CN209217209U - 一种天馈线装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种天馈线装置及系统。本实用新型提出的天馈线装置，包括调谐器电路、加载电路以及天线体，天线体包括至少一条天线，调谐器电路的一端用于连接电台，另一端连接加载电路的一端，加载电路的另一端连接各天线，加载电路包括第一主线路、可调电容C4、电阻R1、电感L3以及电容C5，可调电容C4、电阻R1、电感L3以及电容C5的其中一端连接第一主线路，另一端接地。本实用新型采用电阻、电容和电感这些无源器件集中加载，使得电阻的吸收减小，对整个加载电路的影响小，还可以控制整个加载电路引起的损耗，该加载电路还改善了天线的驻波比，使得辐射效率大大提高。

Description

一种天馈线装置及系统

技术领域

本实用新型涉及一种天馈线装置及系统。

背景技术

短波(2MHz～30MHz)通信设备紧凑，通信距离远，建立速度快，抗摧毁性强，但短波在通信中存在明显的盲区。短波通信多依靠地波传播和天波传播，地波传播距离一般是20～30km，而天波从电离层反射落地的最短距离一般为80～100km，这样在地波传播极大值与天波传播最短距离之间就形成了通信“盲区”。传统上盲区处于30～80km之间，这一区域在通信中十分重要，但在这一区域建立短波天线却比较困难。解决该问题的方法是对该区域的通信采用近垂直入射天波(NVIS,Near Vertical Incidence SKY wave)传播通信方式，如图1所示，能几乎垂直地朝电离层辐射，利用天波来工作，满足了短波通信在0～100km内较稳定，可靠的“动中通”、“山区通”等通信需求。

一般情况下，车载短波天线采用天波进行通信，其根本问题是辐射电阻很低，所以效率低，因此需要提高辐射电阻，降低天线自身的损耗来提高效率。若仅从辐射电阻来看，在常用的尺寸条件下，鞭天线的辐射电阻比环天线高几个数量级，因此过去认为环天线不适合作为发射天线。人们在提高鞭天线的辐射电阻方面做了大量工作，顶电容加载、中部电感加载、介质分布加载等，这些措施提高鞭天线的辐射电阻，而且使鞭天线上的电流分布更加均匀，但是天线的有效高度只提高一倍，增益提高6dB,而且在短波段很难解决鞭天线自身的损耗问题，最终效率并没有明显的改善。

在车载天线的运用中，实际影响天线增益的主要因素不仅只是高度。鞭天线本质为单极天线，而单极天线必须利用大地作为电流回路，大地的损耗以自阻抗形式引入单级天线的输入电阻中，成为单级天线损耗的主要部分，为降低大地损耗通常必须加地网，而车载天线在运动中无法做到这一点，大地损耗电阻比天线的辐射电阻大的多，成为影响车载鞭天线增益提高的致命因素。虽然环天线的辐射电阻比鞭天线小很多，但由于环天线回路不需要大地，大地损耗是以互阻抗的形式被引入环天线的输入电阻中，因而大地损耗对环天线的影响比鞭天线的影响小的多，环天线的损耗主要来自天线导体自身的损耗，而天线自身的损耗可以通过加大天线的直径、使用高导电率的材料等方法来大幅度降低，而在不加地网的条件下，环天线的效率比同尺寸的鞭天线的效率高很多。

NVIS这种通信方式是通过天馈线系统完成的，但是现有的天馈线系统的加载电路中一般为电阻加载，电阻加载的优点是具有较好的宽频带特性，缺点是由于电阻吸收功率，使信号传输效率降低，特别对电长度较小的天线，效率仅为百分之几。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种天馈线装置及系统，用于解决现有的天馈线系统信号传输效率低的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出一种天馈线装置，包括调谐器电路、加载电路以及天线体，天线体包括至少一条天线，调谐器电路的一端用于连接电台，另一端连接加载电路的一端，加载电路的另一端连接各天线，加载电路包括第一主线路、可调电容C4、电阻R1、电感L3以及电容C5，可调电容C4、电阻R1、电感L3以及电容C5的其中一端连接第一主线路，另一端接地。

另外，还提出一种天馈线系统，包括电台以及以上天馈线装置。

上述天馈线装置及系统采用电阻、电容和电感这些无源器件集中加载，使得电阻的吸收减小，对整个加载电路的影响小，还可以控制整个加载电路引起的损耗，该加载电路还改善了天线的驻波比，使得辐射效率大大提高，并且电阻、电容和电感集中加载还便于在电磁场仿真软件中实现，可以清晰的分析辐射效果，调谐器电路用于协调连接电台的同轴电缆输出端口与加载电路输入端之间的关系，对所需信号进行选择，减小干扰，提高传输效率。

