CN103515716B - 一种短波对数立体阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短波对数立体阵列天线系统。所述系统包括天线主体系统、天线承载系统以及天线控制系统；其中，所述天线主体系统包括由数个呈夹角排列设置的对数周期天线组成的天线阵列；所述天线承载系统包括用于承载、旋转和翻转所述天线阵列的支撑装置；所述天线控制系统包括控制支撑单元旋转和翻转的转动控制装置。由于采用了基于对数周期天线的优良特性，设计的对数周期天线垂直扇形阵，不仅结构简便、功能灵活、性能指标高、占地面积小，而且宽频带、大功率、高增益，可实现水平360度旋转以及垂直180度翻转。

Description

一种短波对数立体阵列天线系统

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及的是一种结构简单、功能灵活、性能指标高的短波对数立体阵列天线系统。

背景技术

传统国内短波大型天线系统以宽带幕形天线为主，如图1所示。宽带幕形天线是由多层全波或半波偶极子组成的天线阵，水平方向图由每层阵元天线的数目控制，垂直方向图由阵元天线的层数和最低层天线的离地高度控制。其优点是频带范围较宽、功率较大、传播距离较远。但宽带幕形天线的缺点也很明显，主要包括：

1占地面积大，地形要求苛刻；

2天线主体高，结构体积大；

3工程施工难，建设周期长；

4使用操作复杂，维修保养困难。

而且宽带幕形天线通常为国外进口，国内部分厂家在该系统上也有研发生产，但核心技术没有突破，所生产的产品功率较小，覆盖范围窄，该类产品设计复杂、结构繁琐、零部件多、体积庞大、安装困难，且价格昂贵、维修不便，更重要的是核心技术受制于人，很多产品引进后因故障不能及时修复，无法使用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种结构简单、功能灵活、性能指标高的短波对数立体阵列天线系统，实现两种辐射模式的天线功能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种短波对数立体阵列天线系统，其中，所述系统包括天线主体系统、天线承载系统以及天线控制系统；其中，所述天线主体系统包括由数个呈夹角排列设置的对数周期天线组成的天线阵列；所述天线承载系统包括用于承载、旋转和翻转所述天线阵列的支撑装置；所述天线控制系统包括控制支撑单元旋转和翻转的转动控制装置。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，每个对数周期天线单元包括天线集合线和天线振子，所述天线集合线为双线结构，且所有对数周期天线单元的天线集合线的一端通过连接杆连接，所述天线振子与所述天线集合线垂直设置。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，每个对数周期天线单元中天线振子的长度从天线集合线相连接的一端起向外逐渐增大。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，所述支撑装置包括用于支撑所述天线阵列的支撑架、用于翻转所述支撑架的翻转机构、用于旋转所述天线阵列的转动塔桅、固定所述转动塔桅的固定塔桅，所述支撑架、翻转机构、转动塔桅和固定塔桅依次连接。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，所述翻转机构与所述支撑架通过一销轴连接。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，所述转动塔桅与固定塔桅连接处安装有一回转机构，用于控制所述转动塔桅转动。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，所述转动控制装置安装在所述回转机构或固定塔桅内，包括用于驱动所述回转机构转动的回转驱动装置、还包括电动机、传动及减速装置、静止制动装置和过载包括装置。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，所述天线控制系统还包括一滑动离合器，用于在天线阵列转动过程中或者静止时启动天线系统的刹车功能。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，所述天线控制系统还包括一控制器，所述控制器用于控制所述转动控制装置对天线转动角度和离合刹车速度的调整。

所述的短波对数立体阵列天线系统，其中，所述系统还包括一防雷装置。

本发明所提供的短波对数立体阵列天线系统，由于采用了基于对数周期天线的优良特性，设计的对数周期天线垂直扇形阵，不仅结构简便、功能灵活、性能指标高、占地面积小，而且宽频带、大功率、高增益，可实现水平360度旋转以及垂直180度翻转。

附图说明

图1是现有技术中宽带幕形天线的结构示意图。

图2是本发明提供的短波对数立体阵列天线系统的结构示意图。

图3是本发明提供的短波对数立体阵列天线系统的一优选实施例的结构示意图。

图4是本发明提供的短波对数立体阵列天线系统中Balun为天线阵列供电的示意图。

图5是本发明提供的短波对数立体阵列天线系统一实施例的四功分器原理图。

图6是本发明提供的短波对数立体阵列天线系统中控制器的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的短波对数立体阵列天线系统，如图2所示的各个视图，主要由三个子系统组成：天线主体系统、天线承载系统以及天线控制系统，其中，天线主体系统又包括天线阵列、集合线、巴伦、功分器、动力电源、传输馈线、防雷等七部分；天线承载系统包括砼基础、爬梯及维修平台、天线支撑装置、塔杆及塔桅等四部分；天线控制系统包括射频旋转节、天线转动装置、控制器等三部分。

