CN112768871B - 一种小型化双层短波鱼骨天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化双层短波鱼骨天线，包括四座成方形阵列排列的拉线塔，每座拉线塔均由三方拉线支撑固定，在相邻的两座拉线塔之间布置上下两层八字拉线，在相对的两座拉线塔之间布置上下两层边拉索；在四座拉线塔之间布置双层鱼骨天线幕，各层鱼骨天线幕的集合线两端分别与一个八字拉线的凸出部相连接，双层鱼骨天线幕的两根集合线两端分别通过一根下引线相连，上述两根下引线还分别与终端网络负载和阻抗变换器相连。本发明所公开的天线，解决了弱耦合鱼骨天线占地面积大的问题，同时保证天线仍然有高增益、低仰角的远距离接收能力，实现在现有台站占地面积小的情况下对中远距离信号进行有效的接收。

Description

一种小型化双层短波鱼骨天线
技术领域
本发明属于短波通信天线领域，特别涉及该领域中的一种小型化双层短波鱼骨天线。
背景技术
短波通信设备是通过无线电波来传递信息的，而短波天线的作用就在于辐射和接收无线电波。经过近几十年的发展，短波通信设备出现了质的飞跃，但是作为系统的重要组成部分，短波天线的发展却相对缓慢。目前台站中的短波天线主要为传统的垂直单极天线和水平偶极天线及其变形，这些天线主要是全向或者弱方向性天线，类型单一，尤其缺少小型化低仰角高增益的远距离接收天线。
由于我国城市化进程的不断推进，电磁环境不断恶化，本地人为噪声剧增，而本地噪声以地波形式传播，主要是垂直极化。因此从抑制本地噪声角度，应采用水平极化接收天线，特别是对远距离弱信号接收时不宜采用垂直极化天线。同时，台站地理环境复杂，天线场地受到较大限制，因此应尽量选择占地尺寸较小的天线，以适应台站环境。
目前，常见的水平极化低仰角高增益天线有水平鱼骨天线、菱形天线、同向水平天线/帘幕阵天线。同向水平天线/帘幕阵天线虽然是高增益定向天线，但工作频带一般仅为2—3倍频，不能满足全频段工作的要求；菱形天线尽管频段宽，但占地面积太大，同时在高频端波束太窄。因此，适合在基于行波天线理论的鱼骨天线上进行创新设计。
鱼骨天线属于宽频带强方向性天线，是“线天线”家族的重要组成部分。该天线主要应用于短波频段，由于天线的效率低，一般仅用于短波信号的接收；但由于该天线具有高方向增益且天线的辐射仰角相对较低，因此在远距离、超远距离短波信号侦查或短波通信方面具有不可替代的地位。
传统的鱼骨天线采用的是电阻耦合技术，分为大中小三种类型，但是均不能满足全频段工作要求；后来提出的弱耦合鱼骨天线虽然能够在短波全频段工作，但是其占地面积仍然很大。例如21元弱耦合鱼骨天线占地面积为8122m2(含拉线)，28元弱耦合鱼骨天线占地面积为10758m2(含拉线)，36元弱耦合鱼骨天线占地面积为14058m2(含拉线)。鱼骨天线整体占地面积大、征地费用高、难度大，因此天线阵地建设受到限制性条件多，可行性差。
此外现有短波全频段弱耦合鱼骨天线在中高频段的水平面波瓣宽度小于20度，而菱形天线的水平面波瓣宽度为10度左右。天线水平面波瓣宽度较窄，若要覆盖更大的范围需要多副天线组阵，这导致短波接收系统更加复杂、天线占地面积更大、系统造价更高。
综上所述，满足短波台站占地小、仰角低、增益高要求的天线至今仍未出现，也未在国际上见到相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种占地小、仰角低、增益高的小型化双层短波鱼骨天线。
本发明采用如下技术方案：