进一步的，上述天馈线装置及系统中调谐器电路包括第二主线路、可调电感L1、电容C1、可调电容C2、可调电容C3以及电感L2，第二主线路的一端用于连接电台，第二主线路的另一端连接第一主线路，可调电感L1以及电容C1串设于第二主线路上，可调电容C2的其中一端连接第二主线路的用于连接电台的一端，另一端接地；可调电容C3以及电感L2的其中一端连接第二主线路与第一主线路连接的一端，另一端接地。

本调谐器电路传输效率高，可以进一步的提高发射效率。

进一步的，上述天馈线装置及系统中天线体包括两条天线。

设置两条天线可以增加了天线的等效截面直径，降低了天线自身的损耗，从而提高天线的传输效率。

进一步的，上述天馈线装置及系统中各天线均为环形天线，两条环形天线之间通过夹板固定。

环形天线的电流沿天线各点等幅同相，不仅可以增大天线的幅射，还减少了输入端容抗，降低了天线调谐器的损耗，同时具有较好的宽带特性。

进一步的，上述天馈线装置及系统中两条环形天线结构相同，且轴向分布。

环形天线轴向分布可以进一步的提高辐射效率。

进一步的，上述天馈线装置及系统中天馈线装置还包括一个底座，加载电路布置于底座内部，加载电路的两端布置在底座壳体上。

将加载电路内置于底座，可以进一步的稳定加载电路，提高传输效率。

进一步的，上述天馈线装置及系统中两条环形天线的最高点与底座之间设置有撑杆。

使用支撑结构固定双环天线，使得双环天线更加稳定，提高效率。

进一步的，上述天馈线装置及系统中撑杆与两条环形天线之间或者撑杆与底座之间设置有缓冲装置。

弹性装置给予支撑结构一定的长度余量，可以支持不同尺寸的双环天线，通用性强。

附图说明

图1是现有技术NVIS传播示意图；

图2是本实用新型天馈线系统电路原理图；

图3是本实用新型天馈线系统结构示意图；

图4是本实用新型双环天线体的结构组成示意图；

图5是本实用新型天馈线装置工作原理示意图；

图6是本实用新型天馈线系统未加载RLC电路与加载RLC电路的驻波比曲线比较图；

图7是本实用新型天馈线系统未进行匹配与进行匹配的驻波比曲线比较图；

图8是本实用新型双环天线仿真模型示意图；

图9是本实用新型双环天线仿真效果示意图；

图中：1为底座、2为环形天线、3为撑杆、4为非金属夹板、5为连接块、6为缓冲器、7为最高点非金属夹板、8为天线馈线、9为调谐器、10为地线、11为同轴电缆、12为短波电台。

具体实施方式

天馈线系统实施例：

如图2、3所示，天馈线系统包括电台以及天馈线装置，天馈线装置包括调谐器电路、加载电路(即RLC电路)以及天线体，天线体包括两条天线，调谐器电路的一端连接电台，另一端连接加载电路的一端，加载电路的另一端连接各天线，各天线并联连接，加载电路包括第一主线路、可调电容C4、电阻R1、电感L3以及电容C5，可调电容C4、电阻R1、电感L3以及电容C5的其中一端连接第一主线路，另一端通过地线10接地。

关于天线的数量本实用新型不做限制，一条以上即可，条数越多，直径越大，效率更高，不过针对实际安装情况，选用两条天线即可。

本实施例中电台为短波电台12，调谐器电路布置于调谐器9内部，短波电台12与调谐器9通过同轴电缆11连接，同轴电缆11等效为50Ω的电阻，而且同轴电缆11是接地的。调谐器9用于协调同轴电缆11输出端口与加载电路输入端之间的关系，可以减小干扰，提高传输效率。

调谐器电路包括第二主线路、可调电感L1、电容C1、可调电容C2、可调电容C3以及电感L2，第二主线路的一端连接短波电台12，第二主线路的另一端通过天线馈线8连接第一主线路，可调电感L1以及电容C1串设于第二主线路上，可调电容C2的其中一端连接第二主线路的连接短波电台12的一端，另一端通过地线10接地；可调电容C3以及电感L2的其中一端连接第二主线路与第一主线路连接的一端，另一端通过地线10接地。

