CN101228662B - 工作在hf范围特别用于海军装备的宽带多功能天线 - Google Patents

Abstract

公开一种工作在HF频率范围特别用于海军通信的直线式天线，包括辐射布置(H1，H2，H3，W1，W2)，其适合于操作上与地导体(20)和至少一个电阻抗装置(Z1-Z4)相关联，包括一对带电导电支路(H1，H2)以及连接到地的返回导电支路(H3)，具有主要垂直的配置，其中每个带电支路通过对应的水平导电支路(W1，W2)连接到返回支路。

Description

工作在HF范围特别用于海军装备的宽带多功能天线

本发明涉及直线式天线，具体来说，涉及工作在HF频率范围的宽带直线式天线。

无线电通信系统领域的发展近来已经经历了基于无线电信号调制波形软件定义的“软件无线电”或“软件定义的无线电”技术的确立，在其中无线电通信系统的发射和接收装置分别通过计算机对信号进行调制和解调。

软件无线电技术基于由软件通信体系结构(SCA)定义的精确标准，并且适用于以多信道和多服务模式工作在频率范围从2MHz至3GHz(HF、VHF和UHF频带)的无线电通信系统。这种技术使得能够通过从其组件以同样严格方式进行标准化的库中进行检索来选择最适宜的调制波形。

在常规用于海军通信的HF频率范围(2MHz-30MHz)，存在已知的所谓“多信道”传输系统，它可用于通过使用单个天线或者减少数量的天线来组合多个传输信道。多信道系统借助于功率放大器构成，该功率放大器可单独分配给不同的服务或者分配给单个信道。

目前用于HF频带海军通信的天线不但必须满足工作在整个频带的频率范围的多个传输信道的要求，并允许接近地平线(表面波或海面波，例如高达大约500km)、超过地平线(BLOS，超视线，例如大约100km以上)和高仰角(ＮVIS，近垂直入射天波)的链路，而且还必须尽可能紧密，以便适合于船上海军设备的可用空间。

在目前海军通信系统中，这组要求通过使用具有不同配置并工作在具有不同频率的子频带的多个天线来满足。例如，“扇形”天线用于具有高仰角、频率范围从2MHz至8MHz的链路，而“双鞭形/三鞭形”天线用于频率范围从10MHz至30MHz的海面波和超地平线通信。

近来，已经提出了使用宽带HF天线，其由载有集总和/或分布阻抗的线性(导线)导体形成，具有“鞭形”天线的典型辐射模式。但是，这些天线不属于多功能类型，在某种意义上，尽管它们是宽带天线，但是它们也无法提供HF频带海军通信、换句话说海面波、天波(NVIS)和超地平线(BLOS)通信所需的所有功能性。

对于不同通信服务和模式，多个天线的共存不仅需要船上的大量空间、复杂的供电网络以及精心设计的控制系统，而且还具有产生干扰的缺点，这些干扰可使各个天线的预期性能降级。

最后，在不允许当前在现有技术中用于获得不同配置和辐射图的具有不同供电点的天线的软件无线电技术的新要求方面，使用宽带HF天线的常规解决方案遇到了难以克服的障碍。

本发明的目的是提供一种工作在HF频率范围的宽带多功能天线，它特别设计用于船上海军设备的固定装备，并且使得能够使用软件无线电技术构造用于海军通信的多功能灵活多信道无线电通信系统。

为此，本发明提出一种直线式天线。

后文中定义了具体实施例。

由于形成“双折叠”类型、即具有双重折叠设计的天线的辐射导线单元的特殊配置，以及由于建立多功能天线、或者说是可按照工作频率配置的天线的电阻抗装置的布置，本发明提出的天线克服了现有技术的天线系统的限制。

根据互易定理，天线的行为和特性保持不变，不管它用作接收还是发射天线，因此，在本说明书中，为了简洁起见，考虑发射天线的操作，某些特性的定义也参照此，但没有排除装置在接收方面的使用。

