CN113904118B - 一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线及其馈电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线及其馈电方法。所述同轴线外导体(2)上开有同轴外导体上开的缝隙(1)，所述同轴外导体上开的缝隙(1)长度为二分之一波长，所述同轴线内导体(3)通过短路线(4)与终端短路片(5)和同轴线外导体(2)相连接。本发明用以解决传统中长波、短波天线直立振子形式天线系统剖面高的问题，以及水平架设天线辐射效率低的问题。使天线在水平架设的情况下实现超低剖面、高辐射效率垂直极化电磁波的辐射和接收。同时，也可用以解决根据传输线理论，在同轴线外皮上开纵向缝隙无法实现辐射的问题。

Description

一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线及其馈电方法

技术领域

本发明属于无线通信领域；具体涉及一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线及其馈电方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的快速发展，通信频段越来越向更高频段发展。但是，频率较低的通信方式仍有着不可替代的作用。如中波通信、长波通信等。

中波通信是指利用波长为100～1000米、频率为300KHz～3MHz的电磁波进行通信，又称为中频通信。与高频通信相比，中波无线电波传播较稳定,国外海军一直将中波作为舰船中的辅助和应急通信手段。除了作为通信应用外，中波也一直是船舶和飞机的导航用频率，在大型水面舰艇特别是航母将舰载机作为主要战斗力的情况下，中波的地位和作用更加突出。

长波通信是指利用波长大于1000米(频率小于300KHz)的电磁波进行无线电通信，也称为低频(LF)通信。可细分为长波(波长1km～10km，频率30kHz～300kHz)，甚长波(波长100km～10km，频率3kHz～30kHz，通常使用10kHz～30kHz)，超长波(波长10000km～1000km，频率30Hz～300Hz)和极长波(波长长于10万公里)波段的通信。长波通信的历史，可追溯到1901年意大利物理学家马可尼进行的跨越大西洋的越洋通信试验。1925年后，由于发现短波能靠电离层反射进行远距离传播，才逐步用短波通信取代一般的长波通信。第二次世界大战中，因对潜艇通信的需要，各国开始重视发展长波通信。而随着导弹、核武器的发展，导致越来越多的军事设施转入地下，长波地下通信成为保障地下指挥所和坑道间应急通信的重要手段，发挥着不可替代的作用。

长波能够以天波和地波形式进行传播。其中，天波传播是指电波向天空辐射并经电离层反射回地面的传播方式，也称为电离层传播，传播距离可达几千公里乃至上万公里；地波传播是指沿地面传播的无线电波。当发射点和接收点都在地面上，且天线高度比工作波长短得多时，无线电波在两点间形成一种沿着地面传播的模式。在这种情况下，大地和空气的交界面成为引导和约束电磁波传播的结构。这样的传播方式称为地波传播。

天波虽可由电离层反射，传播距离较远，但电离层吸收强，且低层参数变化大，极不稳定，会导致干涉和衰落。而且在一年四季和昼夜的不同时间，电离层都有变化，影响电波的反射，因此天波传播具有不稳定的特点；而地波不受气候影响，传播比较稳定可靠，可全天候稳定通信。此外，电场强度随季节的影响小，传播条件受电离层骚动的影响小，稳定性好，不会产生电场强度的急剧变化和通信的突然中断现象。因此，长波通信主要靠地波传播。

地波传播主要与大地的导电率有关，传播比较稳定，在陆地一般传播距离为几十到几百公里；在海面上传播时，由于海水导电率高，衰减较小，传播距离比陆地要远的多，可达数百到数千公里。