下面对天线主体系统的各组成部分进行详细描述。

如图3所示，天线阵列由数个呈夹角排列设置的对数周期天线10组成，即在H面天线单元间成一定夹角空间排列。每个对数周期天线单元10包括天线集合线11和天线振子12，所述天线集合线11为双线结构，且所有对数周期天线单元的天线集合线11的一端通过连接杆100连接，所述天线振子12与所述天线集合线11垂直设置，且每个对数周期天线单元中天线振子的长度从天线集合线相连接的一端起向外逐渐增大。

对数周期天线（LPDA）是一种具有极为优良电特性的宽频带天线，它在输入阻抗、方向图、增益系数等主要电参数方面都近似与频率无关，其电特性随工作频率成对数周期关系而变化，即在任一频率f0所具有的特性将在所有的f_n=τf₀的频率上重复，此处f₀—>τ_nf₀称为一个周期（τ为周期率，n=±1，2，3，...）。如果能设计在一个周期内天线电特性为一个常数，则在所有频率工作时，都将可认为同频率无关，这种结构便称为对数周期天线。对数周期天线扇形阵的理论比之于各向同性单元组成的直线阵复杂得多，且不能应用方向图乘法。本发明应用矩量法对自由空间水平和垂直对数周期偶极天线扇形阵进行分析，并对阵列参数对天线性能的影响进行详细的分析计算。针对对数周期天线单元间的夹角可以由上述方法进行分析得到，夹角的大小直接决定了天线的性能。

巴仑（Balun）是平衡－不平衡变换器，作用除了平衡－不平衡变换之外，同时还视巴仑的形式、结构，可以进行1：1、4：1、6：1、9：1、25：1等比值的阻抗转换。在本发明的天线系统中，Balun为天线阵列供电示意图如图4所示，本发明的对数周期天线单元有四个，因此，采用系统采用一四功分器，由四功分器输出的信号经馈线由各Balun输入端输入，转换到平衡信号分别为各对数周期天线供电。

功分器为功率分配元件，将从输入端口进来的能量分配到N个输出端口，四功分器原理图如图5所示，该功分器安装在塔桅内。

又参见图3，所述天线承载系统包括砼基础14、塔桅、支撑装置、维修平台和爬梯（图中未示出），其中，支撑装置用于承载、旋转和翻转所述天线阵列，包括用于支撑所述天线阵列的支撑架13、用于翻转所述支撑架的翻转机构20、用于旋转所述天线阵列的转动塔桅15、固定所述转动塔桅15的固定塔桅17，所述支撑架13、翻转机构20、转动塔桅15和固定塔桅17依次连接。支撑架13是天线系统中的重要单元，它承担着天线阵列固定在塔桅上，同时保证天线单元之间的相对位置，具体包括有水平桁架131和垂直桁架132。天线集合线11就安装在水平桁架131间。

优选地，翻转机构20与所述支撑架13通过一销轴连接，销轴通过一U型支架固定，支撑架通过该翻转结构实现翻转功能，进而带动天线阵列翻转。由于该翻转机构的设计，本发明可以实现两种辐射模式，一种是垂直极化模式，一种是水平极化模式。水平极化模式是指天线阵列与地面平行，天线极化方式为水平极化。水平极化状态下天线传播方式为天波，主要应用于陆地远距离或全球覆盖，比如应急通信、固定通信、移动式远距离通信等。垂直极化模式是指将天线阵列翻转与地面形成90^o，天线极化方式为垂直极化。垂直极化状态下天线传播方式为地面波，主要应用于陆地中、远距离或海洋舰船通信。

进一步地，在转动塔桅与固定塔桅连接处还安装有一回转机构16，用于控制所述转动塔桅15转动，回转机构16内设置有回转驱动装置，回转驱动装置为天线控制系统的一部分，下面就对天线控制系统进行详细描述。

