CN108598686A - 一种小型化低频发射天馈系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小型化低频发射天馈系统，包括绝缘体及导电体，所述的绝缘体采用柔性绝缘材料制备成中空绝缘管或中空绝缘带，所述的中空绝缘管内部采用空心铜管、铝管或屏蔽丝网绕中空绝缘管轴线盘成导电螺旋结构，导电螺旋结构外壁包覆柔性绝缘材料，构成三维螺旋综合辐射体；所述的中空绝缘带内部采用屏蔽丝网作为导电体，所述的屏蔽丝网轴线垂直或平行于中空绝缘带的轴线，屏蔽丝网内部填充柔性绝缘材料，外壁裹附柔性绝缘材料。本发明能够满足低频/甚低频发射天馈系统小型化、机动式、低成本、不依赖地网、灵活布设的需求。

Description

一种小型化低频发射天馈系统

技术领域

本发明涉及一种低频发射天馈系统，用于无线电导航、无线通信、地质勘测、震灾救援等技术领域。

背景技术

低频、甚低频无线电信号具有可靠性高、损耗低、传播距离远、穿透性强、不易干扰等特点，在无线电导航、无线通信、地质勘测、震灾救援等技术领域有着不可替代的优势。

传统的低频、甚低频发射天馈系统存在体积庞大、造价高昂、占地规模大、对接地地网和地电阻阻值要求苛刻、无法机动灵活试验、无法灵活构阵等问题。传统方式的设计手段对于低频、甚低频发射天馈的分析结果惊人而无法承受。常用的单极子配地网方式：300KHz需要半径6.7m、阵子长450m、地网669m之规模；100KHz需要半径20m、阵子长652m、地网2Km之规模；30KHz需要半径67m、阵子长2.17Km、地网6.69Km之规模。常用的偶极子方式：300KHz需要半径7.5m、阵子长450m之规模；100KHz需要半径22.5m、阵子长1.35Km之规模；30KHz需要半径225m、阵子长13.5Km之规模。采用顶加载和高耸塔桅方式的常规设计也难于根本解决这些问题。这些问题都大大制约了低频在国民经济建设中发挥更加强大的作用。表一“部分单极子传统单极子分析数据”、表二“部分传统偶极子分析数据”均能说明这些问题。

表一：部分单极子传统单极子分析数据

序号	频率	阵子长	阵子半径	地网边长	备注
						1	10KHz	6.5km	200m	20.09km
2	30KHz	2.17km	66.9m	6.69km
						3	80KHz	815m	25m	2.5km
4	100KHz	652m	20m	2km
						5	300KHz	450m	6.7m	669m
6	500KHz	130m	4m	401m

表二：部分传统偶极子分析数据

序号	频率	阵子长	阵子半径	备注
					1	10KHz	13.5km	225m
2	30KHz	4.5km	75m
					3	80KHz	1.68km	28m
4	100KHz	1.35km	22.5m
					5	300KHz	450m	7.5m
6	500KHz	270m	4.5m

目前大型工程上采用的办法是采用高耸铁塔、长线天线、大规模顶加载、大规模地网等手段。这些手段对于当下多领域开展一般性、适宜的中小功率发射研究实验，或工程验证发射测试都是无法轻易实现的，由此引出了低频/甚低频发射天馈系统小型化、机动式、低成本、不依赖地网、灵活布设等一系列科学问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小型化低频发射天馈系统，能够满足低频/甚低频发射天馈系统小型化、机动式、低成本、不依赖地网、灵活布设的需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小型化低频发射天馈系统，包括绝缘体及导电体，所述的绝缘体采用柔性绝缘材料制备成中空绝缘管或中空绝缘带，所述的中空绝缘管内部采用空心铜管、铝管或屏蔽丝网绕中空绝缘管轴线盘成导电螺旋结构，导电螺旋结构外壁包覆柔性绝缘材料，构成三维螺旋综合辐射体；所述的中空绝缘带内部采用屏蔽丝网作为导电体，所述的屏蔽丝网轴线垂直或平行于中空绝缘带的轴线，屏蔽丝网内部填充柔性绝缘材料，外壁裹附柔性绝缘材料。

