CN114094352B - 一种小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列、系统及波束合成操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列、系统及波束合成操作方法，接收阵列由36个小型化双层短波鱼骨天线单元以10度间隔沿圆周分布构成，天线单元的馈电端在靠近接收阵列中心一侧，终端电阻在远离接收阵列中心一侧；接收阵列由内端和外侧各36座塔桅支撑，各塔桅均为相邻两天线单元所共用。本发明所公开的小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列，解决了Model410系列阵列占地面积大的问题，同时保证接收阵列仍然有高增益、低仰角的远距离接收能力，实现在接收阵列占地面积小的情况下对信号进行有效接收。

Description

一种小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列、系统及波束合 成操作方法

技术领域

本发明属于短波接收领域，特别涉及该领域中的一种小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列、系统及波束合成操作方法。

背景技术

美国TCI公司Model410对数周期天线阵系列代表着短波天线领域的国际先进水平，在美国、日本等国家均有应用。虽然该系列的天线单元及阵列形式与本申请的天线系统不同，但两者的工作频段和接收领域的应用相同。

Model410-6型圆形天线阵列由36副水平极化对数周期天线组成，单付天线长度135米，外圈低频端塔高41米，内圈高频端塔高16米，阵列口径350米，中心机房建设在阵中心地下；工作频段为1.5MHz～30MHz，单副天线方向图指向阵中心方向，因此属于内向型阵列，该阵列在全频段可实现波束合成。

该阵列的不足具体表现为：1、阵列口径为350米，占地较大、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；2、单副、合成后的天线方向性增益均偏低，不能满足6000km以上的有效接收要求；3、波束合成时仰角指向固定，不能调整合成后波束的仰角方向、不能将波束合成到任一仰角指向；4、对数周期天线单元的信号噪底高，接收灵敏度偏低；5、由于是内向阵，在低仰角处存在自身遮挡，影响低仰角即远距离接收。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种占地面积小、方向增益高，在波束合成时可以调整合成后波束仰角指向的小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列、系统及波束合成操作方法。

本发明采用如下技术方案：

一种小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列，其改进之处在于：接收阵列由36个小型化双层短波鱼骨天线单元以10度间隔沿圆周分布构成，天线单元的馈电端在靠近接收阵列中心一侧，终端电阻在远离接收阵列中心一侧；接收阵列由内端和外侧各36座塔桅支撑，各塔桅均为相邻两天线单元所共用。

进一步的，天线单元主要由边吊索、中间吊索、八字拉线、尾线、馈线和天线幕组成，天线幕长80m，包括双层对称振子面、公共集合线、复合式耦合装置、终端负载及阻抗变换器，每层振子面包括21对振子，振子长度在4m到8m之间，振子间距在2m到4m之间。

进一步的，各天线单元的振子与集合线分别悬挂于相邻两根边吊索之间，边吊索上布置有陶瓷绝缘子，边吊索的两端分别悬挂在内端和外侧的塔桅上，边吊索的末端绕过安装在塔桅上的定滑轮。

进一步的，圆形接收阵列的外半径在145m到175m之间，塔桅高24m。

一种小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统，其改进之处在于：包括小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列、馈电系统、天线共用器、波束合成设备及交换矩阵，在接收阵列的内部圆形区域建设接收机房，馈电系统由36根符合幅相一致性要求的射频电缆及避雷器件组成，各射频电缆的一端分别连接一个天线单元的阻抗变换器，另一端均引至接收机房并连接天线共用器，射频信号经天线共用器功分后引入波束合成设备或交换矩阵，天线共用器有36部。

进一步的，交换矩阵输入端口数量与天线单元数量相同，输出端口数量及交换矩阵设备数量与用户需求的接收机数量相匹配。

一种波束合成操作方法，适用于上述的小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统，其改进之处在于：

(1)根据接收阵列中天线单元的方位面波束宽度确定参与合成的天线单元数量；

(2)依据接收阵列中天线单元可变相位中心与频率的对应关系，计算相对于接收阵列中心天线单元的移相矢量；

(3)结合接收阵列的内半径设计及天线单元之间的角度间隔选择具体参与合成的天线单元；

(4)对指定合成方向得出相对移相矢量，根据移相矢量进行宽带移相；

(5)选取不同单元数量及天线单元进行理论仿真并对比分析合成增益，最终确定波束合成单元。

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圆形接收阵列，解决了Model410系列阵列占地面积大的问题，同时保证接收阵列仍然有高增益、低仰角的远距离接收能力，实现在接收阵列占地面积小的情况下对信号进行有效接收。

