短波通信的方式和特点决定了短波通信天线的特殊性。（1）需克服短波通信的“盲区”解决通信盲区常用的方法：一是加大电台功率以延长地波传播距离；二是常用的有效方法就是选用高仰角天线，
7、也称“高射天线”或“喷泉天线”，缩短天波第一跳落地的距离。目前解决该盲区问题的最实用而且性能优良的的方法是对这一区域的通信采用近垂直入射天波（NVIS，Near Vertical Incidence SKY wave）通信方式。短波“近垂直入射天波”通信指：短波传播信号接近于垂直辐射，由电离层返回地面的短波信号正好可以覆盖整个跳跃区（见图示1.2）。 图1.2 近垂直入射天波传播特点示意图NVIS技术是试图在地波极限与第一跳距间的盲区中建立短波通信，其原理是在临界频率下以近乎垂直的仰角（600900）向上辐射水平极化电磁波，进而以大角度从电离层反射，使回波接近发射天线，入射仰角越高天波的落地距
8、离越短，如果入射仰角是垂直的（900），天波的落地距离近似为0，就不存在盲区。实践证明，地貌因素对NVIS通信几乎没有影响，同时还可以弥补复杂地面条件对短波地波造成的严重衰减。（2）需克服笨重的体积另一方面，由于天线设计与其工作波长的关系，使得短波波段的天线的尺寸与体积比较大，限制了天线应用的场合及灵活性。为解决天线尺寸及体积大、使用不灵活的问题，通常对天线进行加载设计：在天线结构上作适当改变，可以保持天线上的电流近似均匀分布，以满足所要求的电性能，通过天线加载亦可改变天线的方向性。由于天线上电流的总效应为各负载及激励源单独产生电流的线性叠加，通过对天线的加载，不仅极大地扩展了天线工作频带，而
9、且可以控制天线的方向性。另外采用环形集总加载的方法是比较方便和容易实现的。因此，研制和发展体积小、重量轻、安装和撤收均方便的宽带短波环形NVIS通信天线，对复杂地域通信以及军用通讯是非常有意义的。1.2.3 车载宽带短波NVIS半环鞭天线的意义在短波通信广泛应用的早期，人们就对短波通信盲区效应有了较为深入的认识，并致力于研究解决这一问题的NVIS天线。我军现有的NVIS天线装备以陆军配备的种类较为完整，在某种程度上能够解决短波中距离通信问题，但是同时也存在各自的缺陷。由于短波NVIS天线对于我军现代化的敏感因素，国外目前尚对我国禁运。同时，国内学术届对短波天线研制也未给予足够的重视，使我国在该
10、领域的技术水平与先进国家的距离不断加大。近年来，随着电磁场理论的发展，以及新技术新材料的采用，NVIS天线技术也获得了长足进步。深入研究表明：（1）近垂直入射天波（NVIS）天线与垂直极化天线互为补充从而实现无盲区覆盖，在短波战术通信系统中具有重要意义。（2）天线结构由线天线向环天线的变化是NVIS天线的发展趋势。分析表明，环天线具有结构紧凑可靠、建立通信快、盲区覆盖质量好等优点。（3）采用环形NVIS天线有利于通过采用新技术、新材料和新器件改善天线整体性能。这方面对于简化天馈设备、提高天线辐射和接受效率、以及应用于跳频通信等都是十分重要的，是当前装备发展的关键技术。然而，理论分析表明：工作在
11、230MHz短波波段的环形天线，其输入电阻很小，难与普通馈电线相匹配。所以NVIS天线研制需要突破的关键技术之一是：合理设计天线结构以便在整个工作频带内实现合理的阻抗特性分布和尽可能高的辐射效率。例如在车载短波通信领域，半环NVIS鞭天线是近年来发展起来的新型NVIS天线类型，其结构轻巧牢固、通过性好，天调智能化高、尺寸紧凑，系统响应快、鲁棒性好，能够在各种机动车辆上进行装备，同时它能在整个频带上提供接近理想的全向辐射，能够为机动部队短波语音及数据通信突破盲区、实现全天候中距离通信提供有效保障，实践证明车载环形天线的综合性能比传统车载鞭天线更加优越。美军NVIS天线通过全新结构和技术，已使环形
