双菱形天线.pdf

口 2 6 遥 遥控 第 l 3卷 2期 超 短波水平双 菱形天 线的设 计与安 装 j 妹季 康 于树 山 黄新建 f 一 一 浙江省水文总站 细 f 文摘 n 菱形 天鲢与八未 炙巍相比 在相 同发射 V l 率 下 由金华至杭 州点对 点 i l J i 其接 收 信 号 从 I pV提 高到 6 1 z V增 强 六倍 总 增 苴 达 到 2 5 d B 通 讯 距 岛从 1 3 5 k in 提 高 到 3 0 0 k in 是 一 种 高 增 苴 超 远 程 天 鲢 适 用 于 省 衄 水 利 防 fi t 气 摹 公安 等 部 门进 行 点 对 点超 短 波 频 段 的 远匝 岛通 讯 使 用 主 觚 堕学 诌 一锐 超短渡水平双菱形天线是 为 了改善从金 华北 山 中继站至杭州的防汛通 讯 中存在讯道 质量差的实际 问腰 参考 有关 天线理论 白 行设计 安装的 高增 益 超远程天线 一 工作原理 超 短波频段 使用的定 向天线 主要 是五 至 多单元的 八木 天线 它具有体积 小 结构 简单等优点 广泛用于电视接收 超短渡通 讯 但 八木 天 线 因其 刮瓣 较 大 增益 不 够 高 作用距离一般在 5 0 l O O k m左右 菱形天线属于短渡天线 但我们的试验表 明 它也可用于超短波频段 菱形天线进一步 改善方向性图 主波瓣更窄 它将发射机的有 限能量集中到某 方向 提高点对点通讯的信 号强度 水 平菱形天线可做成单层或双层 单 层 菱形天 线 其菱形边长是发射 中心频 率所 对 应渡 长 的若干倍 倍 数越 大 方 向性越 窄 增益越 高 但受场地面积的 限制 应 合理 选 择参数 使增益和场地 二者 兼顾 若将二个 同样 大小的单层菱形天线上下 相 隔一 定 距 离并 联 使 用 则 构成 双菱 形天 线 实测表 明 其增 益又几乎成倍增加 这 是因单菱形天线有 若干 较大的副瓣 它 占去 发射功 率约 6 0 的能 量 而 双 菱形天 线把 备副瓣的发射功率几乎 减 少了一半 同样的 占地面积 大大提 高了增 益 故实际使 用时 选用水平双层菱形天线 为佳 二 双菱形天线结构参数设计 结 构参 数主要 包括 天线 的结构 型式 菱形的边长 菱形长 短对角线距离 悬挂 高度和双层 间距等 2 1天线结构受式 由图 1可见 天线主体 由二个 平行的单 菱 形天 线 并 联 而成 在 远端 为终 端匹 配 电 阻 在 近端 从 天线 体 经 阻 抗 变换 由 5 O n 同轴电缆接 至发射机 在 整个 信号传输过程 中 应尽量做到 阻抗 匹配 z L 一 至芏射帆 圈 双 菱 形 天 鲢 结 构 型 式原 理 图 2 2 菱形边长 天线 的几何尺寸示 于图 2 维普资讯 1 9 9 2年 4月 噩一噩控 2 7 菱形天线的边长 应选取 发射 中心频率所 对应渡 长的 若干倍 在 场 地 许可 的情 况下 应 尽量大 田 2 菱形 几何 尺寸 田 V f 1 L一 2 其 中 分 别为 发 射 中心频率 和 对应 的渡长 a 为比例系数 为 了使菱形天线在设计频率上反向辐射 为最小 则应选择边长为渡长的 4奇数 倍 使 在反方 向上 有一个 零点 实 际选择 时 由附录 图 l 天线 长 鹰与 增 益 系数 关系 曲线 可 见 选 6井 考虑 4 的奇 数倍 实际取边长L 对于 菱形天线的长 短对角线匪离 D d 占地 面 积 s 上层县挂高 度 I l o 双层 间匪 l 下 层悬挂高度 H 等的结构参数计算 参见图 2 及表 1 式 中 b的 比例系数 应考虑合适 的悬挂高度 井 考虑 4的奇 数倍 实 际夸选6 2 C 的 比侧系数 一般选 C一0 8 l 夸 选 C 0 9 表 l 是双菱形 天线结构参数计算表 表 J菱形 天线叠 构参数计算表 编号 项 目 计算公式 计算结果 备注 f 1 5 9 4 M Hz 1 发射中心频率对应波长 V f 1 8 8 m 2 双菱形天线边长 