一种旋转对数周期天线设计
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摘 要：对数周期天线是能够用一副天线工作于整个短波波段并保持优良性能的宽带天线形式，主要用于中远距离通信，本文提出了一种短波旋转对数周期天线的设计方法，针对其关键设计点提出了独特见解。之后经过样机试架试验，测试了所设计天线的关键电气指标，与理论结果进行比较，并结合天线结构设计实际进行调整修正。调整后天线性能优异。本文指出了此类天线的设计关键，对该种紧凑型带桁架天线工程具有参考意义。
关键词：旋转 对数周期天线 短波 桁架
中图分类号：TN821 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0041-02
对数周期天线是能够用一副天线工作于整个短波波段并保持优良性能的宽带天线形式，主要用于中远距离通信[1]。由于它结构简单，频带宽，增益高，得到广泛应用[2]。传统的对数周期天线安装好后只能对一个方向进行通信，旋转对数周期天线是在天线幕的下面安装转动伺服系统，工作时可以根据需要调整天线转到最佳通信方向。由于旋转的特殊需求，旋转对数周期天线在电气设计中有其独特特点。
1 引言
考虑结构及抗风要求，旋转对数周期天线结构尺寸必须严格控制，否则对于整个天线体的转动支撑结构带来很大的负荷，甚至不能实现。而如果天线尺寸过小，那么天线的增益和阻抗将很难达到设计要求。因此合理的选择天线参数将变得至关重要。
为了大幅度缩小对数周期天线的纵向长度，必须合理地分配τ与σ参数。当τ与σ分配不合适时，天线的非频变性会遭到破坏，即使在振子全尺寸情况下都不能满足要求。高性能的小型化对数周期天线设计思路是：首先设计出合适的 与 参数，将天线的纵向尺寸缩小至实际需要的空间，此时振子在全尺寸情况工作，必须满足电性能要求;其次，进行天线的横向尺寸缩小，将振子尺寸缩小至实际需要的空间内，一般可采用V型振子、门形振子、S形振子等缩短横向尺寸。
2 旋转对数周期天线的电气仿真
本文旋转对数周期天线采用燕尾型对数周期天线形式[3]，所有振子基本呈“V”型结构，天线结构紧凑，通常比相同工作频率的对数周期偶极子天线横向宽度要小很多，以便于天线整体结构转动。旋转对数周期天线电气工作原理与一般对数周期偶极子天线的工作原理相同，即存在传输区、辐射区、非谐振区。
一般燕尾型对数周期天线的结构示意图如图1所示。
从图1中可以看到，燕尾型对数周期天线中每个振子与集合线夹角均不相同，一般为了缩短横向长度，最长振子与集合的夹角最小，其余后面逐渐变大。为了保证天线电气性能的非频变特性，振子与集合线的夹角也必须按照比例因子逐渐变化，这个比例关系构成了燕尾型对数周期天线各个振子自相似的核心。振子长度与振子间距的比例同一般对数周期偶极子天线相同，天线通过各个振子的自相似结构构成非频变特性。
整个天线由铁塔、天线桁架、天线面、阻抗变换器、加载网络构成。
本天线设计工作频率范围为4～30MHz，天线面由17对振子、一对集合线、两对边索组成，占地约28m×28m。振子与集合线构成不同的夹角向短振子方向倾斜，构成燕尾型对数周期天线。振子以对数周期基本原理长度构成。长振子对应低频工作区域，短振子对应高频工作区域。
本天线为实现天线重心、支撑绗架、支撑塔投影重合，要求振子和集合线夹角尽可能小。
经过电气计算及结构初步反馈，天线的驻波比以及典型频率方向图如图2所示。
3 天线结构形式
天线结构如图1所示，天线面主要包括振子和尾线、边吊索、短路线、集合线、跳线等;天线主桁架包括中心主桁架、中心立塔、前端支撑组件和主桁架支撑组件组成;侧翼包括侧翼底座、绝缘管、拉线箍等组成。除下支撑外，其余支撑梁主要材质为玻璃钢管，下支撑由金属组装而成;拉线包括主桁架、侧翼的上、下拉线和主桁架、侧翼间拉线，上、下拉线由钢丝绳制作而成，主桁架、侧翼间拉线由非金属绳制作而成。
集合线通过绝缘板安装在桁架内部，为上、下雙线结构。短路线连接在集合线另一端，结构形式与集合线一样，为上下结构，固定在主桁架下方。
天线高频端由V型架支撑，V型架由V型接头、接头、玻璃钢管和平衡拉线组成，V型架结构示意图见图3。其中水平拉线长约3.6m，其上均匀布置三个绝缘子将拉线分成约0.9m间隔的四段。
V型接头和接头均由φ80mm×5mm钢管和钢板焊接而成，钢管上加工螺栓固定孔，固定玻璃钢管。
4 天线试验
天线在生产完成后进行试架，并对其进行了驻波比测试，测试结果如图4所示。
在中低频段，天线驻波比均小于2，基本符合理论仿真结果。但在25MHz以后，天线驻波比明显异常。经分析其原因可能有以下几点[4]。
（1）最短振子过长，天线可用频段不足以覆盖到30MHz;
（2）高频振子及其跳线受桁架负面影响;
（3）天线受其他耦合影响;
经逐项排查，最终发现天线桁架前端V型架上的水平拉线对天线影响较大。V型架V型接头、接头、水平拉线部分均为金属件。其中水平拉线按0.9m间隔布置高频绝缘子，但该水平拉线距离高频振子距离仅2m左右，考虑到天线最短振子长度为1.46m，0.9m长的绝缘子间隔仍然会产生严重影响其仍然对天线高频造成严重影响。
经再次建模、试验，将该拉线替换为非金属绳，该影响随之消除。但考虑到工程防腐以及天线寿命的原因，该拉线采用金属绳仍然有重要意义。但采用金属拉绳时，应保持单段金属绳长度小于天线最短振子半臂长的1/2计算表明当拉线长度约为振子半臂长的1/2时基本对天线驻波特性不构成影响，如图5所示。
5 结语
在旋转对数周期天线这种结构紧凑的天线设计中，天线性能极易受到天线面附近桁架、拉线、支撑件以及索具等其他因素干扰。在天线设计时对天线面尤其是高频端所有金属结构件均需要特别关注，对于较大金属件影响应通过电磁仿真软件建模计算避免，并通过试验验证。
参考文献
[1] （美）波赛尔（Poisel.R.A）著.天线系统及其在电子战系统中的应用[M].胡来招等，译.北京：国防工业出版社，2014.
[2] 陈水清，李运洲，孙英阁.15kW大功率固定对数周期天线改造设计[J].舰船电子工程，2016，36（5）：172-174.
[3] 李东虎，任晓飞，李虎.一种小型化短波对数周期天线设计[J].电波科学学报，2014，29（4）：711-714.
[4] 杨国英，赵福玲.对数周期偶极子天线阵的互耦分析[J].现代电子技术，2013（11）：85-88.
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