天线控制系统主要用于控制整个天线系统的各种功能，具体地，包括控制支撑单元旋转和翻转的转动控制装置，该转动控制装置主要安装在塔桅或者回转机构内部，因此图中未示出。转动控制装置承担着天线转动功能，主要包括回转支撑、变频电机、变速箱、离合器、角度编码器、制动器等。回转支撑部分（回转机构）对非回转部分（转动塔桅和固定塔桅）实现回转运动、连接、对中、支撑、防倾，其组成包括回转支承装置（回转机构）和回转驱动装置两部分。前者将系统回转部分（转动塔桅）支承在固定部分（固定塔桅）上，后者驱动回转部分相对于固定部分回转。因此，转动塔桅相对于固定塔桅转动，转动角度有回转机构控制。这样，本发明的天线系统就实现了水平360度旋转。

回转驱动装置包括电动机、传动及减速装置、末级开式齿轮、静止制动装置、过载保护装置（大齿圈固定），可设置在回转部分也可设在固定部分。

静止制动装置用于实现转动天线至目标角度后的静止定位，同时还能承担抵抗大风造成天线方向漂移的功能，另外还有一个作用，即当天线被驱动，当处于转动行进期间突然发生电源故障时，可防止由于晃动引起的负荷对天线结构造成影响。

滑动离合器是用来保护电机和传动零件的，即当吹过天线的风速超过120公里/小时的情况下，不管当时天线是处于转动过程还是静止在某一工作位置上，这个滑动离合器都会自动释放天线的刹车系统，启动天线系统的刹车功能，即便发射机正在工作，也会使天线顺着风向旋转到阻力最小的位置，此时发射机也会自动断掉高压。这是庞大的转动天线的自我保护功能（当检测到风速大于极限值时，自动松开刹车，使天线自动转到迎风阻力最小状态）。正常起、制动时不打滑。

角度编码器就安装在主驱动马达上，当设定需要的方位角后，发送指令即可在360^o范围内按设定的要求转动到位。

优选地，所述天线控制系统还包括一控制器，如图6所示，该控制器通过线缆连接所述控制器用于承担天线转动角度调整，离合、刹车速度控制，天线安全互锁控制，手动、自动调整切换功能，远程、本地控制功能。

进一步地，雷电具有高电压、大电流和瞬时的特点，对地面建筑的破坏性很强。因此，根据工程雷电防护要求，对工程的天线部分做防直击雷保护，馈线防感应雷过压保护，本发明的天线系统还包括一防雷装置30，由三部分组成的：即接闪器（避雷针）、引下线及接地体（地网）。

综上所述，本发明提供的短波对数立体阵列天线系统，由于采用了基于对数周期天线的优良特性，设计的对数周期天线垂直扇形阵，不仅结构简便、功能灵活、性能指标高、占地面积小，而且宽频带、大功率、高增益，可实现水平360度旋转以及垂直180度翻转。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种短波对数立体阵列天线系统，其特征在于，所述系统包括天线主体系统、天线承载系统以及天线控制系统；其中，

所述天线主体系统包括由数个呈夹角排列设置的对数周期天线组成的天线阵列；所述天线承载系统包括用于承载、旋转和翻转所述天线阵列的支撑装置；所述天线控制系统包括控制支撑单元旋转和翻转的转动控制装置；

所述支撑装置包括用于支撑所述天线阵列的支撑架、用于翻转所述支撑架的翻转机构、用于旋转所述天线阵列的转动塔桅、固定所述转动塔桅的固定塔桅，所述支撑架、翻转机构、转动塔桅和固定塔桅依次连接；

所述翻转机构与所述支撑架通过一销轴连接；

所述转动塔桅与固定塔桅连接处安装有一回转机构，用于控制所述转动塔桅转动；

所述转动控制装置安装在所述回转机构或固定塔桅内，包括用于驱动所述回转机构转动的回转驱动装置、还包括电动机、传动及减速装置、静止制动装置和过载包括装置；

所述天线控制系统还包括一滑动离合器，用于在天线阵列转动过程中或者静止时启动天线系统的刹车功能。

2.根据权利要求1所述的短波对数立体阵列天线系统，其特征在于，每个对数周期天线单元包括天线集合线和天线振子，所述天线集合线为双线结构，且所有对数周期天线单元的天线集合线的一端通过连接杆连接，所述天线振子与所述天线集合线垂直设置。

3.根据权利要求2所述的短波对数立体阵列天线系统，其特征在于，每个对数周期天线单元中天线振子的长度从天线集合线相连接的一端起向外逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的短波对数立体阵列天线系统，其特征在于，

所述天线控制系统还包括一控制器，所述控制器用于控制所述转动控制装置对天线转动角度和离合刹车速度的调整。

5.根据权利要求1所述的短波对数立体阵列天线系统，其特征在于，所述系统还包括一防雷装置。