工作在HF范围特别用于海军装备的宽带多功能天线

摘要

公开一种工作在HF频率范围特别用于海军通信的直线式天线，包括辐射布置(H1，H2，H3，W1，W2)，其适合于操作上与地导体(20)和至少一个电阻抗装置(Z1－Z4)相关联，包括一对带电导电支路(H1，H2)以及连接到地的返回导电支路(H3)，具有主要垂直的配置，其中每个带电支路通过对应的水平导电支路(W1，W2)连接到返回支路。

说明书

本发明涉及直线式天线，具体来说，涉及工作在HF频率范围的宽 带直线式天线。更具体来说，本发明涉及如权利要求1的前序部分所述 类型的天线。

无线电通信系统领域的发展近来已经经历了基于无线电信号调制 波形软件定义的“软件无线电”或“软件定义的无线电”技术的确立， 在其中无线电通信系统的发射和接收装置分别通过计算机对信号进行 调制和解调。

软件无线电技术基于由软件通信体系结构(SCA)定义的精确标准， 并且适用于以多信道和多服务模式工作在频率范围从2MHz至3GHz (HF、VHF和UHF频带)的无线电通信系统。这种技术使得能够通过从 其组件以同样严格方式进行标准化的库中进行检索来选择最适宜的调 制波形。

在常规用于海军通信的HF频率范围(2MHz-30MHz)，存在已知 的所谓“多信道”传输系统，它可用于通过使用单个天线或者减少数量 的天线来组合多个传输信道。多信道系统借助于功率放大器构成，该功 率放大器可单独分配给不同的服务或者分配给单个信道。

目前用于HF频带海军通信的天线不但必须满足工作在整个频带的 频率范围的多个传输信道的要求，并允许接近地平线(表面波或海面 波，例如高达大约500km)、超过地平线(BLOS，超视线，例如大约100 km以上)和高仰角(NVIS，近垂直入射天波)的链路，而且还必须尽可能 紧密，以便适合于船上海军设备的可用空间。

在目前海军通信系统中，这组要求通过使用具有不同配置并工作在 具有不同频率的子频带的多个天线来满足。例如，“扇形”天线用于具 有高仰角、频率范围从2MHz至8MHz的链路，而“双鞭形/三鞭形” 天线用于频率范围从10MHz至30MHz的海面波和超地平线通信。

近来，已经提出了使用宽带HF天线，其由载有集总和/或分布阻抗 的线性(导线)导体形成，具有“鞭形”天线的典型辐射模式。但是，这 些天线不属于多功能类型，在某种意义上，尽管它们是宽带天线，但是 它们也无法提供HF频带海军通信、换句话说海面波、天波(NVIS)和超 地平线(BLOS)通信所需的所有功能性。

对于不同通信服务和模式，多个天线的共存不仅需要船上的大量空 间、复杂的供电网络以及精心设计的控制系统，而且还具有产生干扰的 缺点，这些干扰可使各个天线的预期性能降级。

最后，在不允许当前在现有技术中用于获得不同配置和辐射图的具 有不同供电点的天线的软件无线电技术的新要求方面，使用宽带HF天 线的常规解决方案遇到了难以克服的障碍。

本发明的目的是提供一种工作在HF频率范围的宽带多功能天线， 它特别设计用于船上海军设备的固定装备，并且使得能够使用软件无线 电技术构造用于海军通信的多功能灵活多信道无线电通信系统。

为此，本发明提出一种具有如权利要求1所述特征的直线式天线。

在从属权利要求中定义了具体实施例。

由于形成“双折叠”类型、即具有双重折叠设计的天线的辐射导线 单元的特殊配置，以及由于建立多功能天线、或者说是可按照工作频率 配置的天线的电阻抗装置的布置，本发明提出的天线克服了现有技术的 天线系统的限制。

根据互易定理，天线的行为和特性保持不变，不管它用作接收还是 发射天线，因此，在本说明书中，为了简洁起见，考虑发射天线的操作， 某些特性的定义也参照此，但没有排除装置在接收方面的使用。

简言之，本发明提出的天线其特征在于：提供一对带电导电支路和 连接到地导体(平面)的返回导电支路，具有主要垂直配置，其中各带电 支路通过主要水平配置的对应导电支路与返回支路连接，以便形成共同 具有一个或多个辐射单元的两个闭合嵌套共面通路。这样一种布置使得 能够通过方便地选择天线的辐射单元来提供“环形”和“单极”类型的 多个电流通路。

详细来说，能够获得代表低和中仰角的全向通信的“鞭形”天线的 辐射模式、代表高仰角的通信的“环形”天线的辐射模式以及代表为了 低和中仰角的通信而简化天线小型化的“曲折形”天线的辐射模式。

上述配置之一的选择自动发生，并取决于HF范围的不同频率子频 带，且由于以集总恒定二维电路、优选为串联或并联谐振配置的二维 LC电路的形式构成的电阻抗装置的行为而执行，该LC电路作为用于 流入天线辐射单元的电流的带通或带阻滤波器。