一种小型化双层短波鱼骨天线，其改进之处在于：包括四座成方形阵列排列的拉线塔，每座拉线塔均由三方拉线支撑固定，在相邻的两座拉线塔之间布置上下两层八字拉线，在相对的两座拉线塔之间布置上下两层边拉索；在四座拉线塔之间布置双层鱼骨天线幕，各层鱼骨天线幕的结构相同，均包括集合线和安装在集合线上的N对振子，12≤N≤36，各层鱼骨天线幕的集合线两端分别与一个八字拉线的凸出部相连接，振子的端部则悬挂于边拉索上，双层鱼骨天线幕的两根集合线两端分别通过一根下引线相连，上述两根下引线还分别与终端网络负载和阻抗变换器相连。
进一步的，每座拉线塔均由双层三方拉线支撑固定。
进一步的，各层鱼骨天线幕振子的一端与集合线上的耦合器相连，并通过跳线与集合线进行电气连接，振子的另一端悬挂于边拉索上。
进一步的，各层鱼骨天线幕均包括21对振子，振子单臂长度从2m到10m渐变，振子沿集合线间距从2m到6m等差均匀渐变。
进一步的，各层鱼骨天线幕集合线两端与下引线通过转弯构件转弯。
进一步的，将双层鱼骨天线幕接收的信号通过移向合成网络，移向合成网络合成的输出信号通过主馈线接至接收机。
进一步的，拉线塔高度为20m—50m。
进一步的，天线在各个频点3dB水平面波束宽度≥30°
进一步的，天线工作频段1.5MHz—30MHz，工作带宽为20倍频。
进一步的，天线在全频段的方向增益为10dBi—19dBi。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的小型化双层短波鱼骨天线，解决了弱耦合鱼骨天线占地面积大的问题，同时保证天线仍然有高增益、低仰角的远距离接收能力，实现在现有台站占地面积小的情况下对中远距离信号进行有效的接收；在保证占地面积小、方向增益高、仰角低的前提下，展宽天线的水平面波束宽度，尤其是高频段的波瓣宽度，使得单副天线的覆盖方位达到弱耦合鱼骨两副天线的覆盖效果，大大减少天线数量与成本。天线幕由双层鱼骨天线幕组成，仅需采用四座拉线塔支撑，外观成型效果好。
附图说明
图1是小型化双层短波鱼骨天线的等效原理图；
图2是双层鱼骨天线的原理框图；
图3是双层鱼骨天线的理论模型；
图4是本发明实施例1所公开天线的结构示意图；
图5是本发明实施例1所公开天线的平面布局图；
图6是本发明实施例1所公开天线的主视结构示意图；
图7是本发明实施例1所公开天线中鱼骨天线幕的俯视结构示意图；
图8是本发明实施例1所公开天线上层单元的电压驻波比曲线；
图9是本发明实施例1所公开天线下层单元的电压驻波比曲线；
图10是本发明实施例1所公开天线的方向增益曲线；
图11(a)是本发明实施例1所公开天线3MHz的垂直面方向图；
图11(b)是本发明实施例1所公开天线5MHz的垂直面方向图；
图11(c)是本发明实施例1所公开天线10MHz的垂直面方向图；
图11(d)是本发明实施例1所公开天线15MHz的垂直面方向图；
图11(e)是本发明实施例1所公开天线20MHz的垂直面方向图；
图11(f)是本发明实施例1所公开天线25MHz的垂直面方向图；
图11(g)是本发明实施例1所公开天线30MHz的垂直面方向图；
图12是本发明实施例1所公开天线的最大方向增益仰角曲线；
图13是本发明实施例1所公开天线垂直面3dB波束宽度曲线；
图14(a)是本发明实施例1所公开天线3MHz的水平面方向图；
图14(b)是本发明实施例1所公开天线5MHz的水平面方向图；
图14(c)是本发明实施例1所公开天线10MHz的水平面方向图；
图14(d)是本发明实施例1所公开天线15MHz的水平面方向图；
图14(e)是本发明实施例1所公开天线20MHz的水平面方向图；
图14(f)是本发明实施例1所公开天线25MHz的水平面方向图；
图14(g)是本发明实施例1所公开天线30MHz的水平面方向图；
