CN101243579A - 特别适于船载的运行于hf范围的宽带结构天线 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种尤其适用于船舶通信的、运行于HF频率范围中的结构天线系统，包括适于和接地导体(GND)可操作地关联的至少一个线性辐射装置(14)，和至少一个电阻抗部件(Z1－Z4)，其中上述线性辐射装置(14)耦合到在先存在的船舶结构，该结构具有主体垂直的延伸部分并用是导电的，如烟囱(F)。具有多馈的结构天线包括多个线性辐射装置(114)，这些装置定位在以相等角度间隔隔开的烟囱类型(F)的船舶结构的子午面中。

Description

特别适于船载的运行于HF范围的宽带结构天线

本发明涉及结构天线，并且具体地说涉及运行于HF频率范围中的宽带结构天线。

更具体地说，本发明涉及在权利要求1前序部分所述类型的天线系统。

在用于船载的无线电通信系统中，在通常用于船舶通信(navalcommunication)的HF频率范围(2MHz-30MHz)内，目前使用的天线不但必须要满足在整个频带频率范围的多个传输信道中运行的要求，和允许地平线附近的(表面波或海波，距离最远大约100公里)、地平线之上(BLOS，超视距，距离超过大约100公里)和在高仰角(NVIS，近垂直入射天波)处链路的要求，而且必须尽可能紧凑，以便与船舶甲板单元上的可用空间相适宜。

因此，已知为“多信道”系统的传输系统已被提出用于通过使用单一宽带天线而组合多个传输信道，在宽带天线的输入端，多个传输信道通过组合电路加在一起。这些多信道系统借助于功率放大器(一般大约在1kW级别)而构成，功率放大器可独立地分配到不同服务或单个信道。

对于这种解决方案，功率控制很关键，并且由于存在组合电路，因而有功率损失。

例如，可指出的是，单天线中八个信道与混合变压器的组合会产生供应到每个信道的大约125W有效功率，峰值功率为8KW。因此，多信道系统要求放大器提供比实际辐射功率数量级更多的功率，并且会遭受相当大的效率损失。

此问题通常通过为船只安装多天线而解决，这些天线具有不同配置并运行于单独的频率子频带上，各天线都分配到特定的信道。

例如，“扇形”天线(fan antennae)用于2MHz到8MHz频率范围处具有高仰角的链路，并且在必要时装载的、具有“鞭状”几何形状的天线被用于海波通信(sea wave communication)，和10MHz到30MHz频率范围处高于地面线的通信。

用于不同通信服务和模式的多天线的共存不但要求船上有大量的空间、复杂的供应网络和完善的控制系统，而且它还具有如下缺点：产生能够降低各天线预期性能的干扰(例如，对于先存在的船舶结构)。

有效使用可用空间的问题一段时间以来已经在结构解决方案普遍的航空环境得到解决，其中，整个飞机或其部分(如机身)通过适合的馈电过程(“切口(notch)”或“毛巾架(towel-bar)”型天线)而用作辐射元件。然而，还未发现船舶环境中的此类解决方案，在该环境中，与HF频带中传输的电磁问题解决方案相关联的难题使得此频带的通信逐渐被放弃，以便有利于更高效的卫星通信。

本发明的目的是提供一种运行于HF频率范围中的宽带多功能天线系统，该系统专门设计用于在船舶甲板单元上的固定安装，并使得在有限安装空间中构建高效、灵活和多用途的多信道无线电通信系统成为可能。

本发明的又一目的是提供一种天线系统，该系统可形成更复杂天线系统的基础，更复杂天线系统可能是也允许根据方向性和扫描容量而对辐射图样(radio pattern)进行控制的一种系统。

为此，本发明提出了一种具有如权利要求1所述的特征的结构天线系统。

相关权利要求项中限定了特定的实施例。

天线辐射元件的特殊装置和在这些元件中包含具有主要为垂直向的延伸部的先存在船舶结构，并为线性辐射装置提供支持及提供对由于存在所述船舶结构而造成此装置辐射特性(radiation characteristic)的失真效应的固有补偿，因此本发明提出的天线系统保证可克服现有技术天线的限制。

多信道通信模式的实现取决于提供形成多功能天线的电阻抗部件，换而言之，该天线是一种可根据运行频率而配置的天线。

电阻抗部件的提供也有利于补偿在所有情况下由于与存在的其它船舶结构耦合而造成的失真效应成为可能，从而允许在设计阶段或安装期间修改天线的装载条件。

根据互易定理，无论天线是用作接收天线还是发射天线，其性能和特性保持不变，因此，在此说明书中，为简明起见而考虑了发射天线的运行，并且一些特性的定义涉及了此因素，但不排除在接收中使用部件。