所述的中空绝缘管直径为15～25cm，铜管或铝管直径为3～5mm，导电螺旋旋距为2圈/cm，螺旋直径为12～22cm。

所述的中空绝缘带宽度为20～30cm，屏蔽丝网的直径为3～5mm。

所述的三维螺旋综合辐射体或平面带状复合体每隔6～9米加载一个50～80微法电容，电容耐压大于500伏。

本发明的有益效果是：

第一、本发明可在室外普通环境下快速简单地构建起来一套从中波到甚低频段的调谐发射系统，该系统接上小功率源就可进行相关发射实验。

第二、本发明在甚低频段进行了调谐发射试验，38.9KHz调谐试验数据如表三所示。

表三：部分调谐试验数据

序号	频率	驻波	备注
				1	38.9KHz	1.4	外场收信
2	65.5KHz	1.05	外场收信
				3	78.9KHz	1.1	外场收信
4	88.7KHz	1.14	外场收信
				5	101.7KHz	1.02	外场收信
6	216.0KHz	1.6	外场收信
				7	583.5KHz	1.1	外场收信

第三、本发明在低频段进行了调谐发射试验，88.7KHz、101.7KHz等调谐试验数据如表三所示。

第四、本发明在中波段进行了调谐发射试验，216.0KHz、583.5KHz等调谐试验数据如表三所示。

第五、本发明对于中波波段，10分钟内可布设试验；对于长波和甚长波波段，15分钟内可布设试验。

第六、本发明的自调谐三维复螺旋综合辐射体和平面片状综合辐射体是感加载的一种变形，在布设时对频率有调谐作用。

第七、本发明可快速支撑低成本小型化水平、垂直、升空和机动布设应用，满足无线电导航、无线通信、地质勘测、震灾救援等领域的实际需求。

附图说明

图1是一种小型化低频发射系统图；

图2是小型化发射匹配器简图；

图3是两种简易可收放的综合辐射体示意图；

图4是三维复螺综合辐射体示意图；

图5是平面片状综合辐射体示意图；

图6是一种辐射体的简易布设应用框架示意图；

图7是一种小型化发射天馈系统应用简图；

图8是类偶极子电容加载综合辐射体辐射体水平模式示意图；

图9是类偶极子电容加载综合辐射体辐射体铅垂模式示意图；

图10是调谐线圈加载示意图；

图11是一种简易树间架设应用模式示意图；

图12是一种简易升降斜拉应用模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明由类偶极子电容加载综合辐射体、小型化发射匹配器架构、两种简易可收放的综合辐射体(含一种三维复螺旋综合辐射体和一种平面片状综合辐射体)组成。图1给出了一种小型化低频发射系统，即由信源、激励器、功放、匹配器、发射天馈、电源等部分组成。图中虚线中的匹配器、发射天馈部分是本发明的主体。

所述类偶极子电容加载综合辐射体是采用对称振子悬空结构，发射端不需敷设地网。左右阵子采用多电容加载以改变慢波结构。左右阵子呈现螺旋结构以实现螺旋加载。图6是一种辐射体的简易布设应用框架，图8是类偶极子电容加载综合辐射体水平模式，图9是类偶极子电容加载综合辐射体铅垂模式。

所述简易可收放的综合辐射体有两种考虑，如图3所示。图4和图5细化了图3的内容。图4所示三维复螺旋综合辐射体是一种轻质三维管状复合体，管子直径在15～25cm之间。管子本身绝缘，采用柔性高介电常数材料以大幅度提高辐射体的辐射电阻，相对延长辐射长度或实现更低发射频率。管子内部为复合导电螺旋结构，导电体可采用直径3～5mm薄壁轻质空芯铜管、薄壁轻质铝管或轻质屏蔽丝网。导电螺旋外壁裹附柔性高介电常数材料，其作用同上。导电螺旋旋距为2圈/cm，螺旋直径在12～22cm之间。整个三维复螺旋综合辐射体呈现柔性可卷曲特性，可在1.5米直径线盘上绕制。使用时收放、裁剪、接续自如。三维复螺旋综合辐射体在样件实现时每隔6-9米加载50-80微法高品质电容一个，电容耐压大于500伏。