长波通信需要使用长波天线将电磁波发射出去。长波天线通常采用直立式天线，也可采用环天线或其他天线。当长波天线发射的电波沿地面传播时，在地面要产生感应电流。由于大地不是理想导电体，因此感应电流在地面流动要消耗能量，这个能量是由电磁波供给的。这样，电波在传播过程中，就有一部分能量被大地吸收。地面的导电性能越好，吸收越小，则电波传播的损耗越小。因此，电波在海洋上的传播损耗最小，湿土和江河湖泊上的损耗次之，干土和岩石上的损耗最大。此外，电波的频率越低，损耗越小。因为地电阻与电波频率有关，频率越高，感应电流更趋于表面流动，趋肤效应使流过电流的有效面积减小，损耗增大。常采用直立天线的另一个原因是由于直立天线产生垂直极化的电磁波，而垂直极化波较水平极化波衰减小。这是因为水平极化波的电场与地面平行，而地球地面具有良好的导电性，由于地面的镜像作用，大地中的镜像电流与水平极化的天线中的电流方向相反，结果使得天线的辐射场很小。

根据长波传播的特点，长波通信具有重大的应用价值。通常长波可用于中远距离通信、地波通播、地波应急通信、长波矿井通信、地下通信、标准频率和时闻广播及无线电导航等等。在长波频段高端(150～300kHz)，大气噪声较小，天线效率较高，可通电话和电报，被广泛用于海上通信，有的国家也用于广播。频率为100kHz的电磁波，被用于传播罗兰C导航信号、标准时间和标准频率的信号。我国在陕西蒲城就建有低频授时台；此外，长波具有穿透岩石和土壤的能力，也用于地下通信；在长波频段低端(30～60kHZ)，电磁波能穿透一定深度的海水，可以用于对水下舰艇的通信，但因频带窄，只能通电报或低速数据；而对于波长更长的甚低频(VLF)通信，使用波长范围为100km～l0km的电磁波进行通信，通常使用10～30kHz频段。甚长波的波长比长波更长，传播衰减更小，在远距离通信时主要靠大地与低电离层间形成的波导进行传播，距离可达数千公里乃至覆盖全球。这一频段的电磁波传播比较稳定，受电离层骚扰和高空核爆炸的影响较小，通信可靠。甚长波穿透海水能力较强，适用于对水下舰艇的远距离通信、海面舰艇的通信、以及时间和频率标准的广播；此外，还有波长更长的超长波通信。超长波通信也称超低频(SLF)通信。超长波指波长范围为10000km至1000km的电磁波。国外习惯称这一频段为极低频(ELF)，至今仍有沿用；国际电信联盟正式划定这一频段为SLF。这一频段的电磁波传播十分稳定，在海水中衰减很小(频率75Hz时衰减约为0.3dB/m)，对海水穿透能力很强，可深达100m以上，75Hz频率的电磁波在陆地上传播衰减也只有1.3dB/1000km。这一频段可用于对远距离和在大深度下航行的战略导弹核舰艇的通信。由于波长很长，发射天线由长达数十甚至上百公里的两端接地的导线组成(埋地或低架)，并选用花岗岩等导电率极低的地区做发信场地。当电流流经地层形成回路时，因导电率很低，其趋肤深度很深，从而形成一个等效环形发射天线，其辐射图呈8字形，利用相互垂直的两根导线可形成全向天线。天线效率很低，即使发信机为兆瓦级，辐射功率也仅有几瓦。通信速率很低，一个码元长达三十多秒，只能发很简短报文。有时这种通信只起到“振铃”作用，舰艇在深水中收到信号就上浮到一定深度再用甚长波接收岸上发来的正式报文。

由于长波通信需要庞大的天线设备，而且天线的效率较低，发信机功率大，建设长波电台尤其是甚长波、超长波电台需要的成本高昂，我国在长波通信领域发展速度较慢。相比之下，美国基于长波通信的最低限度通信系统发展完善，包括国家紧急空中指挥所(NEACP)、核攻击后指挥和控制系统(PACCS)、全球空中指挥所(WWABNCP)、机载对潜通信系统(TACAMO)、抗毁低频通信系统(SLFCS)、地波应急指挥通信网(GWEN)、长波预警通讯网(DIDS)等等。此外，美国在二战后不遗余力斥巨资大力扩建和新建长波电台，在美国国内以及北约成员国国土上建立了十一座可用于指挥潜艇的长波台，已在全球形成一个严密的对潜指挥通信网。而后，美国在上世纪九十年代，又建成了超低频对潜通信系统，即位于美国威斯康辛州和密执安州的超长波电台，工作频率为40～50Hz和70～80Hz，电台由两部分组成，一部分位于威斯康辛州，另一部分位于密执安州，天线的总长度为135公里，电台总功率5.28兆瓦。