简要地说，本发明提出的结构天线系统在其最简单的配置中的特征在于，将线性辐射装置(通过各种定向线材元件组合而产生)耦合到在先存在的导电船舶结构，结构具有主体垂直的延伸部分，诸如烟囱或塔楼等，其高度一般类似于常规船舶的“鞭状”天线的高度。此类结构不但具有在船舶环境中存在的固有性能，而且充当线性辐射装置的支撑物和天线系统本身的一部分。

有利的是，所形成的结构天线系统相当简单，不会显著增加形成船舶结构一部分的在先存在的结构的总尺寸。

线性辐射装置具有主体垂直的总尺寸，并包括具有主体垂直的延伸部分的馈电导电分支(fed conducting branch)，该分支通过至少一个具有主体水平的延伸部分的导电分支连接到充当接地回路导电元件的船舶结构，以便形成至少一个闭路。

一种类型的结构包括至少一个附加的有成角导电分支，该分支连接具有垂直延伸部分的馈电分支与具有水平延伸部分的连接分支，该类型的结构使得通过方便地选择天线辐射元件的配置而形成多个电流路径成为可能。

上述配置之一的选择是自动的且取决于HF范围的不同频率子频带，并且由于电阻抗部件的性能而执行，该部件至少部分为集总恒定双端子电路，优选为串联或并联谐振配置的双端子LC电路形式，它可为在天线辐射元件中流过的电流充当带通或带阻滤波器。

在沿天线充当分布式匹配电路的同时，电阻抗部件允许选择性地改变不同频率处的导电分支中的电流(并因此而改变相应的服务类型)，以便在低、中和高仰角形成辐射图样。

基于本发明提出的辐射装置的结构天线系统可配置有一个或多个馈电点，并且可在单信道或多信道模式中运行。

包括单个线性辐射装置，并因此包括单馈电点的天线系统可用作多功能宽带辐射器(就上面定义的意义而言)，在整个HF频带中驻波比小于3∶1，并且辐射效率在2MHz与10MHz之间大约为0.5％-30％，在10MHz与15MHz之间大约为30％-50％，并且在15MHz与30MHz之间大约为50％-80％。

通过将多个类似的线性辐射装置连接到在先存在的导电船舶结构，就产生了适于运行在多信道或单信道模式的多馈结构天线系统，可根据特定服务类型为辐射图样定形和定向。

在第一种情况下(广播通信)，具有多馈电点(端口)的配置使得为每个端口分配不同信道(信号)成为可能，因此避免了使用组合电路，并提供了天线系统更高效率和传输系统更低成本的明显优势，同时限制了辐射装置的总尺寸。

在第二种情况下，在多信道模式中，换而言之，当多个馈电端用于单个信道(信号)时，可为辐射瓣波定形(尤其是缩小)和定向，以在性能方面实现增益。

具体而言，可优化非广播通信中发射的功率，为此可在有限角度区域(angular sector)中包含辐射。有利的是，这使得相同天线系统可用于海波、电离层反射和NVIS通信。

也可降低传送的功率，并因此限制与船舶的其它结构的相互影响。

另一个功能涉及通过控制到每个辐射装置的馈电信号幅度和相位，将单信道天线系统作为具有制导和扫描能力的天线阵操作的可能性。

有利的是，提出的配置适用于在低频(2MHz-10MHz)在所有方向产生足够均匀的辐射，并在中频和高频(10MHz-30MHz)的水平面中产生全向辐射，因而允许同时提供在HF频带所需的所有服务，即在不同仰角处的海波、天波和地平线之上通信，而无需天线系统或其馈电电路的任何机械修改或重新配置。

下面的详细说明参照附图作为示例提供而并非限制含意，它更全面地显示出本发明的其它特征和优点，其中：

图1是本发明提出的结构天线系统侧面和顶部图示；

图2是沿图1天线系统的线性辐射装置的电阻抗部件的分布图示；

图3是图1天线系统的馈电电路的图示；

图4a-4f是图1结构天线系统在HF频带的不同频率处的辐射图样的表示；

图5是本发明提出的具有多馈的结构天线系统的透视图图示；以及

图6示出用于带有图4的多馈的结构天线系统的控制系统。

本发明提出的适于运行在HF频率范围(2MHz-30MHz)中的宽带多功能结构天线系统一般表示为10。在图1中，在安装配置中示出了用作连接到馈电单元12和地面GND的发射天线。