电阻抗装置使得能够有选择地修改导电支路中不同频率的电流的 流动(由此按照服务的类型)，同时用作沿天线分布的自适应电路。

有利的是，所提出的配置能够在不同仰角对于整个HF频率范围产 生足够均匀的辐射，因此可合理地描述为多功能天线，因为同一个装置 可同时用来覆盖HF频带的所有所需服务，换言之是较低频率(2MHz- 4MHz)且用于短距离(高达150km)的海面波和近垂直电离层反射(NVIS) 通信、低频(2MHz-7MHz)且用于高达500km距离的海面波和电离层 反射通信、中频率(6MHz-15MHz)的中距离(1000/2000km)的电离层 反射通信、最后是较高频率(15MHz-30MHz)的低和中仰角(5-30度) 的通信，而无需天线或馈电电路的任何机械修改或重新配置。

有利的是，两端子阻抗电路是纯电抗两端子电路，使得不需要提供 远离地平面的耗散系统。

本发明提出的天线可承受大约数千瓦的高传输功率。

它可用作以上定义的在整个HF频带上驻波比小于3∶1的多功能宽 带天线，并且辐射效率在从2MHz至7MHz的频率范围小于50％，而 在从7MHz至30MHz的频率范围大约为50-80％。

在参照附图作为实例而不是限制所提供的本发明一个实施例的以 下详细描述中，更全面地公开了本发明的其它特性和优点。其中：

图1是本发明提出的天线的示意说明；

图2是图1天线的馈电电路的示意说明；以及

图3a-3f表示在HF频带中包含的不同频率的辐射图。

本发明提出的工作在HF频率范围(2MHz-30MHz)的宽带多功能 天线总体由标号10表示。在图中，显示为用作发射天线的装备配置， 连接到馈电单元12和地平面GND。

在本说明书的介绍部分提到，根据互易定理，天线的行为和特性保 持不变，而不管它用作接收还是发射天线。纯粹作为说明而不是限制， 说明书的以下部分将涉及发射天线的操作，只是为了以最清晰且最适当 的方式来定义射频信号馈电电路的特性。

天线的总尺寸主要是垂直的，并且优选地安装在水平地平面例如船 的表面上。

天线的辐射布置包括主要垂直延伸的导线辐射单元以及主要横向 延伸的导线辐射单元，所有这些单元都是共面的。

主要垂直延伸的辐射单元形成与馈电单元12的对应端子连接的第 一和第二垂直导电支路H1和H2以及与地平面GND连接的第三返回导 电支路H3。

第一馈电导电支路H1和返回导电支路H3通过第一横向导电支路 W1连接，并且形成馈电单元与地平面之间的第一闭合矩形通路P1。第 二馈电导电支路H2经由第二横向导电支路W2在支路H3的中间点与 返回导电支路H3连接，并且形成馈电单元与地平面之间的第二闭合矩 形通路P2。

这样，天线的辐射布置的整个几何配置包括一对嵌套通路P1、P2， 它们共同具有一部分返回导电支路H3，因此天线称作“双折叠”。

在当前优选的实施例中，天线的垂直总尺寸(换言之，导电支路H1 和H3的高度)在HF频带的最大波长(在2MHz频率为150米)的大约8％ 与10％之间，并且优选为12米。

总水平尺寸在HF频带的最大波长(在2MHz频率为150米)的大约 1％与2％之间，并且优选为2米。

垂直导电支路H2的高度在HF频带的最大波长的大约4％与5％之 间，并且优选为6米，等于支路H1和H3高度的一半。

形成导电支路的辐射单元的直径为HF频带的最大波长的大约 0.06％-0.07％，并且优选为0.1米。

适宜的是，横向导电支路W2的长度为0.8米，因此，内部矩形通 路P2的边的尺寸大约为外部矩形通路P1的边的尺寸的一半。

电阻抗装置Z1、Z2和Z3沿导电支路H3插入，而另一个阻抗装置 Z4沿横向导电支路W2插入。

优选地，阻抗装置Z1包括电抗两端子电路，诸如串联谐振LC电 路，同时阻抗装置Z2、Z3和Z4各包括两端子电抗电路，诸如并联谐 振LC电路。

阻抗装置的电参数是这样的以使它们形成集总滤波器电路，该电路 适合于在HF频率范围的对应子频带中有选择地阻止电流沿它们所连接 的导电支路的传播。

在优选实施例中，阻抗装置Z1、Z2和Z3分别设置在9米的高度， 在地平面GND以上5米和3.4米，而阻抗装置Z4设置在距返回导电支 路的垂直轴0.2米处。

在这里所述的示范实施例中，形成阻抗装置Z1-Z4的两端子LC电 路的阻抗和电容的电参数具有如下值：

-两端子电路Z1(串联LC)具有0.21μH的电感分量以及17pF的 电容分量；

-两端子电路Z2(并联LC)具有1.39μH的电感分量以及975pF的 电容分量；

-两端子电路Z3(并联LC)具有2.36μH的电感分量以及32pF的 电容分量；以及

-两端子电路Z4(并联LC)具有2.45μH的电感分量以及24pF的 电容分量。

显然，本领域的技术人员能够脱离以上所述涉及当前优选实施例的 设计数据，来提供比规定的更大或更小数量的阻抗装置，只要装置沿导 电支路以这样的方式设置以便通过它们的滤波动作有选择地控制馈电 支路H1和H2与地导体(平面)的耦合，更具体来说，以便交替或同时从 地导体(平面)断开馈电支路。