图15是本发明实施例1所公开天线的水平面波束宽度曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
基于行波天线理论的水平极化鱼骨天线由于适合远距离弱信号接收，应用较多，也因耦合方式、设计尺寸的不同存在多种形式，已有的弱耦合鱼骨天线虽然在短波全频段内有较高的增益，但是其天线幕长度一般超过100米，实际占地尺寸太大。因此，本申请把弱耦合鱼骨天线的变参数复合耦合技术、振子间距不等长设计与小型化鱼骨天线的特点相结合，设计了小型化双层鱼骨天线，充分利用垂直空间，在压低辐射仰角的同时展宽高频段的水平面波束宽度。单元弱耦合鱼骨天线基于鱼骨天线的基本原理，其等效电路图如图1所示。
对称振子用电动势e和阻抗Ze以及2Zce来代替，其中，Ze是振子的输入阻抗，2Zce是耦合元件的串联阻抗。振子输入阻抗比集合线的特性阻抗大得多，而振子之间的距离又比波长小的多。在这样的条件下，集合线可以看作均匀分布参数的线，也就是特性阻抗为常数的线。
为减小弱耦合鱼骨天线的占地面积，提高方向增益、改善天线水平面半功率波瓣宽度，增强远距离、超远距离信号的接收能力，采用垂直双层鱼骨组阵，减小占地、提高性能。
小型化双层短波鱼骨天线首先通过两副单元弱耦合鱼骨天线上下排列组成，在俯仰面内进行波束合成，提高方向增益，同时保证水平面内的波束宽度。将双层鱼骨天线幕接收的信号通过移向合成网络，移向合成网络合成的输出信号通过主馈线接至接收机。小型化双层短波鱼骨天线的原理框图如图2所示。双层鱼骨天线的理论模型如图3所示。传统鱼骨以及弱耦合鱼骨天线均为单层设计，在结构上一般为6座塔支撑，本发明由于大大减小了天线幕的长度，仅仅需要4座塔进行支撑。采用视在中心计算方法，对单层鱼骨天线的相位中心的位置、宽度等进行分析计算，确保其在主波束范围内基本稳定。通过分析得出，主波束范围内的相位中心比较稳定，但随着频率的升高相位中心发生变化，波束合成的移向网络就是以此为参考，减少移向误差。
实施例1，如图4-7所示，本实施例公开了一种小型化双层短波鱼骨天线，包括四座成方形阵列排列的拉线塔1，每座拉线塔均由三方拉线2支撑固定，在相邻的两座拉线塔之间布置上下两层八字拉线6，在相对的两座拉线塔之间布置上下两层边拉索7；在四座拉线塔之间布置双层鱼骨天线幕，各层鱼骨天线幕的结构相同，均包括集合线8和安装在集合线上的N对振子9，12≤N≤36，各层鱼骨天线幕的集合线两端分别与一个八字拉线的凸出部相连接，振子的端部则悬挂于边拉索上，双层鱼骨天线幕的两根集合线两端分别通过一根下引线3相连，即两根集合线与两根下引线为平行四线形式，上述两根下引线还分别与终端网络负载4和阻抗变换器5相连。
在本实施例中，每座拉线塔均由双层三方拉线支撑固定。各层鱼骨天线幕振子的一端与集合线上的耦合器相连，并通过跳线与集合线进行电气连接，振子的另一端悬挂于边拉索上。
基于分段正弦基函数的伽略金方法计算，参考转动鱼骨与弱耦合鱼骨的特点，通过分析天线振子长度、振子间距以及振子与集合线之间的耦合强度等，并采用变参数设计。该设计通过大大增加振子密度的方法减小了占地面积，各层鱼骨天线幕均包括21对振子，振子单臂长度从2m到10m渐变，振子沿集合线间距从2m到6m等差均匀渐变。
各层鱼骨天线幕集合线两端与下引线通过转弯构件转弯。
为保证双层鱼骨天线仍然具有全频段高增益低仰角的性能，同时展宽高频段波束宽度，拉线塔高度(即天线架设高度)为20m—50m。
弱耦合大鱼骨占地面积14058m2，弱耦合中鱼骨占地面积10758m2，弱耦合小鱼骨占地面积8122m2，本实施例天线占地面积为3120m2，仅为常规鱼骨天线的三分之一。
天线在各个频点3dB水平面波束宽度≥30°，尤其高频端覆盖宽度远远大于弱耦合鱼骨天线。