本实施例中，如图4所示，两条天线同时为环形天线2，并且两条环形天线2之间通过夹板固定，夹板为非金属夹板4，两条环形天线2也称双环天线，双环天线为垂直极化天线，环直径1700mm，线径13mm，环间距100mm，两条环形天线2并联，该双环天线主要利用NVIS原理，解决普通短波天线通信盲区(30-80km)问题。作为其他实施方式，作为环形天线2的其他等同变换也是可以的，比如说：矩形、三角形、菱形等其他形状。关于两条环形天线2的等效电路如图2所示(图2中的天线体等效电路)，等效电路为常规等效电路，这里不做赘述。

为了提高辐射效率，本实施例中，两条环形天线2的结构是相同的，而且是轴向分布的，作为其他实施方式，只要并联设置即可，两条环形天线2的结构也可以不相同，也无需轴向分布。

为了便于加载电路的安装，本实施例中，天馈线装置还包括一个底座1，底座1为非金属的，加载电路布置于底座1内部，加载电路的两端布置在底座壳体上，两条环形天线2的两端通过连接块5连接底座1，作为其他实施方式，底座1也可以不设置，将加载电路直接连接天线即可。

为了保证两条环形天线2更加稳定，本实施例中，两条环形天线2的最高点与底座1之间设置有撑杆3，撑杆3为非金属的，具体为，在两条环形天线2的最高点固定一个最高点非金属夹板7，在最高点非金属夹板7与底座1之间设置撑杆3，当然，在可以保证环形天线2稳定的情况下，撑杆3也可以没有。

为了使撑杆3有一定的余量，撑杆3与最高点非金属夹板7或者撑杆3与底座1之间设置有缓冲装置，本实施例中，缓冲装置为缓冲器6，由于底座1是稳定的，因此将缓冲器6设置在撑杆3与底座1之间，作为其他实施方式，缓冲装置可以为弹簧等有弹性的装置即可。

关于环形天线2的优势可以从以下计算得出，根据不同尺寸的单极天线(即鞭天线)和不同尺寸的环形天线(即环天线)的天线效率比较可以得到其优势：

鞭天线归于波幅电流的辐射电阻：

R_ro＝30∫{[cos(khcosθ)-coskh]²/sinθ}dθ；

鞭天线归于输入电流的损耗电阻为：R_r＝R_ro sin²kh；

大地损耗为：R_d＝(2～7)λ/4h；

鞭天线的效率为：η＝R_r/(R_r+R_d)；

其中：k＝7、λ为波长、θ为辐射角度，h为鞭天线的高度。

不同高度的鞭天线的计算结果如表一所示：

表一 不同高度的鞭天线的天线效率

注：1、鞭天线高度对波长的归一化值，电阻单位为Ω；2、大地损耗计算公式中的系数取7；3、工作频率取4MHz。

环形天线的辐射电阻为：R₁＝20π²(L/λ)⁴；

环形天线的损耗电阻为：R₂＝(L/C)(ωμ₀/2σ)^1/2，C＝πd；

环形天线的效率为：η₁＝R₁/(R₁+R₂)，

其中，L为环周长，C为环形天线截面周长、λ为波长、ω为场的能量密度常数、μ₀为媒质的磁导率，单位H/m、σ媒质的电导率，单位S/m、d为环形天线的等效截面直径。

不同直径(高度)的环形天线的计算结果如表二所示：

表二 不同直径的环形天线的天线效率

天线直径	0.011	0.013	0.014	0.015	0.016	0.02
							辐射电阻	0.0025	0.0032	0.0039	0.0048	0.0057	0.0152
损耗电阻	0.0111	0.0116	0.0118	0.0122	0.0127	0.0163
							天线效率	0.18	0.22	0.25	0.28	0.31	0.48

注：1、天线直径为对波长的归一化值，电阻单位为Ω。2、环形天线的等效截面直径为：0.00012λ×2。3、工作频率取4MHz。

由上面的公式和计算结果可见，增加环形天线的等效截面直径和环形天线的直径可以提高效率，直径为0.02λ的环形天线的效率与高度为0.15λ的鞭天线的效率相当。对于4MHz的工作频率(根据λ＝c/f可知,c光速，f为工作频率)，环形天线的高度为1.5米而鞭天线的高度为11米左右，显然环形天线更适合于车载天线的应用。