如本说明书介绍部分中所述，根据互易定理，天线的性能和特征保持不变，而无论它是用作接收天线还是发射天线。下面的说明部分只作为例示而无限制含意，它将涉及发射天线系统的运行，这只是为了以清晰和适当的方式定义射频信号馈电电路的特征。

图1的天线系统表示了包括单个线性辐射装置14(并因此具有单馈电点)的结构天线，该装置14耦合到在先存在的导电船舶结构，该结构具有定位在子午面中的主体垂直的延伸部分，诸如烟囱F等。

天线系统的总体配置主体垂直，并且线性辐射装置优选安装在水平面上，例如，船舶结构的表面。

天线的线性辐射装置包括具有主体垂直延伸部分的线性辐射元件和具有主体横向的延伸部分的线材辐射元件，所有这些元件共面。

具有主体垂直的延伸部分的辐射元件形成了连接到馈电单元12端子的第一垂直导电分支H。

船舶结构包括具有竖立在船舶结构表面上的柱状体或截锥体的烟囱F，该船舶结构由导电材料制成，或者通过应用金属镀层而变得导电。它形成了回路导体，电气连接到地面GND。

馈电导电分支H通过横向导电分支连接到烟囱结构F，而横向导电分支包括至少一个具有主体水平延伸部分的辐射元件，并且馈电导电分支H与这些后者形成了在馈电单元与地面之间的闭合的矩形路径。在离馈电分支H上部自由端的预定距离处，横向导电分支W在分支的中间点处连接到馈电分支H。

成角导电分支A在其顶端连接到横向导电分支W，并且在其下端连接到垂直导电分支H，连接处位于上述分支的对应中间点，并且在分支H和W定义的矩形路径内，在馈电单元与地面之间形成了第二个封闭的多边形路径。

在当前优选的实施例中，线性辐射装置的垂直总尺寸(换而言之，导电分支H的高度)在HF频带最大波长的大约8％到10％之间(在2MHz频率处为150米)，并且优选为12米。烟囱主体的高度一般在HF频带最大波长的大约6％与10％之间。

线性辐射装置的总水平尺寸在HF频带最大波长的大约1％与2％之间(在2MHz频率处为150米)，并且优选为2米。烟囱结构主体的直径(在所示实施例中为柱形)一般在HF频带处为最大波长的大约2％与5％之间。

成角导电分支A的高度等于HF频带处最大波长的大约2％，并且优选为3米，而其横向的延伸部分等于上述波长的大约0.7％，并且优选为1米。

形成导电分支的辐射元件的直径大约为HF频率处的最大波长的大约0.1％，并且优选为0.15米。

诸如烟囱主体F等的船舶结构是中空结构，它的侧壁一般具有0.25米的厚度。

方便的是，横向导电分支W在离垂直分支H上部自由端2米距离处的中间点连接到垂直分支H。成角导电分支A在其中间点连接到横向导电分支W，并在高于垂直导电分支中间点的高度连接到垂直导电分支H，并且优选为在离地面7米，等于分支总高度的大约60％。

参照图2，电阻抗部件Z1和Z2沿导电分支H插入，并且阻抗部件Z3沿横向导电分支W插入，并且又一阻抗部件Z4沿成角导电分支A插入，优选为沿垂直腿。

优选是每个阻抗部件Z1和Z2包括双端子电抗电路(reactivecircuit)，如串联谐振LC电路，而每个阻抗部件Z3和Z4包括双端子电阻电路，如简单的电阻器。

阻抗部件Z1和Z2的电参数使得它们形成集总滤波器电路，这些电路适于在HF频率范围的对应子频带中选择性地阻碍电流沿它们连接的导电分支传播。

阻抗部件Z1-Z4的电参数一起使得它们形成沿天线线性辐射装置的分布式匹配电路。

在优选实施例中，阻抗部件Z1、Z2和Z4分别定位在高于地面GND 3.25米、8.25米和7.75米的高度，而阻抗部件Z3位置离船舶隧道结构F侧壁1.25米处。

在此处所述的示范实施例，形成阻抗部件Z1和Z2的双端子串联LC电路的电感和电容的电参数具有以下值：

-双端子电路Z1具有1.12μH的电感分量，和569.1pF的电容分量；以及

-双端子电路Z2具有0.073μH的电感分量和59.8pF的电容分量。

形成阻抗部件Z3和Z4的双端子电路电阻参数具有以下值：

-偶极Z3具有48.6Ω的电阻分量；以及

-偶极Z4具有61Ω的电阻分量。

很明显，本领域的技术人员将能够通过提供比指定更多或更少阻抗部件，而偏离涉及当前优选实施例的上述设计，条件是部件沿导电分支定位，以便通过滤波动作而选择性地控制分支H、W和A到烟囱结构F和接地导体(地面)GND的耦合，并且更具体地说，以便交替地从电流路径中断开一个或多个分支。