常规鱼骨天线工作频带为4倍频，本实施例天线工作频段1.5MHz—30MHz，工作带宽为20倍频，是常规鱼骨天线的5倍。
本实施例天线在全频段的方向增益为10dBi—19dBi，明显高于常规鱼骨天线。图8是本发明实施例1所公开天线上层单元的电压驻波比曲线；图9是本发明实施例1所公开天线下层单元的电压驻波比曲线；图10是本发明实施例1所公开天线的方向增益曲线；图11(a)是本发明实施例1所公开天线3MHz的垂直面方向图；图11(b)是本发明实施例1所公开天线5MHz的垂直面方向图；图11(c)是本发明实施例1所公开天线10MHz的垂直面方向图；图11(d)是本发明实施例1所公开天线15MHz的垂直面方向图；图11(e)是本发明实施例1所公开天线20MHz的垂直面方向图；图11(f)是本发明实施例1所公开天线25MHz的垂直面方向图；图11(g)是本发明实施例1所公开天线30MHz的垂直面方向图；图12是本发明实施例1所公开天线的最大方向增益仰角曲线；图13是本发明实施例1所公开天线垂直面3dB波束宽度曲线；图14(a)是本发明实施例1所公开天线3MHz的水平面方向图；图14(b)是本发明实施例1所公开天线5MHz的水平面方向图；图14(c)是本发明实施例1所公开天线10MHz的水平面方向图；图14(d)是本发明实施例1所公开天线15MHz的水平面方向图；图14(e)是本发明实施例1所公开天线20MHz的水平面方向图；图14(f)是本发明实施例1所公开天线25MHz的水平面方向图；图14(g)是本发明实施例1所公开天线30MHz的水平面方向图；图15是本发明实施例1所公开天线的水平面波束宽度曲线。

Claims (8)

1.一种小型化双层短波鱼骨天线，其特征在于：包括四座成方形阵列排列的拉线塔，拉线塔高度为20m—50 m，每座拉线塔均由三方拉线支撑固定，在相邻的两座拉线塔之间布置上下两层八字拉线，在相对的两座拉线塔之间布置上下两层边拉索；在四座拉线塔之间布置双层鱼骨天线幕，各层鱼骨天线幕的结构相同，均包括集合线和安装在集合线上的N对振子，12≤N≤36，振子单臂长度从2m到10m渐变，振子沿集合线间距从2m到6m等差均匀渐变，各层鱼骨天线幕的集合线两端分别与一个八字拉线的凸出部相连接，振子的端部则悬挂于边拉索上，双层鱼骨天线幕的两根集合线两端分别通过一根下引线相连，两根集合线与两根下引线为平行四线形式，上述两根下引线还分别与终端网络负载和阻抗变换器相连；各层鱼骨天线幕振子的一端与集合线上的耦合器相连，并通过跳线与集合线进行电气连接，振子的另一端悬挂于边拉索上。
2.根据权利要求1所述的小型化双层短波鱼骨天线，其特征在于：每座拉线塔均由双层三方拉线支撑固定。
3.根据权利要求1所述的小型化双层短波鱼骨天线，其特征在于：各层鱼骨天线幕均包括21对振子，振子单臂长度从2m到10m渐变，振子沿集合线间距从2m到6m等差均匀渐变。
4.根据权利要求1所述的小型化双层短波鱼骨天线，其特征在于：各层鱼骨天线幕集合线两端与下引线通过转弯构件转弯。
5.根据权利要求1所述的小型化双层短波鱼骨天线，其特征在于：将双层鱼骨天线幕接收的信号通过移向合成网络，移向合成网络合成的输出信号通过主馈线接至接收机。
6.根据权利要求1所述的小型化双层短波鱼骨天线，其特征在于：天线在各个频点3dB水平面波束宽度≥30°。
7.根据权利要求1所述的小型化双层短波鱼骨天线，其特征在于：天线工作频段1.5MHz—30MHz，工作带宽为20倍频。
8.根据权利要求1所述的小型化双层短波鱼骨天线，其特征在于：天线在全频段的方向增益为10dBi—19dBi。
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