简言之，本发明提出的天线其特征在于：提供一对带电导电支路和连接到地导体(平面)的返回导电支路，具有主要垂直配置，其中各带电支路通过主要水平配置的对应导电支路与返回支路连接，以便形成共同具有一个或多个辐射单元的两个闭合嵌套共面通路。这样一种布置使得能够通过方便地选择天线的辐射单元来提供“环形”和“单极”类型的多个电流通路。

详细来说，能够获得代表低和中仰角的全向通信的“鞭形”天线的辐射模式、代表高仰角的通信的“环形”天线的辐射模式以及代表为了低和中仰角的通信而简化天线小型化的“曲折形”天线的辐射模式。

上述配置之一的选择自动发生，并取决于HF范围的不同频率子频带，且由于以集总恒定二维电路、优选为串联或并联谐振配置的二维LC电路的形式构成的电阻抗装置的行为而执行，该LC电路作为用于流入天线辐射单元的电流的带通或带阻滤波器。

电阻抗装置使得能够有选择地修改导电支路中不同频率的电流的流动(由此按照服务的类型)，同时用作沿天线分布的自适应电路。

有利的是，所提出的配置能够在不同仰角对于整个HF频率范围产生足够均匀的辐射，因此可合理地描述为多功能天线，因为同一个装置可同时用来覆盖HF频带的所有所需服务，换言之是较低频率(2MHz-4MHz)且用于短距离(高达150km)的海面波和近垂直电离层反射(NVIS)通信、低频(2MHz-7MHz)且用于高达500km距离的海面波和电离层反射通信、中频率(6MHz-15MHz)的中距离(1000/2000km)的电离层反射通信、最后是较高频率(15MHz-30MHz)的低和中仰角(5-30度)的通信，而无需天线或馈电电路的任何机械修改或重新配置。

有利的是，两端子阻抗电路是纯电抗两端子电路，使得不需要提供远离地平面的耗散系统。

本发明提出的天线可承受大约数千瓦的高传输功率。

它可用作以上定义的在整个HF频带上驻波比小于3∶1的多功能宽带天线，并且辐射效率在从2MHz至7MHz的频率范围小于50％，而在从7MHz至30MHz的频率范围大约为50-80％。

在参照附图作为实例而不是限制所提供的本发明一个实施例的以下详细描述中，更全面地公开了本发明的其它特性和优点。其中：

图1是本发明提出的天线的示意说明；

图2是图1天线的馈电电路的示意说明；以及

图3a-3f表示在HF频带中包含的不同频率的辐射图。

本发明提出的工作在HF频率范围(2MHz-30MHz)的宽带多功能天线总体由标号10表示。在图中，显示为用作发射天线的装备配置，连接到馈电单元12和地平面GND。

在本说明书的介绍部分提到，根据互易定理，天线的行为和特性保持不变，而不管它用作接收还是发射天线。纯粹作为说明而不是限制，说明书的以下部分将涉及发射天线的操作，只是为了以最清晰且最适当的方式来定义射频信号馈电电路的特性。

天线的总尺寸主要是垂直的，并且优选地安装在水平地平面例如船的表面上。

天线的辐射布置包括主要垂直延伸的导线辐射单元以及主要横向延伸的导线辐射单元，所有这些单元都是共面的。

主要垂直延伸的辐射单元形成与馈电单元12的对应端子连接的第一和第二垂直导电支路H1和H2以及与地平面GND连接的第三返回导电支路H3。

第一馈电导电支路H1和返回导电支路H3通过第一横向导电支路W1连接，并且形成馈电单元与地平面之间的第一闭合矩形通路P1。第二馈电导电支路H2经由第二横向导电支路W2在支路H3的中间点与返回导电支路H3连接，并且形成馈电单元与地平面之间的第二闭合矩形通路P2。

这样，天线的辐射布置的整个几何配置包括一对嵌套通路P1、P2，它们共同具有一部分返回导电支路H3，因此天线称作“双折叠”。

在当前优选的实施例中，天线的垂直总尺寸(换言之，导电支路H1和H3的高度)在HF频带的最大波长(在2MHz频率为150米)的大约8％与10％之间，并且优选为12米。