图5所示平面片状综合辐射体是一种轻质平面带状复合体，带状复合体宽度在20～30cm之间。带状复合体本身绝缘，采用柔性高介电常数材料以大幅度提高辐射体的辐射电阻，相对延长辐射长度或实现更低发射频率。带状复合体内部为复合导电螺旋结构，导电体结构可采用直径3～5mm轻质屏蔽丝网，丝网内部填充轻质柔性绝缘材料，丝网外壁裹附柔性高介电常数材料，其作用同前。导电体螺旋叠层工艺可采用图5右边三种层叠方式及其变形进行平面片状综合辐射体整体复合。整个平面片状综合辐射体呈现柔性可卷曲特性，可在1.5米直径线盘上绕制。使用时收放、裁剪、接续自如。平面片状综合辐射体在样件实现时每隔6～9米加载50～80微法高品质电容一个，电容耐压大于500伏。

所述小型化发射匹配器如图2所示。图中由L1、L2、L3、L4、C1、C2、C3、K1、K2、K3、K4、K5等器件构成匹配调谐拓扑网络，能够实现所述频段内的调谐发射。其中L1、L2、L3、L4的调整范围分别在5mH、10mH、20mH、10mH，C1、C2、C3、的调整范围分别在5000Pf、2000Pf、2000Pf。

所述小型化发射匹配器L1、L2、L3、L4可调电感采用直径3～5mm薄壁轻质空芯铜管、薄壁轻质铝管绕制，内部加载软磁铁氧体或纳米晶体磁棒，满足低损耗，感值可调的目的。图10给出了调谐线圈磁加载示意图。

通过以上综合运用集成，可实现调谐发射。

本发明可使发射天馈阵子长度缩短在百米之内。系统可实现从甚低频直到中波的调谐发射，可辐射有效的电场信号，为研究实验人员提供技术支撑。

本发明构建的类偶极子架构针对性解决了低频发射对地网的依赖问题。所有形式综合辐射体阵子进行电容加载，可改变慢波结构使之辐射趋近于快波，提高效率。辐射体绝缘材料及螺旋体绝缘材料，采用柔性高介电常数材料大幅度提高辐射体的辐射电阻，并实现更低发射频率。三维复螺旋综合辐射体和平面片状综合辐射体可在1.5米直径线盘上绕制，实现了机动自如的收放、裁剪、接续需求。三维和平面辐射体可以人为重构，依据工作频率进行快速布设。辐射体的螺旋加载有效降低了调谐难度，并有效增加了辐射阵子的电长度。小型化发射匹配器损耗小，采用加载软磁方式，调谐效率高。相对高耸塔桅和巨大占地的传统台站，所述发明实施成本廉价高效。以上这些均属于原始创新。

本发明突破了传统技术发展中的许多瓶颈，满足了无线电导航、无线通信、地质勘测、震灾救援等领域，对小型化、机动式、低成本、不依赖地网、灵活布设等一系列问题的实际需求。超越了现有产品技术。

本发明的实施例如表三所示，对101.7KHz进行调谐发射。

第一步、对辐射体进行选定和初推算

按照图4和图5初选出辐射体预选用的辐射体形式，如选三维复螺旋综合辐射体，依据

λ＝C/F

λ＝(3×100000000)/(101.7×1000)≈2950m＝2.95Km

λ/2＝1475m

λ/4＝737.5m

设导电体轻质空芯铜管直径为3.5mm，螺旋直径20cm，螺旋周长＝π×20＝62.8cm；因导电螺旋旋距在2圈/cm，故三维复螺旋综合辐射体每米实际电长度为

100×2×62.8＝12560cm＝125.6m

λ/2对应长为：1475÷125.6≈11.7m

λ/4对应长为：737.5÷125.6≈5.87m

参照图6构建左右阵子，且左右阵子最大长度在5.87～11.7m之间。三维复螺旋综合辐射体构建的左右阵子依附绝缘绳或介质杆向左右延展，且如图呈螺旋式架构。新构建的大螺旋旋距、半径可由使用者考虑决定。假定半径0.5m，旋距1m，则实际参考构建的三维左右阵子长度约为：

