自主研发的智能宽频段天线

sunday-12531

现有的无线电监测和测向天线，一直在沿用固定长度振子，或沿用以固定频段来分组的多层天线。这一做法存在种种缺陷:在同一监测塔上叠加很多组天线阵必然产生互耦;固定长度的天线还存在副瓣缺陷，影响测向的准确度;搬移式测向设备，人工调换天线振子很不方便，在北方冬季难以使用;天线振子的圆杆形状，对方向的选择性不强。这些缺陷必须加以克服，使测量手段向标准化方向迈进，才能卓有成效地开展工作。
为解决这一问题，我们开发了具有自主知识产权的“智能宽频段天线”（专利号:200420063950.0），现在介绍给大家，希望共同研究探讨。严格来说，当空间存在两个以上天线，其互耦作用就会改变单一天线原来的输入阻抗。尤其是在需要超宽频段的测向应用中，更是个不容忽视的问题。
定性分析表明，对于基本辐射单元（如电流元），其产生的电场为

当两天线振子间的距离d 很大时（kd>>1 或d>>λ /6),式（1）表明，互耦主要由第一项（辐射场部分）产生，此时，场的幅度很小，进而对单一天线原输入阻抗的影响很小（可以忽略）。当d 很小时，互耦将主要由式（1）中的第三项（近区场部分）产生，此时，场的幅度较大，进而对单一天线原输入阻抗影响较大。
智能宽频段天线技术介绍
无线电管理工作往往需要具有较宽频率段跨度、能够连续跟随频率变化、对单一频点呈标准天线、没有互耦和副瓣影响的理想天线。智能宽频段天线是在一副天线阵上，计算机自动进行连续宽频率段变换振子长度，可连续涵盖短波、超短波、微波各波段。它的结构是:振子与金属屏蔽管嵌套在一起，由绝缘支架支撑在金属屏蔽管内，天线振子与金属屏蔽管有一等宽间隔构成屏蔽阱。此间隔围绕天线振子均匀分布，特性阻抗一般选择50Ω，可按同轴线特性阻抗公式来求:

式中:do及di分别是外导体和内导体的直径。天线振子与金属屏蔽管构成屏蔽阱。
本发明面向的是无线电测向领域，天线的方向性极其重要。根据电磁波传播特性，接收天线的一个重要参数就是有效面积，表示天线接收电磁波的能力，它在面天线中应用甚广。垂直于来波方向的振子单位面积上通过的来波功率密度为，接收天线传输给接收机的功率为PR，则接收天线的有效面积定义为

有效面积与增益的关系为:

式中G 为接收天线的增益。因而，对电波来波方向增加天线有效面积、减少次要方向的有效面积是解决天线方向性问题的关键。
如图1(a)所示，片状振子天线具有方向性。它的来波方向的天线有效面积，要远远大于它左右及次要方向的有效面积。所以，天线振子形状的本身就有择向功能。因而，它远远好于图1(b)中有效面积都相同的圆柱形振子天线。

图1 片状振子无线电波来波方向示意电波来波方向

天线振子的断面形状为弧形的金属薄钢片，它与调谐驱动带一同呈层叠螺旋结构，环绕在振子盒内的滑轮上。因其内部设置断面为弧形薄钢片而具有反向作用力，振子屏蔽盒的一端留有振子出口或另端有调谐驱动带出口。振子屏蔽盒与天线屏蔽盒留有间隔，特性阻抗可按带状线的特性阻抗公式计算:

本天线设置的屏蔽阱，其功能大大拓展频率高端的覆盖。由于振子长度的可调性，消除了天线产生的副瓣，在各频段上均是标准天线，大大提高了测向精度。
具体实施方式
片状振子组合成测向天线阵如图2所示。

屏蔽阱结构如图3所示，拉杆式天线、天线振子（图3 中1）与金属屏蔽管（图3中11）嵌套在一起构成屏蔽阱，设计成标准特性阻抗为50Ω的同轴传输线，使它在较宽的频率段中损耗最小、传输特性最好。我们常用的高频电缆，可以在很宽频段内传输电磁波信号。

图3 屏蔽阱结构

屏蔽阱的工作原理是:当天线振子（图3中1）全部缩回金属屏蔽管（图3 中11）内时，由于屏蔽管理阱的屏蔽限制，振子对任何电磁波都不谐振，不接收任何电磁波。因机械驱动力的作用，当天线振子从图3 中0 处伸出时，由于天线振子的长度超出了金属屏蔽管的屏蔽束缚，天线振子必然要对某一波长的频率谐振。天线谐振的频率数值随天线振子超出0 点的长度有密切的对应关系，天线振子的长度越长，谐振频率越低，反之越高。
因此，只要伸长或缩短天线振子，即可在超宽频段内改变天线的谐振频率，对任何频点均达到λ /4标准天线的最佳接收效果。利用屏蔽阱技术，可设计做成中波、短波、超短波至微波范围的更宽频段的可调谐天线。由计算机软件编程，按数学公式λ＝kc/f快速计算出某频率点的波长数值并迅速控制驱动机构，将天线振子调整到该频率λ/4 波长的长度，取得最佳天线增益。
屏蔽阱偶极子式天线工作原理如图4 所示，天线振子的断面形状为弧形金属薄钢片，它与调谐驱动带（图4 中6）一同呈层叠螺旋结构环绕在振子盒内的滑轮上，安装在振子机构屏蔽盒（图4 中2）内。因内部设有断面为弧形的薄钢片，与振子和调谐驱动带一端连接。在卷曲成圆环时，产生回绕内应力，可将金属片天线振子连同调谐驱动带一起收卷到振子机构屏蔽盒里。
调谐驱动带在驱动机构的驱动下，天线振子会伸长或缩短，可根据需要调整振子长度。振子机构屏蔽盒由绝缘支架（图4中8）固定。高频信号由同轴电缆（图4 中7）引出，送到接收机去。振子机构屏蔽盒的外壁与屏蔽阱的内壁距离可由无线电工程领域的带状传输线公式计算得出。振子机构屏蔽盒的一端留有振子出口或另有调谐驱动带出口。天线防护管（图4 中4）罩在振子外，具有绝缘保护功能。
当计算机发出调谐信号给智能控制器（图4 中10）时，驱动电机（图4 中5）带动蜗杆蜗轮减速器（图4 中13）转动，蜗轮的一端设置一个随动轮（图4 中9）随之转动，随动轮上固定缠绕的调谐驱动带被拉动。当随动轮向缠紧方向拉动调谐驱动带时，通过滑轮（图4中3）拉动振子作伸长运动。振子的顶端将伸出屏蔽阱口接收电波，伸出的长度决定了接收频率高、低。当随动轮释放调谐驱动带时，因振子机构屏蔽盒内的回绕内应力牵引，使得调谐驱动带经滑轮收回振子盒内，天线振子同时随同收回到振子机构屏蔽盒内。

图4 屏蔽阱偶极子式天线工作原理

断面为弧形的金属薄钢片式天线振子，对于电波的接收具有极强的方向性、选择性和抗干扰能力，在来波方向最近的振子面积最大、功率密度最大，而相对于它两侧面的振子面积最小、功率密度也小。同时振子的长度调整消除了天线副瓣的影响，大大提高了测向精度。

sunday-12531