总水平尺寸在HF频带的最大波长(在2MHz频率为150米)的大约1％与2％之间，并且优选为2米。

垂直导电支路H2的高度在HF频带的最大波长的大约4％与5％之间，并且优选为6米，等于支路H1和H3高度的一半。

形成导电支路的辐射单元的直径为HF频带的最大波长的大约0.06％-0.07％，并且优选为0.1米。

适宜的是，横向导电支路W2的长度为0.8米，因此，内部矩形通路P2的边的尺寸大约为外部矩形通路P1的边的尺寸的一半。

电阻抗装置Z1、Z2和Z3沿导电支路H3插入，而另一个阻抗装置Z4沿横向导电支路W2插入。

优选地，阻抗装置Z1包括电抗两端子电路，诸如串联谐振LC电路，同时阻抗装置Z2、Z3和Z4各包括两端子电抗电路，诸如并联谐振LC电路。

阻抗装置的电参数是这样的以使它们形成集总滤波器电路，该电路适合于在HF频率范围的对应子频带中有选择地阻止电流沿它们所连接的导电支路的传播。

在优选实施例中，阻抗装置Z1、Z2和Z3分别设置在9米的高度，在地平面GND以上5米和3.4米，而阻抗装置Z4设置在距返回导电支路的垂直轴0.2米处。

在这里所述的示范实施例中，形成阻抗装置Z1-Z4的两端子LC电路的阻抗和电容的电参数具有如下值：

-两端子电路Z1(串联LC)具有0.21μH的电感分量以及17pF的电容分量；

-两端子电路Z2(并联LC)具有1.39μH的电感分量以及975pF的电容分量；

-两端子电路Z3(并联LC)具有2.36μH的电感分量以及32pF的电容分量；以及

-两端子电路Z4(并联LC)具有2.45μH的电感分量以及24pF的电容分量。

显然，本领域的技术人员能够脱离以上所述涉及当前优选实施例的设计数据，来提供比规定的更大或更小数量的阻抗装置，只要装置沿导电支路以这样的方式设置以便通过它们的滤波动作有选择地控制馈电支路H1和H2与地导体(平面)的耦合，更具体来说，以便交替或同时从地导体(平面)断开馈电支路。

馈电单元12包括信号自适应和分布电路，如图2所示的电路。

单元12操作上设置在天线的底座上，并电连接在天线的导电支路H1和H2与用于传送射频信号的传输线之间。

参照传输布置，馈电单元12具有经由传输线L诸如同轴电缆与射频信号源30耦合的输入IN以及一对输出端口OUT1、OUT2，其中天线的垂直导电支路H1和H2配备了绝缘体IS1和IS2。

馈电单元包括阻抗升压变压器T-具有预定比率n-参考地，一个端子与输入IN连接用于接收射频信号，而另一个端子与一对阻抗匹配电阻器R1、R2的公共节点连接，这两个电阻器又与输出端口OUT1和OUT2连接。

已经描述的馈电单元可封装在盒状金属容器40中，形成电屏蔽并与地平面GND连接。这形成输入传输线的50欧姆匹配单元。

优选地，电阻器R1和R2的电阻值分别为100欧姆和50欧姆，且阻抗变换比为4。

在操作方面，本发明提出的天线按照以下所述作用。

为了帮助理解，图3a-3f示出在平面(实线)和(虚线)上的不同频率的辐射图。

从外部源30发出并沿传输线L传送的射频信号被施加到阻抗变压器T上，并通过电阻器R1和R2分布在与天线的导电支路H1和H2连接的馈电单元12的两个输出OUT1和OUT2之间，该分布按照由阻抗装置的行为所确定的配置，随频率以及由此随天线所需功能的类型而变有选择地执行。