1475÷(1×π×1×125.6)m≈3.73m

如上思想课构建如图8所示的类偶极子电容加载综合辐射体水平模式，或如图9所示的类偶极子电容加载综合辐射体铅垂模式。在实际工程应用中，三维复螺旋综合辐射体内螺旋距和半径可自定义；对应不同频率想定，内螺旋半径可做非线性变化；辐射体在构建三维左右阵子时也可变螺旋、变旋距、变半径，以实现更加期望的工程目的。

第二步、依据试验环境实际，架设辐射体

根据实际试验环境和研究想定，按照图11和图12进行辐射体外场快速布设。按照图7给出的一种小型化发射天馈系统应用简图可以进行升空机动式布设(该方式下小型氦气球升空在100米以下可安全应用)。

第三步、辐射体和匹配器联调

辐射体阵子通过射频馈线和匹配器相连接。匹配器信号输入端接矢网，调节至工作频段内，测试单端口驻波特性。先合上K2，断开K1、K3、K4、K5，将L2、L4调至最小后开始初调试。一般经过上面的初计算，某点的谐振点已可在矢网上找到。配合其他开关和电感、电容可很快调到101.7KHz。应当说明的是辐射体的变螺旋也是有效的调谐手段之一。

第四步、发射信号

通过激励器产生所需信号101.7KHz，经调制后送到功放，辐射体通过匹配器与功放相连，实现信号发射。不同的室外环境对辐射体影响不同，同一工作频率，试验场景变化后可重新调谐发射。

按照以上步骤可完成试验发射，对于其它频率实施方法类同。对于甚低频段发射时，并不期望辐射体的布设一次性解决问题，可在环境和调谐感值间权衡解决。表三给出了部分样件调谐试验数据。

本发明方案有如下特点：

小型化天馈系统支持频率10～500KHz的无线发射研究实验应用；系统可实现从瓦级到千瓦级的信号强度输入；系统可实现电场信号的水平有效覆盖，覆盖范围依据发射功率的大小扩大；相对传统发射天馈，本系统构建成本极低；相对传统发射天馈，本系统外场尺寸极大减小(尤其在低频和甚低频段)；本系统在发射使用时不再依赖地网或地线；本系统可满足院校、科研单位、工矿企业等在所述频段进行固定低成本小型化应用，或外场快速、机动、低成本、小型化应用。

本发明突破了技术发展中的许多实际问题，发明试验测试性与理论分析吻合，技术可移植性强。发明中所述的核心思想和原型架构，可形成多种针对中波、长波、甚长波等多种频段的低成本、小型化、可机动的发射天馈系统，可满足多领域广泛需求。

Claims (4)

1.一种小型化低频发射天馈系统，包括绝缘体及导电体，其特征在于：所述的绝缘体采用柔性绝缘材料制备成中空绝缘管或中空绝缘带，所述的中空绝缘管内部采用空心铜管、铝管或屏蔽丝网绕中空绝缘管轴线盘成导电螺旋结构，导电螺旋结构外壁包覆柔性绝缘材料，构成三维螺旋综合辐射体；所述的中空绝缘带内部采用屏蔽丝网作为导电体，所述的屏蔽丝网轴线垂直或平行于中空绝缘带的轴线，屏蔽丝网内部填充柔性绝缘材料，外壁裹附柔性绝缘材料。

2.根据权利要求1所述的小型化低频发射天馈系统，其特征在于：所述的中空绝缘管直径为15～25cm，铜管或铝管直径为3～5mm，导电螺旋旋距为2圈/cm，螺旋直径为12～22cm。

3.根据权利要求1所述的小型化低频发射天馈系统，其特征在于：所述的中空绝缘带宽度为20～30cm，屏蔽丝网的直径为3～5mm。

4.根据权利要求1所述的小型化低频发射天馈系统，其特征在于：所述的三维螺旋综合辐射体或平面带状复合体每隔6～9米加载一个50～80微法电容，电容耐压大于500伏。