独创性的选取全频段具有高方向增益(最高达18dBi)的小型化天线单元类型，通过对阵列电气和结构性能的优化，设计了全新的小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统，该系统具备波束合成、干扰抑制功能及全天侯的高可靠性，能够对短波全频段全方位任意来向近、中、远距离的天波信号进行有效接收，同时在波束合成时可以调整合成后波束的仰角指向，解决了Model410系列阵列方向增益低，覆盖距离不够远的问题。

本发明所公开的波束合成操作方法，对同样的来波信号，波束合成后可提高3dB左右的信噪比。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列的结构示意图；

图2(a)是常规不共用塔桅的设计示意图；

图2(b)是共用塔桅的设计示意图；

图3是本发明实施例1所公开接收阵列中天线单元的结构示意图；

图4是本发明实施例1所公开接收阵列中天线单元天线幕的组成示意图；

图5是本发明实施例1所公开接收阵列中天线单元的塔桅顶端结构示意图；

图6是本发明实施例1所公开小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统的构成示意图；

图7是本发明实施例1所公开小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统的工作流程示意图；

图8是合成波束仰角可控示意图(6MHz)；

图9是单副小型化双层短波鱼骨天线与单副对数周期天线的方向增益对比图；

图10是多副小型化双层短波鱼骨天线与多副对数周期天线的合成方向增益对比图；

图11(a)是3MHz时小型化双层短波鱼骨天线的相位中心分布图；

图11(b)是10MHz时小型化双层短波鱼骨天线的相位中心分布图；

图12是波束合成后的增益增加值统计图。

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。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列，接收阵列由36个小型化双层短波鱼骨天线单元以10度间隔沿圆周分布构成，结构上天线单元的馈电端在靠近接收阵列中心一侧，终端电阻在远离接收阵列中心一侧，电气性能上天线单元方向图主波束方位为指向圆周外；接收阵列由内端和外侧各36座塔桅支撑，各塔桅均为相邻两天线单元所共用，均匀分布在直径190m、310m的圆周上。

根据小型化双层短波鱼骨天线单元的天线幕空间结构特点，采用小垂度柔索理论进行力学计算分析，塔桅采用共塔设计，需要考虑塔桅在各种不同工况下的受力状态，例如：安装过程中、天线单元出现故障时、最大风速情况等，并对各种受力状态进行物理建模，确保塔桅的安全可靠。

采用上述结构设计方法，设计了如图2(b)所示的共用塔桅结构，相比图2(a)所示常规的不共用塔桅结构，该设计使接收阵列结构更加紧凑和简化，不但场地利用率提高，而且铁塔、铁塔拉线、铁塔基础及拉锚基础的使用数量也大幅减少。图2(a)和图2(b)中的塔桅由圆圈框出。

如图3所示，天线单元主要由边吊索、中间吊索、八字拉线、尾线、馈线和天线幕组成，如图4所示，天线幕长约80m，包括双层对称振子面、公共集合线、复合式耦合装置、终端负载及阻抗变换器，每层振子面包括21对振子，振子长度在4m到8m之间变化，振子间距在2m到4m之间变化。天线单元的详细结构可见在先专利申请：CN112768871A。

各天线单元的振子与集合线分别悬挂于相邻两根边吊索之间，边吊索上布置有若干个陶瓷绝缘子，边吊索的两端分别悬挂在内端和外侧的塔桅上，如图5所示，边吊索的末端绕过安装在塔桅上的定滑轮。

圆形接收阵列的外半径在145m到175m之间，塔桅高24m。

下表中比较了双层鱼骨天线阵与常规中鱼骨天线阵的占地情况，数据表明本实施例的接收阵列结构形式具有明显优势，由36付天线单元组成的接收阵列占地面积约为114亩，接收阵列小型化，仅为同等角度间隔的中鱼骨天线圆形阵面积的22％，节约土地。若按照征地评价10万元/亩的赔付标准计算，用本实施例的双层鱼骨天线接收阵列替代中鱼骨天线圆形阵，可节约征地经费4050万元，能产生巨大的经济效益。

目前，在阵列天线进行合成时，合成波束指向仰角为固定值，不能合成指定仰角方向的波束。本实施例采用的双层鱼骨本身即为阵列合成形式，可以改变天线单元的合成波束仰角指向，同时，以圆形阵列形式组阵后，如图8所示，可以通过前后天线单元的合成控制合成波束的仰角指向。