当然，天馈线装置还包括如图5所示的检测部分和微处理单元。图5中匹配网络部分即图2中的调谐器电路和加载电路，通过如图6、图7可以看出，本实施例中的双环天线进行匹配网络/加载RLC电路后，驻波比得到极大改善，低频端驻波比下降，整个曲线比较平缓，便于调谐器9调谐，满足短波频段内通信要求。

该天馈线装置的工作过程为：从短波电台12送来的复合信号先经过接口电路后，将电源、射频信号、串行数据分离开，其中电源送至供电单元以稳压出调谐器9所需要的各种电压；射频信号经过检测部分、匹配网络部分送至双环天线发射出去；串行数据送至微处理器，微处理器根据从串行数据中提取的频率值并采样天线的阻抗进行计算，得出计算结果后将计算结果发送给网络器件控制驱动匹配网络部分中的相应继电器，从而来改变匹配网络部分的阻抗，最后使之与双环天线相匹配，并将功率发射出去。同时，检测部分实时检测出射频信号的正反向电压、正反向电流、相位等数据送至微处理器，用来监测匹配网络部分的工作状态。

天馈线装置采用先进的“矢量调谐”算法，为短波电台12和双环天线之间提供一个良好的匹配网络，使短波电台12的功率以较高的效率发射出去。“矢量调谐”算法是用极微弱的测试信号(约等于0dBm功率)快速的测量出双环天线的阻抗，根据阻抗的实部值和虚部值(或模和相角)的关系，通过计算直接得出匹配网络中所需要的匹配网络参数(即网络形式、电容总值和电感总值)，在理论上可以一次就能完成良好的网络匹配。

将天馈线系统进行仿真，建立如图8所示的双环天线仿真模型，使用FEKO仿真软件进行仿真，得出如图9所示的仿真结果。从仿真结果可以看出，该天馈线系统中的双环天线为中间馈电，信号同步传输，即使存在“幅相不圆”，也并不影响天线的效果；辐射方向完全符合NVIS理论，从而印证前文所述论证。

该天馈线系统中双环天线的下端与底座1内加载电路相连，电流沿天线各点的等幅同相，具有行波天线的特征，不仅可以增大双环天线的幅射，同时减少了输入端容抗，降低了调谐器9的损耗，同时改善了双环天线的驻波比，具有较好的宽带特性。

天馈线装置实施例：

天馈线装置的结构、连接关系以及工作过程在上述天馈线系统实施例中已经介绍，这里不做赘述。

Claims (9)

1.一种天馈线装置，其特征在于，包括调谐器电路、加载电路以及天线体，所述天线体包括至少一条天线，所述调谐器电路的一端用于连接电台，另一端连接加载电路的一端，加载电路的另一端连接各天线，所述加载电路包括第一主线路、可调电容C4、电阻R1、电感L3以及电容C5，所述可调电容C4、电阻R1、电感L3以及电容C5的其中一端连接所述第一主线路，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的天馈线装置，其特征在于，所述调谐器电路包括第二主线路、可调电感L1、电容C1、可调电容C2、可调电容C3以及电感L2，所述第二主线路的一端用于连接所述电台，所述第二主线路的另一端连接所述第一主线路，所述可调电感L1以及电容C1串设于所述第二主线路上，所述可调电容C2的其中一端连接第二主线路的用于连接电台的一端，另一端接地；所述可调电容C3以及电感L2的其中一端连接所述第二主线路与第一主线路连接的一端，另一端接地。

3.根据权利要求1或2所述的天馈线装置，其特征在于，所述天线体包括两条天线。

4.根据权利要求3所述的天馈线装置，其特征在于，各天线均为环形天线，两条环形天线之间通过夹板固定。

5.根据权利要求4所述的天馈线装置，其特征在于，两条环形天线结构相同，且轴向分布。

6.根据权利要求5所述的天馈线装置，其特征在于，所述天馈线装置还包括一个底座，所述加载电路布置于所述底座内部，加载电路的两端布置在底座壳体上。

7.根据权利要求6所述的天馈线装置，其特征在于，两条环形天线的最高点与底座之间设置有撑杆。

8.根据权利要求7所述的天馈线装置，其特征在于，所述撑杆与两条环形天线之间或者所述撑杆与所述底座之间设置有缓冲装置。

9.一种天馈线系统，包括电台以及天馈线装置，其特征在于，所述天馈线装置为权利要求1-8中任意一项所述的天馈线装置。