综上所述，长波通信具有巨大的应用价值和战略意义。而高昂的建设费用成为制约我国长波通信发展的原因之一。根据调研资料显示，一座长波电台的建设费用需要上亿美元，如美国的“桑格文”计划超长波通信系统方案，系统造价估值十亿美元、“水手”计划总费用3.15亿美元。而设计发射天线是建造长波台中头等重要而又极其复杂的问题，工程巨大而艰难，往往是通过高耸的铁塔群支撑的巨大天线阵。天线阵占地面积大，建设费用约占总造价的30％。

中、长波发射天线目前广泛采用的是以高大铁塔为支撑的伞形、“T”形和倒“L”形天线。中波天线大多使用桅杆式铁塔，其顶部不加负载。对于长波大功率天线，也可采用多路调谐天线。这些天线形式都在上世纪二、三十年代就已经应用于工程中。其中最为常用的是直立天线，但对于中长波尤其是长波，波长很长，为了保证天线的辐射效率，通常需要天线的有效高度能够达到四分之一波长。因此，中长波直立天线的尺寸会很大，例如200kHz时波长为1500米，天线有效高度需要375米以上，这会带来很大的架设难度。长期以来很多学者和专家都在研究中长波直立天线的小型化技术，尝试用低的直立天线来取代高天线，但都未取得突破性进展。此外，对于长波天线甚至是甚长波超长波天线，由于对应的波长很长，因此无法通过直立天线来实现有效辐射，对于这些频段，天线形式为水平铺地天线。即将天线水平架设在地面上，通过合理的馈电和调谐实现辐射。此时，天线的极化为水平极化，而由于地面镜像的作用，会产生与水平天线极化方向相反的“负镜像”，由于中长波波长较长，而在实际天线的架设中，又无法将中长波尤其是长波天线架设太高，因此，水平铺地天线产生的辐射会与“地面负镜像”产生的辐射部分抵消，使得天线的效率大大降低。

发明内容

本发明提供一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线及其馈电方法，用以解决传统中长波、短波天线直立振子形式天线系统剖面高的问题，以及水平架设天线辐射效率低的问题。使天线在水平架设的情况下实现超低剖面、高辐射效率垂直极化电磁波的辐射和接收；将同轴线内导体与一侧的外导体短路构成传输模式与辐射模式的转化，用水平架设的天线实现垂直极化电磁波的收发。

本发明通过以下技术方案实现：

一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线，所述同轴双缝天线包括同轴外导体上开的缝隙1、同轴线外导体2、同轴线内导体3、同轴线内导体与外导体短路连接线4和终端短路片5；

所述同轴线外导体(2)上开有同轴外导体上开的缝隙(1)，所述同轴外导体(2)上开的缝隙(1)长度为二分之一波长，所述同轴线内导体(3)设置在同轴线外导体(2)的内部，所述同轴线内导体(3)通过短路线(4)与终端短路片(5)和同轴线外导体(2)相连接。

进一步的，同轴线馈电段(6)为同轴线传输模式，所述同轴线馈电段(6)的长度为二分之一波长的同轴传输线。

转换段(7)为同轴线传输模式与缝隙辐射模式转换模式；转换段(7)包括一半同轴外导体(2)、一半同轴内导体(3)、辐射缝隙(1)、短路线(4)以及终端短路片(5)。

进一步的，在转换段(7)沿同轴线传输的电磁波完成同轴线传输模式与缝隙辐射模式的转换，通过缝隙(1)实现垂直极化电磁波的辐射。

进一步的，所述同轴外导体上开的缝隙1长度为二分之一波长中波长指谐振频率对应的波长，所述谐振频率与谐振波长之间的关系为

λ＝c/f

其中λ为波长，c为光速，即3×10^8m/s，f为频率。

一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线的馈电方法，所述馈电方法具体为在同轴线端口进行馈电，电磁波首先以同轴传输线模式在馈电端6传输，然后通过转换端7实现传输模式与辐射模式的转换，形成垂直极化的辐射电磁波，通过缝隙辐射到周围空间中。