L a a L 1 1 75 m D 2 Ls t n m 7 0 3 菱彩对角线长 短匪直 d 2 Lc os D 2 2 m d 8 m 4 占 地 面 积 D 4 4 S 1 5 6 m 5 上层 悬挂 高度 Hn b 工 6 双层 间距 I a HD 5 1 7 m C 0 9 I 1 7 m 7 下层 悬挂 高 度 H1 Ho I H 6 8 7 m 三 馈 电系统 的阻抗 匹配 当馈线与 天线 的阻抗匹配时 天线 呈行 渡状态 理想 状态天线无反射渡 能 量损失 最小 要求在工作频段 内 天线的行波 系数 不低 于 6 0 7 0 行 波系 数 高 发 射 的稳 定性 亦好 对于单一 频率 的阻抗匹配 天线 的阻 抗可 以不知 遭 为达 身高行 波 系数值 可溯量馈线上 的驻 波 井运用 多种 手段改善 维普资讯 2 8 谴潮遥控 第 l 3 卷 2 期 阻抗 匹配 以抑制馈线上 的反射 波 我 们 先 用 高 频双 孔磁 芯将 发 射 机 5 0 fl 同轴 电缆不 平衡输 出进 行不平衡一平 衡的阻 抗变换 再用指数线 匹配 网络 与天线体 闻进 行阻抗匹配变换 图 3 图 3阻 抗 匹 配 方 框 图 3 1不平衡一平衡的阻抗 变换 从 发射 机 的 5 O Q 同轴 电缆 不平衡 输 出 至天线体的平衡输入 二者间首先要进行不 平衡一 平衡 的阻抗变换 采 用 高频 双 孔 磁芯 绕 成 传 输线 变 压 器 可 实现不 平衡一 平 衡变换和 阻抗提 升的 双 重作用 具体结构示于 图 4 它 由两个双 线并绕的线圈在不平衡端相并联 在平衡端 相 串 联 而 成 阻 抗 变 化 比为 4 1 它 将 5 0 n 同轴 电缆 的不 平衡输 入提 升为 2 0 0 n平 衡输 出 这种变换 器 具有频 带宽 损耗 小 强度高 负载能力强等优点 由于体积小 重量轻 装在密封 盒内防潮防腐蚀 5 o r 同轴 电垃 不平 图 4不 平 衡 一平 衡 阻 抗 变换 器 系数 调节其节 数 使行波 系数在要 求范 围 内 实现传输 线变 压器 2 0 0 0 输出阻 抗与天 线体的阻抗 匹配 指数线结构示 于图 5 停 帼 堑压 嚣 街墒 m 图 j指 数 战 阻 抗 变挟 略 图 这 样从发射机 的 5 0 fl 同轴 电缆一传输线 变 压器一指 数 线匹配 网络一天 线 体 的信号 传 输 过程 中 较严格地 处理 了阻抗 匹配 问胚 保证 了发射 的稳定性 3 3终端 匹配 电阻 的选 择 为使天 线 呈行波 状态 除 上述措 施 外 还利用一终端负载电阻来吸收和消耗天线系 统 中投 有辐射 出去的剩余能量 此终端 电阻 必 须与天线的远端输 出阻抗 相匹配 在低 功 率下 将一个频率特性平直的电阻踌接在顶 点处二根边线之 间就可 以了 电阻的功 率应 能 经 受得起 雷 电感应的 强脉 冲和机 械冲 击 为此用五 只 2 W 3 K金属膜电阻并联 基本 匹 配 2 O 0 n 四 高 山避 雷场设 计 3 2 指数 线阻抗 匹配 网络 由传输 线变压器 2 0 0 n阻抗 的 平衡输出 与天 线体的 高阻抗相联 尚需进一步采取措 施进 行阻抗匹配 采用指数线匹 配网络进行阻抗变换具有 结构 简单 匹配方 便的优点 它 由四根导线 组成 垒 线各 处截 面的宽度处处相等 卜 下 并联 导线 之间的距离按指数律连续 变化 利 用不均 匀分布 参数的传输线特性实现阻抗变 换 选 取 合 适长 度和 宽 度的 指 数线 匹配 网 络 利用仪器测量天线在工作频段 上的驻波 由于该天线安 装在海拔 1千多米的高山 多雷地带 常年处 在云雾 山中 天线体 的占 地面积又 较大 除 要防雷外 还要 防高 山的 侧向雷 滚地 雷之类的低云层雷击 为此我 们采取 多种手 段进行综合防雷 具体 措施如 下 对 发生 F 天线顶 部的 顶雷 采用在 菱形天线的四个钢 立柱 支架 上安 装尖端避雷 针 通过粗铜线可 靠接 入地网 