在低频，例如2-3MHz，优选在从2至4MHz的范围，阻抗装置Z1进行干预以阻止分支H1与地平面GND之间的电流流动，因此天线中的电流流过导电支路H1以及沿导电支路H2、导电支路W2和导电支路H3的下半部分流过内部闭合通路P2。因此，天线具有“曲折形”类型的偶极配置，它与具有高仰角的辐射的半环配置(通路P2)结合，有助于低和中仰角的全向辐射。在这种情况中，天线适合于海面波和NVIS通信。

图3a示出与理想单极的辐射图(形成对称瓣形的短折线)相比在2.5MHz频率的天线辐射图。

在4-10MHz范围，例如在5MHz，阻抗装置Z4阻止支路H2与地平面GND之间的电流流动，因此，天线中的电流主要沿包括导电支路H1、W1和H3的倒U形外部通路P1分布。因此，天线具有在方位平面中有全向辐射图的常规折叠单极配置以及为低和中仰角的最大值并且在垂直方向附近不可忽略的增益。图3b示出与理想单极的辐射图(形成对称瓣形的短折线)相比的对应辐射图。

在这种情况中，天线也适合于海面波和NVIS通信。

在中频(优选地在10MHz-20MHz范围)，阻抗装置Z2和Z3相结合以阻止导体H3的下部中的电流流动，因而建立非闭合“P”形电流通路，它包括导电支路H1、W1、H2、W2以及导电支路H3的上半部分。因此，天线的配置以及对应的辐射模式(图3c和图3d中的辐射图)与在低和中仰角具有全向辐射图的“鞭形”天线的相似，并且适合于海面波和BLOS通信。

最后，在较高频，天线具有图3e和图3f所示类型的辐射图以及在低辐射角的良好增益。

应当注意，以上论述中提出的本发明实施例纯粹是示例而不是限制。本领域的技术人员易于根据本发明的原理将本发明应用于不同的实施例。对于以下可能性情况特别如此：在相对于垂直方向倾斜的方向以这样的方式设置主要垂直的导电支路以便形成整体“A”配置，或者以例如弯曲形状的非直线支路形式来构成横向导电支路，以便增加天线结构的机械稳定性。

另外，并且同样为了给天线的整体结构提供更大的稳定性，同时将天线的所有辐射单元保持在单个平面中，这些单元不一定必须相对于地平面位于垂直平面，而是可设置在倾斜平面，必要时由撑杆或类似支撑结构来支撑。

显然，只要保持本发明的原理，应用的形式和构造的细节因此可大大不同于纯粹作为实例而不是限制进行描述和说明的，并不背离所附权利要求书定义的本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种工作在HF频率范围的直线式天线，包括辐射装置(H1,H2,H3,W1,W2)，所述辐射装置工作时与地导体(20)耦合，

其特征在于，所述辐射装置包括：

－垂直延伸的多个导线辐射单元，形成工作时耦合到射频信号馈电电路(12)的第一和第二导电支路(H1,H2)以及工作时耦合到地导体(20)的返回导电支路(H3)；以及

－横向延伸的一对导线辐射单元，形成用于将耦合到所述馈电电路(12)的所述导电支路(H1,H2)与耦合到所述地导体(20)的所述导电支路(H3)相连接的各个连接导电支路(W1,W2)，

所述辐射单元以这样的方式布置以便在所述天线位于的平面形成所述馈电电路(12)与所述地导体(20)之间的两个嵌套闭合通路(P1,P2)，所述通路共同具有至少一个辐射单元，以及

－多个电阻抗装置(Z1-Z4)，沿相应的导电支路(H1,H2,H3,W1,W2)插入，并且在对应的预定频率范围内以这样的方式阻止电流的流动，以便按照工作频率有选择地沿所述导电支路(H1,H2,H3,W1,W2)建立多个不同的电流通路，所述多个不同的电流通路对应于所述天线(10)的配置。

2.如权利要求1所述的天线，其中连接在一起的第一导电支路(H1)和所述返回导电支路(H3)形成第一外部闭合通路(P1)，并且连接在一起的第二导电支路(H2)和所述返回导电支路(H3)形成第二内部闭合通路(P2)，所述通路(P1,P2)共同具有至少一部分所述返回导电支路(H3)。