本发明的有益效果是：

本发明可以在大大降低天线剖面高度、降低架设和维护成本的同时实现与传统直立天线相同的垂直极化发射/接收。在水平架设时，突破传统水平铺地形式天线辐射效率低的限制。

水平架设，实现了超低剖面；在水平架设的同时，实现了垂直极化电磁波的辐射，具有高的辐射效率。突破了传统直立振子形式天线系统剖面高、水平铺地天线系统辐射效率低的局限性。

本发明所提出的天线架设方式简单，架设速度快，非常适用于应对各种突发情况。

本发明所提出的天线应用场景广泛，既适用于中长波、短波电台天线，也可用于超视距通信系统、车载通信、船舶通信、基站间信息传输等多种应用场景。

本发明通过在同轴线外导体上开纵槽来实现辐射。

附图说明

附图1为本发明整体结构图。

附图2为本发明图1的截面图。

附图3为本发明同轴双缝天线的端口反射系数仿真结果示意图。

附图4为本发明水平面方向图。

附图5为本发明垂直面方向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的天线在水平架设的情况下实现了垂直极化电磁波的发射/接收，适用于中长波、短波通信尤其是甚低频、超低频通信系统。而且频率越低，本发明所提出的天线将具有越明显的优势。相比于传统的中长波天线，本发明所提出的天线在实现超低剖面的同时大大提高了天线的辐射效率。具有架设简单迅速，尺寸小，成本低，抗摧毁能力强等多种优点。

一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线，所述同轴双缝天线包括同轴外导体上开的缝隙1、同轴线外导体2、同轴线内导体3、同轴线内导体与外导体短路连接线4和终端短路片5；

所述同轴线外导体(2)上开有同轴外导体上开的缝隙(1)，所述同轴外导体(2)上开的缝隙(1)长度为二分之一波长，所述同轴线内导体(3)设置在同轴线外导体(2)的内部，所述同轴线内导体(3)通过短路线(4)与终端短路片(5)和同轴线外导体(2)相连接。所述同轴线内导体3与同轴线外导体2短路；天线是通过缝隙1实现向空间的辐射。

短路片5为一个金属圆片，将同轴内导体与同轴外导体相连，同时为同轴缝隙天线创造一个终端短路的电壁。

进一步的，从电磁波传输/辐射模式来分析，同轴线馈电段(6)为同轴线传输模式，从结构上看，所述同轴线馈电段(6)的长度为二分之一波长的同轴传输线。

从电磁波传输/辐射模式来分析，转换段(7)为同轴线传输模式与缝隙辐射模式转换模式；转换段(7)包括一半同轴外导体(2)、一半同轴内导体(3)、辐射缝隙(1)、短路线(4)以及终端短路片(5)。

进一步的，在转换段(7)沿同轴线传输的电磁波完成同轴线传输模式与缝隙辐射模式的转换，通过缝隙(1)实现垂直极化电磁波的辐射。

进一步的，所述同轴外导体上开的缝隙1长度为二分之一波长中波长指谐振频率对应的波长，所述谐振频率与谐振波长之间的关系为

λ＝c/f

其中λ为波长，c为光速，即3×10^8m/s，f为频率。

一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线的馈电方法，所述馈电方法具体为在同轴线端口进行馈电，电磁波首先以同轴传输线模式在馈电端6传输，然后通过转换端7实现传输模式与辐射模式的转换，形成垂直极化的辐射电磁波，通过缝隙辐射到周围空间中。

本发明所提出的同轴双缝天线采用水平架设方式，在水平架设的情况下实现垂直极化电磁波的收/发，与传统动辄高达几百米的长波直立天线相比，大大降低了天线高度，具有明显优点。此外，由于本发明所提出的同轴双缝隙天线为垂直极化天线，因此，与传统水平铺地天线相比，不会受到地面“负镜像”的影响而降低辐射效率。具有架设简单迅速，尺寸小，成本低，抗摧毁能力强等多种优点。