将本实施例所公开的接收阵列与Model410-6型对数周期天线阵列对比，两阵列的实验数据对比如下：图9是两阵列单副天线的方向增益比较图，图10是两阵列多副天线的合成方向增益比较图。

根据以上对比结果并结合实际应用情况有如下结论：本实施例的增益更高。单副天线增益较Model410-6型高0dB～5dB；合成方向性增益较Model410-6型高1dB～5.5dB。

如图6所示，本实施例还公开了一种小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统，包括小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列、馈电系统、天线共用器、波束合成设备及交换矩阵，在接收阵列的内部圆形区域建设地上接收机房，馈电系统由36根符合幅相一致性要求的射频电缆及避雷器件组成，各射频电缆的一端分别连接一个天线单元的阻抗变换器，另一端均引至接收机房并连接天线共用器，射频信号经天线共用器功分后引入波束合成设备或交换矩阵，天线共用器有36部。

波束合成设备主要用于短波低频信号的合成，合成设备的规模根据用户需求确定。

交换矩阵输入端口数量与天线单元数量相同，输出端口数量及交换矩阵设备数量与用户需求的接收机数量相匹配。本系统交换矩阵和天线共用器为配备设备。

小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统主要用于短波全频段任意来向空间电磁波信号的高效接收，并根据业务需求将接收阵列转化的射频电压信号传送至任意一部接收机。

如图7所示，接收阵列将空间电磁波信号有效转化为射频电压信号，经馈电系统送至天线共用器，天线共用器功分后一部分信号直接输出交换矩阵，实现任意一部接收机对空间任意方向来波信号的接收；天线共用器功分后的另一部分信号，根据波束合成需要输出至波束合成设备，然后连接至交换矩阵，实现接收机对任意低频信号的高效接收。

本实施例所公开的小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统是国内目前唯一的小型化双层短波鱼骨天线圆形阵，天线单元为全频段高增益定向小型化双层鱼骨天线，在同一频率可以针对不同仰角进行合成。在国际上未发现有与本实施例相同形式的接收阵列系统的相关报道。

本实施例还公开了一种波束合成操作方法，波束合成时，合成增益的大小主要取决于参与合成的天线单元数量及合成阵列的电孔径。合成波束的仰角指向主要取决于合成时各天线单元的补偿相位。本实施例接收阵列系统波束合成时的天线单元选取步骤如下：

(1)根据接收阵列中天线单元的方位面波束宽度确定参与合成的天线单元数量；

(2)如图11(a)和11(b)所示，依据接收阵列中天线单元可变相位中心与频率的对应关系，计算相对于接收阵列中心天线单元的移相矢量；

(3)结合接收阵列的内半径设计及天线单元之间的角度间隔选择具体参与合成的天线单元；

(4)对指定合成方向得出相对移相矢量，根据移相矢量进行宽带移相；

(5)选取不同单元数量及天线单元进行理论仿真并对比分析合成增益，最终确定波束合成单元。

如图12所示，采用上述步骤，合成后可在2MHz～30MHz频率范围提高3dB左右的增益。

Claims (1)

1.一种波束合成操作方法，适用于小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列系统，该系统包括小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列、馈电系统、天线共用器、波束合成设备及交换矩阵，在接收阵列的内部圆形区域建设接收机房，馈电系统由36根符合幅相一致性要求的射频电缆及避雷器件组成，各射频电缆的一端分别连接一个天线单元的阻抗变换器，另一端均引至接收机房并连接天线共用器，射频信号经天线共用器功分后引入波束合成设备或交换矩阵，天线共用器有36部；交换矩阵输入端口数量与天线单元数量相同，输出端口数量及交换矩阵设备数量与用户需求的接收机数量相匹配；所述小型化双层短波鱼骨天线圆形接收阵列的接收阵列由36个小型化双层短波鱼骨天线单元以10度间隔沿圆周分布构成，天线单元的馈电端在靠近接收阵列中心一侧，终端电阻在远离接收阵列中心一侧；接收阵列由内端和外侧各36座塔桅支撑，各塔桅均为相邻两天线单元所共用，其特征在于：

（1）根据接收阵列中天线单元的方位面波束宽度确定参与合成的天线单元数量；

（2）依据接收阵列中天线单元可变相位中心与频率的对应关系，计算相对于接收阵列中心天线单元的移相矢量；

（3）结合接收阵列的内半径设计及天线单元之间的角度间隔选择具体参与合成的天线单元；

（4）对指定合成方向得出相对移相矢量，根据移相矢量进行宽带移相；

（5）选取不同单元数量及天线单元进行理论仿真并对比分析合成增益，最终确定波束合成单元。