馈电单元12包括如图3所示的信号匹配和分配电路。

单元12可操作地设置在天线的线性辐射装置的基部，并电连接在导电分支H与承载射频信号的传输线路之间。

参照传输配置，馈电单元12具有经传输线路L(诸如同轴电缆)而耦合到射频信号源20的输入端IN，和输出端口OUT，通过使用绝缘体IS天线的垂直导电分支H被装进输出端口OUT。

馈电单元包括具有涉及地面的预定阻抗变换率为n(优选为3.7)的阻抗升压变压器T，升压变压器T的一个端子连接到输入端IN以接收射频信号，并且另一端子连接到输出端口OUT。

已描述的馈电单元可装入盒状的金属容器30中，形成电子屏并接地GND。这为输入传输线路形成了50欧姆的匹配单元。

在运行方面，本发明提出的天线系统如下。

为更好地理解，图4a-4f示出在垂直(左侧图)和水平(右侧图)平面中的不同频率的辐射图样。

外部源20输出并沿传输线路L传送的射频信号，施加到阻抗变压器T，并转移成连接到天线导电分支H的馈电单元12的输出端OUT。从此处起，视阻抗部件性能确定的线性装置的配置而定，它根据频率及由此根据天线所需的功能类型，而选择性地沿线性辐射装置和烟囱结构分布。

在2MHz与10MHz之间的低频处，阻抗部件Z2开始运行以阻碍在馈电分支H上部中的电流，以便线性装置中的电流流过导电分支H的下部，沿着成角导电分支A和与烟囱结构相邻的导电分支W部分的内部路径。天线系统因此具有类似于“半环”配置辐射和“鞭状”配置辐射组合而提供的辐射模式。所形成的辐射图样(图4a-4c的辐射图样)在所有方向上大致均匀，因而允许在不同仰角的海波和天波通信。

在10MHz与30MHz之间的中频和高频，无阻抗部件阻碍电流，并且电流趋向于流过所有线材辐射元件，尤其包括垂直馈电导电分支H的上部，直到自由端。线性装置的配置和对应天线系统的辐射模式(图4d-4f中的辐射图样)因此类似于鞭状天线的辐射图样，鞭状天线在水平面、低仰角和中仰角具有全向辐射图样，并适用于海波和BLOS通信。

参照图5和图6所示的天线系统，描述的是具有多馈的结构天线系统，包括多个线性辐射装置114，这些装置的几何形状和特征类似相对于图1所示实施例描述的装置14的几何形状和特征，而图1所示实施例涉及具有单馈的结构天线系统。

每个线性辐射装置114连接到类似所述单元12的对应馈电单元112，并耦合到具有主体垂直的延伸部分的在先存在的导电船舶结构，如烟囱F，从而形成电连接到例如船舶结构表面等水平面GND的回路导体。

在当前优选的实施例中，提供有定位在所述船舶结构子午面中并以相同的60度角间隔隔开的6个相同的辐射装置114。

控制和信号处理单元200连接到馈电单元112，并设置为控制从信号源通过对应馈电单元112注入线性辐射装置114的射频电流的幅度和相位。

电流根据射频信号的频率及幅度和相位，沿烟囱结构的导电分支和柱状导电体分配。视从天线所需的功能而定，可同时或以预定的相差馈电6个馈电点，以及在必要时部分馈电，从而通过在空中中附加辐射场，而提供具有扫描能力的全向多信道辐射配置或定向配置。

应注意的是，在前面论述中提出的本发明实施例只是示例性的而不是限制性的。本领域的技术人员可在基于本发明原理的不同实施例中轻松地应用本发明。就定位馈电导电分支和/或横向导电分支以便在倾斜方向连接到船舶结构的可能性而言，或者就从诸如曲线元件等非直线线材元件形成横向连接分支和成角分支，以得到更大的天线结构的机械稳定性而言，或者同样就将线性辐射装置耦合到除烟囱外的船舶结构(例如配备用于安装在更高频率操作的天线的塔楼)的可能性而言，情况尤其如此。

很明显，在保持本发明原理的条件下，在不脱离如随附权利要求书定义的本发明保护范围的情况下，应用的形式的构造细节因此可广泛地改变而不同于只作为示例而无限制含意的所述和所示内容。

Claims (18)