12、天线实现宽带通信能力，这对于实现NVIS跳频通信具有重要意义。随着我军现代化对于通信系统保障的要求的不断提高，建立连续的短波通信覆盖已成为当前紧迫的任务。车载宽带短波NVIS半环鞭天线的研制对于我军通信系统现代化建设具有广泛的实际需求背景和重要的实际意义。第二章 环形天线的宽带化和集总加载技术环形天线一般是电小天线，所谓电小天线是指天线的最大几何尺寸远小于工作波长的天线，根据H.A.Wheeler的定义，电小天线要求，其中是天线的最大尺寸，为与电磁场相关的波数。由于天线是一种转换导波能量为辐射波能量的或相反过程的器件，而这种过程是直接与工作的波长相关联的，所以天线尺寸的减小将影响天线的带宽、增
13、益、效率以及极化纯度等，而且电小天线也很不容易实现有效的馈电。正因为如此，在确定天线的性能时，天线尺寸往往比天线技术更为重要。长期以来，许多作者对天线的辐射性能与天线尺寸的关系进行了深入的研究，而且这种研究迄今还在继续。2.1 环形天线2.1.1天线的主要电性能指标（1）定向性 定向性几乎是天线最重要的参量，描述天线定向性的参数有方向图和方向系数等。 天线的方向图用来描述电（磁）场强度在空间的分布状况，它是三维立体图形。工程上常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图来表示天线的方向性，它们分别称为E面和H面的方向图。E面是平行于电场矢量的平面，H面是平行于磁场矢量的平面，也可以
14、令E面表示垂直于地平面的平面、而H面表示平行于地平面的平面来观测天线的方向性。描述天线方向图的参数有：主瓣宽度（或称半功率波瓣宽度）、副瓣电平（指副瓣中的最大值与最小值之比）、前后辐射比（指前向与后辐射场强之比）等。方向图最直观地反映了电磁场大小的空间分布。方向系数用来定量的说明天线辐射电磁波能量的集中程度。定义为：在总辐射功率相同的情况下，天线在其最大辐射方向上某处的场强的平方，与一无方向性的点源在相同处产生的场强的平方之比。数学表达式为： （2-1）式中，为天线归一化的方向函数。若天线的副瓣电平很小，工程上常用两主面的半功率波瓣宽度、来估算方向系数的值，即 （2-2） 天线的方向性越强，方
15、向系数越大。（2）效率天线的效率可以度量天线转换能量的有效性，它也是天线的重要指标之一。例如发射天线的效率定义为：天线的辐射功率与输入功率之比。若天线的效率小于1，天线输入功率一部分转化为辐射功率，一部分为消耗功率。其他损耗功率可包括有：天线系统的导线损耗、介质损耗、网络损耗以及天线支架、周围物体和大地中的电磁感应引起的损耗等等。一般电小天线的效率较低。（3）增益天线增益G是一个实际参量，该参量因天线或天线罩的欧姆损耗而小于定向性，增益与定向性之比是天线的效率，这种关系可表示为： （2-3）具体可表述天线增益为：天线输入功率相同的情况下，某天线在其最大辐射方向上的场强平方，与一理想的无方向性的电源在相同处产生的场强平方之比。（4）阻抗特性天线的输入阻抗是天线馈电点处的电压与电流之比，通常它是一个复阻抗，而且是频率的函数。对于某些天线如底馈鞭天线，由于它和周围环境有较强的电磁耦合，因此，其输入阻抗值除决定于天线自身的结构、电尺寸等因素外，还与设置的环境有关；而有些天线输入阻抗对馈电点的结构异常敏感；严格从理论上计算天线的输入阻抗是比较困难的，工程应用中一般都采用测量的方法确定。（5）频带宽度天线的频带宽度是指天线的主要电指标
