一种新型的电离层短波探测发射天线

1、一种新型的电离层短波探测发射天线:Anewtypeof3MHz30MHzbroadbandshort-waveantenna，whichisappliedtotheionosphereshort-wavedetectionsystemtolaunchtheionospheredetectionsignal.Theworkingprincipleoftheionosphereshort-wavedetectionsystemisoutlined.Thetechnicalrequirementsofthetransmittingantennaintheionosphereshort-wavedet

2、ectionsystemareintroduced.Thetechnologydefectsofthecurrentionosphericshort-wavetransmittingantennausedinthedetectionsystemareanalyzed.Throughmodelingandsimulation，thetechnicalparametersoftheoldandthenewantennaarecompared，andcontrasttestisconductedinpracticalapplication.Thetestresultshowsthatthenewan

3、tennacanbettermeettherequirementoftransmittingantennaionosphereshort-wavedetectionsystem.0引言电离层具有时变、不均匀、各向异性、色散、吸收、双折射及随机等电磁特性，这些特性会引起无线电折射、吸收、闪烁、多径效应、极化旋转、色散和多普勒频移等变化，导致通信、导航、测量和遥感信息质量的降低甚至失灵。因此对电离层电磁特性的研究和预报对人们的日常生活及军事活动有着十分重要的意义。而短波（3MHz-30MHz与电离层关系最为密切，为了保证HF频段在相关领域的正常、可靠的应用，各国纷纷创建了电离层探测观测站，国际空间

4、环境服务组织（ISES）还专门从事快速交换电离层探测数据，发布影响短波通信的电离层骚扰警报。短波天线作为电离层短波探测系统重要组成部分，对其的研究有着十分重要的意义。1 电离层短波探测系统原理及天线需求分析目前电离层短波探测系统主要有两种模式，一种是垂直探测模式，另一种是斜向探测模式。无论哪种模式，均是采用发射机迅速发射3MHz-30MHz（部分探测系统频率为1MHz-30MHz扫频脉冲信号，探测接收机同步接收经电离层反射后的信号，并对数据进行处理分析。垂直探测系统中电波通过天线向天顶方向辐射回波主要分布在观测站点附近区域，这种模式主要用于研究发射站点上空一定区域内电离层对短波传播的影响。斜向

5、探测系统中电波通过天线以一定仰角发射到远区电离层，反射波分布在远区，发射站接收站相距几百至几千公里，因此斜向探测可对数千公里范围内电离层进行探测。两种探测系统均需要通过天线向特定空域辐射电磁波，理论上两种探测系统可分别配备收发天线。但在实际应用中，受经济因素及场地条件的影响，通常共用发射天线。这就要求发射天线同时向天顶方向辐射及低仰角辐射辐射电磁波，天线的空间方向图需覆盖几乎整个上半空间，或至少仰角范围达到1590,同时在仰角为15。90。区域内具备较高的增益。2 现有天线性能缺陷及解决方案目前在电离层探测系统中所选用的发射天线为三角形天线也称天线，如图1所示。该天线年具备较宽阻抗带宽，方向图

6、覆盖范围宽广等特点，但其也存在着一定的技术缺陷，主要表现为三角形天线的空间方向图有裂瓣且零深较高。方向图裂瓣导致电离层探测系统辐射出去的电磁波无法到达某些区域，特别是在斜向探测系统中的影响尤为明显，斜测探测出现探测盲区。该问题可通过增加天线的数量，即通过在不同站点架设多付三角形天线组网解决，但其经济成本较高。针对该现象，笔者提出了一种新型天线“飞鱼对数周期天线”，如图2所示。该天线幕垂直地面放置，振子与地面构成一定的倾角，高频端冲向地面，利用地面的反射，可向空间辐射宽波瓣方向图，其方向图可以很好地覆盖仰角1590的空域，且该空域内方向图无裂瓣。利用一付天线而不需要组网即可解决原有天线辐射盲区的

7、问题，这为上述问题提供了一种新的解决方法。（图2）3天线建模分析笔者将依据电离层短波探测工程应用为背景，分别对两种天线进行建模分析，并对两种类型天线的阻抗特性、方向图特性及增益等性能进行对比。1.1 建模软件对线天线电气性能的分析可以采用矩量法编程据算，即将天线分解成许多直线小线段，对每一小段中由射频电流产生的场以及由其它小段互耦和产生的场进行计算，然后将所有线段产生的场进行矢量相加便可得到线天线的空间场分布。进行编程计算时应充分考虑地面的影响，对大地电导率及介电常数进行合理赋值。直接使用基础语言编程计算是一件较复杂的工作，而计算机仿真软件的发展使得这一工作变得简单起来。目前较为流行的线天线仿