1.一种尤其适用于船舶通信的运行于HF频率范围中的天线系统，包括适于与接地导体(GND)可操作地关联的线性辐射装置(14)和至少一个电阻抗部件(Z1-Z4)，

其特征在于，所述线性辐射装置(14)耦合到在先存在的船舶结构(F)，所述船舶结构具有主体垂直的延伸部分并且是导电的。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述在先存在的船舶结构(F)是基本上为柱形或截锥形的结构。

3.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述结构是船的烟囱(F)。

4.如前面权利要求任一项所述的天线系统，其特征在于，所述线性辐射装置(14)包括：

-具有主体垂直的延伸部分的多个线材辐射元件，形成适于可操作地耦合到射频信号馈电电路(12)的第一导电分支(H)；以及

-具有主体水平的延伸部分的多个线材辐射元件，形成至少一个横向导电分支(W)，用于将适于耦合到所述馈电电路(12)的所述导电分支(H)连接到所述船舶结构(F)；

所述辐射元件设置成能够使得通过所述船舶结构(F)而在所述馈电电路(12)与所述接地导体(GND)之间形成至少一个闭合路径；以及

-多个电阻抗部件(Z1-Z4)，沿所述导电分支(H，W)插入，并适用于根据运行频率而选择性地形成多个不同的电流路径，所述不同的电流路径沿着对应于上述辐射装置的多个不同的电气和/或几何配置的所述导电分支(H，W)。

5.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于，在离所述馈电分支(H)上部自由端的预定距离处，所述横向导电分支(W)在所述馈电分支(H)的中间点处连接到所述馈电导电分支(H)。

6.如权利要求4或5所述的天线系统，其特征在于，所述横向导电分支(W)和所述馈电导电分支(H)另外通过成角导电分支(A)而相互连接。

7.如权利要求6所述的天线，其特征在于，所述成角导电分支(A)包括在水平方向延伸的第一部分，和在垂直方向延伸的第二部分。

8.如前面权利要求4到7任一项所述的天线系统，其特征在于，所述导电分支(H，W，A)在所述天线的运行装置中形成所述天线所处的垂直面，与所述船舶结构(F)的子午面重合。

9.如前面权利要求任一项所述的天线系统，其特征在于，所述线性辐射装置(14)的所述垂直延伸部分在所述HF频带最大波长的8％与10％之间。

10.如前面权利要求任一项所述的天线系统，其特征在于，所述线性辐射装置(14)的所述横向延伸部分在所述HF频带最大波长的1％与2％之间。

11.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于，所述电阻抗部件(Z1-Z4)包括带集总参数(Z1，Z2)的双端子电抗电路，和双端子电阻电路(Z3，Z4)。

12.如权利要求11所述的天线系统，其特征在于，所述双端子电抗电路(Z1，Z2)包括串联谐振LC电路。

13.如权利要求11或12所述的天线系统，包括在所述馈电导电分支(H)上设置的阻抗部件(Z1，Z2)，它们具有的电气参数使得它们形成：

-电流路径，包括所述馈电导电分支(H)的一部分、所述成角导电分支(A)和所述横向导电分支(W)的一部分，使得所述天线系统在第一频率范围内具有“半环”配置的辐射图样和“鞭状”配置的辐射图样的组合形式的完整辐射图样，以及

-多个电流路径，包括所述整个馈电导电分支(H)、所述成角导电分支(A)和所述整个横向导电分支(W)，使得所述天线系统在第二频率范围内具有鞭状配置的辐射图样。

14.如权利要求11到13任一项所述的天线系统，其特征在于，所述阻抗部件(Z1-Z4)设计为能够为所述线性辐射装置(14)的各种配置形成分布式的阻抗匹配电路。

15.如前面权利要求任一项所述的天线系统，其特征在于，包括耦合到所述辐射装置(14)的具有主体垂直的延伸部分(H)的所述导电分支的射频信号匹配和分配单元(12)，所述单元包括涉及所述接地导体(GND)的阻抗升压变压器电路(T)，此电路具有耦合到信号传输线路(L)的第一端子(IN)，和耦合到所述导电分支(H)的第二端子(OUT)。

16.如前面权利要求任一项所述的天线系统，包括耦合到所述船舶结构(F)以便形成具有多馈的天线系统的多个线性辐射装置(114)。

17.如权利要求16所述的天线系统，其特征在于，所述线性辐射装置(114)定位在所述船舶结构(F)的子午面中，并且以相等角度间隔隔开。

18.如权利要求16或17所述的天线系统，包括连接到所述线性辐射装置(114)的对应的馈电单元(112)的控制和信号处理单元(200)，此单元设置成能够控制注入射频电流的幅度和相位，以便所述线材元件形成所述辐射装置(114)。

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