当避雷针离 地 高 1 0 m 时 由作 图可 知 其联 合 保护区 曲 面 最低 点 为 8 5 m 上 层 菱 形 天 线 高 约 7 m 故 整个 天线 体落 在 四个 尖端避 雷 针的 联台保护 区内 维普资讯 1 9 9 2年 4月 遥测遥控 2 9 对高山的侧向雷 滚地雷 则 在双 菱 形 天线 的外侧四个等距处各安装 四个 半高度 的侧向避雷针 基本与天线 同高 有效地吸 收 侧向雷击 利 用 4开路 线 跨 接在 传输 线与 发射 机连 接 处 对工 作 频段来 说 4为 开路线 信号不受影响 对 雷电频谱来说是 短路线 可吸收部分剩 余雷 电能量 增加 一 道安 全屏障 在 电台发射机房内接转换开关 j 发射 机不工作时 天线与机器断开 保护电台 地 网设 置由于高山雷 电强度大 各 避雷针必须可靠接 地 地网的接地电阻尽量 小 为此在地下 用钢 材设置接地网 限于篇 幅 有关避雷场保护范围 地网布局等从略 通过采 用 多种 防雷措施 方法得 当 使 天线使 用 多年来 从未遭受雷击破坏 经受时 间考验 保 证人机安全 五 安 装 问题 5 1天线 的定 位 由于双菱形天线具有 窄的方 向性 图 在 点对点通讯时 必须将 长对 角线方 向严格对 准接收方 向 从金 华至杭州 地 图与磁北方 向夹 角为 2 6 3 0 将 天线的 长对 角线按 此 方位用罗盘仪定位 5 2天线体材料 天线 由 1 9 0 5 2 ram 多股塑料铜 线 拉 成 上 下 平 行 的 双 菱 形 固定 于 预 浇 的 高 1 0 m 钢立杆 上 5 3支架的位置 以 菱形 四个顶 点 各向外延 伸 2 m 支架 与天线体 各顶点 中问以陶瓷绝缘 于隔 离 用 粗尼龙绳 或钢丝 索拉 紧 六 测 试 情 况 6 1 信 号 场 强 的 测 定 因受设 备条件限 制 用间接方法测定场 强 以三 台 事先 率 定 本 机灵 敏 度 曲线 的 电 台 在 杭州接收从金华北 山以五 元八 木天线 及双菱 形天线 二种不同天线进行 发射时的接 收 灵敏 度测 试 实测 结 果 当天线 不 发 射 时 接收 噪声 电平约 0 6 v 当用 八 木 天 线 发 射 时 信 号 场 强 为 1 v 当用 双 菱 形 天 线 发 射 时 信号 增加 到 6 u V 6 2天 线 的 增 益 天线的功率增益定 义为以 自由空间的半 渡振 子 比较 其 电 场强 度 增 大倍数 的平 方 数 即 G E E n 以分 贝表示为 GdB 1 0 1 g G 2 0 1 g E E 五元八木天线相对半 渡振 子电压增大倍 数 约 2 7 2 8 相 当 9 d B 双菱形 天线相对 五 元八 术 天 线 电压 增大 6倍 增加 增 益约 1 5 6 d B 故双菱形对 半渡 振子总功率增益约 2 5 d B 达到 l 高增益 6 3实际收昕效果 噪声 电平 实测 在 0 4 0 8 v 左右 对 八 木天 线 的 1 信号强 度而 言 信 号与 噪 声 相差不 多 信噪 比低 干扰严重 有时 信 号 被噪 声所 淹没影响正常工作 而双 菱形天 线 场 强 增加 到 6 v 已远离 噪 声 二者 相 差近l 0倍 信噪 比大 大 提 高 实 际 收 听 时 噪 声被 完垒 抑制 话 音 清晰 无杂 音 提 高 了讯道的通讯质量 6 4作 用距离试验 为测试双菱形 天线 究竟 能收 多远 我 们 曾沿金华一杭州 向北 的延 伸线 选 择几点进 行远距 离接收试验 实测 结果 见表 2所示 表 2 3 g 菱形 天 线 作 m距 离测 试值 直线 距 信号 场 序 导 起 迄 地点 离 k 强 1 金 华一 杭州 l 3 5 6 2 金华 瑚 州南 浔 2 0 5 3 2 3 金华一 苏 州东 山 2 4 0 2 4 金华一 常 熟虞 山 3 0 0 l 4 维普资讯 3 0 遥胡遥控 第 1 3卷 2期 在苏 州东 山 话音 清晰 在常 熟虞 山 虽噪声较大 但仍