8、真软件有RoyLewallen公司的NEC系列软件，还有EMSS公司的FEK酝歹U软件。FEK球件包含了丰富的高频算法，如MOMFEMPQLargeelementPO、GOUTD等，其在电磁仿真分析方面表现较为突出。本文章中笔者在对两种天线进行建模仿真时，使用的软件为FEKO5.5版本。1.2 三角形天线仿真三角形天线（天线）为行波天线，由两片成类似形状的辐射振子、匹配网络、负载及支撑铁塔构成，天线示意图如图1所示。其中ABAC部分为天线辐射体，分别由两根导线组成，两根导线在A端及B端相互连接，使用两根导线可使得天线阻抗曲线相对平稳，且可以承受更高功率。BO及CO为水平馈电线。三角形天线工作时

9、，高频电流一部分通过辐射体转换成电磁波向自由空间辐射，而未辐射部分被吸收负载所吸收。因为辐射体为斜架设，因此三角形天线同时辐射水平极化波和垂直极化波。天线仿真参数：三角形天线为成熟的短波天线，其设计参数在许多天线教材中都有介绍。笔者进行天线设计时所使用设计参数为：频率范围为3MHz-30MHz天线架H=32m跨度L=903水平部分离地高度D=2m辐射导线直径为4mm天线吸收负载R=600Q。天线仿真时应充分考虑大地参数对天线电气特性的影响，此处选取我国北方典型地貌的地参数，介电常数=13,电导率（t=0.005。天线建模如图3所示。仿真结果：阻抗特性。三角形天线的阻抗仿真结果如图4所示，采用9

10、00：50的阻抗变换后，得到的天线驻波曲线如图5所示，从图上可以看出，三角形天线的驻波比大部分小于2.5,个别点VSWR3o而在工程应用中三角形天线作为发射使用时驻波比指标一般为VSWR2.5,作为接收使用时VSWR3。方向图。三角形天线方向图如图6所示。1.3 飞鱼天线仿真飞鱼对数周期天线由天线幕、天线幕支架等组成，飞鱼天线辐射振子与集合线成一定夹角，振子长度及夹角按照特定参数变化。天线高频端冲向地面，天线辐射经过地面反射到上半空间，从而产生全向且仰角范围较广的方向图。天线仿真时笔者根据工程应用中的技术要求，精心设计了一组飞鱼天线参数：振子数量为17对，天线架高32m,跨度70m,天线工作频

11、率3MHz-30MHz天线仿真时大地参数与天线一致，飞鱼天线电气模型如图7所示。仿真结果：阻抗特性。飞鱼天线的阻抗特性在3MHz-30MH领带内比较平稳，阻抗实部在100300Q区间变化，虚部在-100100Q区间变化，天线阻抗特性如图8所示。方向图如图9所示。4 仿真结果对比4.1 阻抗三角形天线虽然属于类行波天线，但由于工作频带较宽，在3MHz-30MHz的频带范围内，天线阻抗曲线起伏较大，匹配难度较大,从仿真结果可以看出三角形驻波比VSWR3o而飞鱼对数周期天线辐射振子成周期变化，整个频带内阻抗特性平稳，天线匹配难度较小，天线驻波比VSWR2.5。4.2 方向图从仿真结果可以看出两种天线

12、的方向图均为弱方向性，可以实现全向辐射。但三角形天线方向图随着频率升高而产生裂瓣及零深，裂瓣零深的数量随频率升高而增加，裂瓣的产生将使得天线方向图分布不均，而零深将导致天线出现辐射盲区。飞鱼天线方向图在高频与低频有所差异，主要表现在天线最大增益从天顶偏向低仰角方向，但增益下降幅度较小，不会产生裂瓣及零深，从而使得天线辐射无盲区，可以更好地覆盖上半空间。4.3 增益天线的增益指标直接影响着系统的灵敏度及观测测范围，笔者分别以90仰角（天顶方向），45仰角为例对两种天线增益进行对比，结果如图10所示。从图可以看出，在天定方向上，飞鱼天线增益变化比较平稳，而三角形天线增益变化较大。在天顶方向时，飞鱼

13、天线增益在低频段大于三角形天线，中频段时两种天线增益相当，在高频时较三角形天线略低；而在45仰角方向上，飞鱼天线增益几乎在全频段均大于三角形天线。5 实验验证从理论仿真结果可以看出，飞鱼天线在阻抗、方向图、增益方面的电气性能均优于三角形天线，为进一步验证飞鱼天线工程应用情况，笔者及设计师团队进行了斜测度量试验。实验模型为：发射站点设置在新乡，接收站点分别位于北京、广州、海口、兰州、重庆（如图11所示），发射天线分别使用飞鱼天线及三角天线，接收天线使用折合振子天线，通过数传网路将各站点接收到的信号回传至新乡进行度量对比，对比结果如表1所示。由表1可以看出，在5个观测点中，除了海口站在个别时间段内三角形天线的使用效果优于飞鱼天线，在其它时段所有站点飞鱼天线的使用效果均优于三角形天线。6 结束语由两种天线仿真结果及试验验证可知，三角形天线的波瓣宽度较窄，在1580空间上裂瓣较多，零深