3.如权利要求1或2所述的天线，其中所述导电支路(H1,H2,H3, W1,W2)形成所述天线位于的垂直平面。

4.如权利要求3所述的天线，其中第一导电支路(H1)、第二导电支路(H2)和所述返回导电支路(H3)在垂直方向上相互平行地延伸。

5.如权利要求4所述的天线，其中所述连接导电支路(W1,W2)在上述垂直导电支路(H1,H2,H3)之间在水平方向上以这样的方式延伸以便形成两个嵌套闭合矩形通路(P1,P2)。

6.如权利要求5所述的天线，其中所述天线的垂直延伸在HF频带的最大波长的8%至10%的范围内。

7.如权利要求6所述的天线，其中所述天线的横向延伸在HF频带的最大波长的1%至2%的范围内。

8.如权利要求7所述的天线，其中所述内部矩形通路(P2)的边的尺寸是所述外部矩形通路(P1)的对应边的尺寸的一半。

9.如权利要求2、4至8中任一项所述的天线，其中所述电阻抗装置(Z1-Z4)是具有集总参数的两端子电抗电路。

10.如权利要求3所述的天线，其中所述电阻抗装置(Z1-Z4)是具有集总参数的两端子电抗电路。

11.如权利要求9所述的天线，其中所述两端子电抗电路包括并联谐振LC电路。

12.如权利要求9所述的天线，其中所述两端子电抗电路包括串联谐振LC电路。

13.如权利要求11所述的天线，其中所述两端子电抗电路包括串联谐振LC电路。

14.如权利要求9所述的天线，其中所述多个电阻抗装置(Z1-Z4)包括布置在所述外部通路(P1)上的第一电阻抗装置(Z1)，第一电阻抗装置的电参数的值使得它们在预定的第一频率范围阻止电流的流动，布置成在这个频率范围引起所述电流在第一导电支路(H1)中流动，且分开地，在与所述返回导电支路(H3)连接的第二导电支路(H2)中流动，使得所述天线采取偶极配置，其中所述第一电阻抗装置(Z1)不被插入所述外部通路（P1）与所述内部通路（P2）共同具有的返回导电支路中。

15.如权利要求14所述的天线，其中所述多个电阻抗装置(Z1-Z4)包括布置在除所述内部通路(P2)中的返回导电支路（H3）外的所述内部通路(P2)上的第二电阻抗装置(Z4)，第二电阻抗装置的电参数的值使得它们在预定的第二频率范围阻止电流的流动，布置成在这个频率范围建立包括与所述返回导电支路(H3)连接的第一导电支路(H1)的电流通路，使得所述天线采取折叠单极配置。

16.如权利要求15所述的天线，其中所述多个电阻抗装置(Z1-Z4)包括沿所述返回导电支路(H3)在两个通路(P1,P2)共同的部分布置的第三电阻抗装置(Z2, Z3)，第三电阻抗装置的电参数的值使得它们在预定的第三频率范围阻止电流的流动，布置成在这个频率范围建立包括相互连接的第一和第二导电支路(H1,H2)的电流通路，使得所述天线采取“鞭形”配置。

17.如权利要求16所述的天线，其中所述第一、第二和第三电阻抗装置(Z1，Z4，Z2和Z3)布置成形成用于所述天线各配置的分布式阻抗匹配电路。

18.如权利要求1或2所述的天线，包括与所述辐射装置的所述第一和第二导电支路(H1,H2)耦合的射频信号馈电电路(12)，所述电路包括：

－阻抗升压变压器电路(T)，参考所述地导体(20)，具有耦合到信号传输线(L)的第一端子和耦合到所述第一和第二导电支路(H1,H2)的第二端子；及

－一对阻抗匹配电阻器(R1,R2)，插入在所述变压器电路(T)与所述第一和第二导电支路(H1,H2)之间。

19.如权利要求1所述的天线，其中所述天线用于海军通信。