实施例2

一种工作在200KHz附近的长波天线作为具体实施例进行更为详细的解释说明。

对于工作频率为200KHz的长波天线，中心频率对应的波长为1500米，传统的垂直极化天线高度为375米，架设难度高。而采用本发明所提出的同轴双缝天线结构，可以直接将天线铺设在地面上。这样的天线结构架设简单，维护成本低且具有良好的辐射特性。

天线结构如图1所示，同轴双缝天线的整体长度为1500米，直径为30米，缝隙的长度为750米，宽度为7.5米，同轴线内导体在缝隙中心位置处与同轴外导体短接，同轴线外导体直接接地。从天线架设的角度来考虑，架设1500米长30米高的天线比架设375米高的天线更容易实现。

图3为同轴双缝天线输入端口反射系数仿真结果，在197.6KHz频点处端口反射系数的绝对值小于-10dB；图4为同轴双缝天线在197.6KHz时的水平面方向图，这里定义缝隙窄边中心所在的与缝隙平行的平面为水平面，图5为垂直面方向图，定义与缝隙长边中心所在的与缝隙垂直的平面为垂直面，天线的增益为-0.25dBi。传统长波天线的效率大多为10％～40％，本发明所提出的同轴双缝隙天线在直径为五十分之一波长时的辐射效率为58％，总效率为55％。

在这里仅以工作于200KHz附近的同轴双缝天线作为具体实施例进行说明，工作于其他频段的天线可以通过缩比理论得到。此外，天线的长度与直径仍可进一步减小。

本发明所提出的使用水平架设天线实现垂直极化电磁波收发的方法不仅适用于同轴线，还适用于矩形波导等等。本发明中所提出的同轴双缝天线的圆柱形同轴外导体可以变换为矩形波导等结构。此外，馈电同轴内芯可以通过偏心等方式来进行阻抗的调节。

Claims (3)

1.一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线，其特征在于，所述同轴双缝天线包括同轴线外导体上开的辐射缝隙（1）、同轴线外导体（2）、同轴线内导体（3）、短路连接线（4）和终端短路片（5）；

所述同轴线外导体（2）上开的辐射缝隙（1）长度为二分之一波长，所述同轴线内导体（3）设置在同轴线外导体（2）的内部，所述同轴线内导体（3）通过短路连接线（4）与终端短路片（5）和同轴线外导体（2）相连接；

所述同轴双缝天线包括同轴线馈电段（6）和转换段（7），所述同轴线馈电段（6）为同轴线传输模式，所述同轴线馈电段（6）的长度为二分之一波长，所述波长指谐振频率对应的波长，所述同轴线馈电段（6）包括一半所述同轴线外导体（2）和一半所述同轴线内导体（3）；

所述转换段（7）为同轴线传输模式与缝隙辐射模式转换模式；转换段（7）包括一半所述同轴线外导体（2）、一半所述同轴线内导体（3）、所述辐射缝隙（1）、所述短路连接线（4）以及所述终端短路片（5）；

所述终端短路片（5）为一个金属圆片，将同轴线内导体与同轴线外导体相连，同时为同轴双缝天线创造一个终端短路的电壁；同轴线内导体在缝隙中心位置处通过短路片（5）与同轴线外导体短接；

同轴双缝天线的馈电方法为，在同轴线馈电段端口进行馈电，电磁波首先以同轴线传输模式在同轴线馈电段（6）传输，然后通过转换段（7）实现传输模式与辐射模式的转换，形成垂直极化的辐射电磁波，通过缝隙辐射到周围空间中。

2.根据权利要求1所述一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线，其特征在于，在转换段（7）沿同轴线传输的电磁波完成同轴线传输模式与缝隙辐射模式的转换，通过缝隙（1）实现垂直极化电磁波的辐射。

3.根据权利要求1所述一种水平架设实现垂直极化的同轴双缝天线，其特征在于，所述同轴线外导体上开的辐射缝隙（1）长度为二分之一波长，所述谐振频率与波长之间的关系为

其中，为波长，/>为光速，即3×10^8m/s，/>为频率。