馈电单元12包括信号自适应和分布电路，如图2所示的电路。

单元12操作上设置在天线的底座上，并电连接在天线的导电支路 H1和H2与用于传送射频信号的传输线之间。

参照传输布置，馈电单元12具有经由传输线L诸如同轴电缆与射 频信号源30耦合的输入IN以及一对输出端口OUT1、OUT2，其中天 线的垂直导电支路H1和H2配备了绝缘体IS1和IS2。

馈电单元包括阻抗升压变压器T-具有预定比率n-参考地，一个 端子与输入IN连接用于接收射频信号，而另一个端子与一对阻抗匹配 电阻器R1、R2的公共节点连接，这两个电阻器又与输出端口OUT1和 OUT2连接。

已经描述的馈电单元可封装在盒状金属容器40中，形成电屏蔽并 与地平面GND连接。这形成输入传输线的50欧姆匹配单元。

优选地，电阻器R1和R2的电阻值分别为100欧姆和50欧姆，且 阻抗变换比为4。

在操作方面，本发明提出的天线按照以下所述作用。

为了帮助理解，图3a-3f示出在平面＝0°(实线)和＝90°(虚线)上 的不同频率的辐射图。

从外部源30发出并沿传输线L传送的射频信号被施加到阻抗变压 器T上，并通过电阻器R1和R2分布在与天线的导电支路H1和H2连 接的馈电单元12的两个输出OUT1和OUT2之间，该分布按照由阻抗 装置的行为所确定的配置，随频率以及由此随天线所需功能的类型而变 有选择地执行。

在低频，例如2-3MHz，优选在从2至4MHz的范围，阻抗装置 Z1进行干预以阻止分支H1与地平面GND之间的电流流动，因为天线 中的电流沿导电支路H2、导电支路W2和导电支路H3的下半部分流过 导电支路H1和内部闭合通路P2。因此，天线具有“曲折形”类型的偶 极配置，它与具有高仰角的辐射的半环配置(通路P2)结合，有助于低和 中仰角的全向辐射。在这种情况中，天线适合于海面波和NVIS通信。

图3a示出与理想单极的辐射图(形成对称瓣形的短折线)相比在2.5 MHz频率的天线辐射图。

在4-10MHz范围，例如在5MHz，阻抗装置Z4阻止支路H2与地 平面GND之间的电流流动，因此，天线中的电流主要沿包括导电支路 H1、W1和H3的倒U形外部通路P1分布。因此，天线具有在方位平 面中有全向辐射图的常规折叠单极配置以及为低和中仰角的最大值并 且在垂直方向附近不可忽略的增益。图3b示出与理想单极的辐射图(形 成对称瓣形的短折线)相比的对应辐射图。

在这种情况中，天线也适合于海面波和NVIS通信。

在中频(优选地在10MHz-20MHz范围)，阻抗装置Z2和Z3相结 合以阻止导体H3的下部中的电流流动，因而建立非闭合“P”形电流 通路，它包括导电支路H1、W1、H2、W2以及导电支路H3的上半部 分。因此，天线的配置以及对应的辐射模式(图3c和图3d中的辐射图) 与在低和中仰角具有全向辐射图的“鞭形”天线的相似，并且适合于海 面波和BLOS通信。

最后，在较高频，天线具有图3e和图3f所示类型的辐射图以及在 低辐射角的良好增益。

应当注意，以上论述中提出的本发明实施例纯粹是示例而不是限 制。本领域的技术人员易于根据本发明的原理将本发明应用于不同的实 施例。对于以下可能性情况特别如此：在相对于垂直方向倾斜的方向以 这样的方式设置主要垂直的导电支路以便形成整体“A”配置，或者以 例如弯曲形状的非直线支路形式来构成横向导电支路，以便增加天线结 构的机械稳定性。

另外，并且同样为了给天线的整体结构提供更大的稳定性，同时将 天线的所有辐射单元保持在单个平面中，这些单元不一定必须相对于地 平面位于垂直平面，而是可设置在倾斜平面，必要时由撑杆或类似支撑 结构来支撑。

显然，只要保持本发明的原理，应用的形式和构造的细节因此可大 大不同于纯粹作为实例而不是限制进行描述和说明的，并不背离所附权 利要求书定义的本发明的保护范围。