中短波段船用小型天線的研究.pdf

1、基于擴頻體制的海上無線電導(dǎo)航系統(tǒng)工作在中短波段,廣泛的應(yīng)用于軍事、民生的各個領(lǐng)域,具有定位精度高、工作范圍大、保密性好、安全可靠等特點。然而,隨著無線電導(dǎo)航技術(shù)的不斷向前發(fā)展,系統(tǒng)對于接收設(shè)備的集成度也提出了更高的要求。由于中短波段信號波長長,系統(tǒng)存在接收天線尺寸大,難于安裝及維護的問題。研制出能夠與海上無線電導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展相適應(yīng)的,高性能的中短波段全向小型天線是一個迫切而且具有重要應(yīng)用價值的課題。
　　 為此,本文提出了一種新的

2、天線小型化設(shè)計方法—基于Hilbert分形的角反射器天線。同時結(jié)合海上無線電導(dǎo)航系統(tǒng)接收設(shè)備對天線的具體要求,設(shè)計了一種能夠工作在8.8MHz左右的,物理高度為63cm的全向天線,文章的主要研究內(nèi)容如下:
　　 1.Hilbert分形天線系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模。在中短波段,Hilbert分形天線由帶角點的細導(dǎo)線構(gòu)成,由于天線導(dǎo)線過細、導(dǎo)線角點內(nèi)外電磁環(huán)境復(fù)雜,導(dǎo)致一般數(shù)值方法難以對其進行準確的數(shù)學(xué)建模。為解決這一問題,本文針對天線特性分析

3、的數(shù)值方法展開研究,提出利用漸變的Yee氏網(wǎng)格,基于時域有限差分法對Hilbert分形天線進行數(shù)學(xué)建模。針對天線導(dǎo)線過細的問題,采用四網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對其橫截面進行剖分,推導(dǎo)了網(wǎng)格中穿越橫截面的電、磁場分量表達式,獲得了細導(dǎo)線中電流、磁場的時域形式。針對細導(dǎo)線角點處特殊的電磁環(huán)境,給出了角點內(nèi)外環(huán)路電場、磁場間相互作用的關(guān)系式,建立了帶角點的細導(dǎo)線模型。同時,在忽略高次模影響下,文章進行了同軸線分析,基于同軸線TEM波方程,推導(dǎo)了饋電點與天線場

4、耦合處電流方程的時域表達式。為本文天線電磁特性分析奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 2.在建立Hilbert分形天線系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,本文針對Hilbert分形天線進行了電磁特性分析,闡述了外圍尺寸、分形階數(shù)、精細結(jié)構(gòu)等天線幾何參數(shù)的變化對增益、諧振頻率、駐波特性、方向圖等技術(shù)指標的影響,并通過仿真驗證了文中理論分析的正確性;其次,針對天線系統(tǒng)的設(shè)計方法展開研究,全面論述了饋電點位置、介質(zhì)背板材料和厚度、接地板尺寸等幾何因素變化對Hi

5、lbert分形天線特性造成的影響,通過仿真總結(jié)了其中的規(guī)律,為Hilbert分形天線系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)、設(shè)計思路和技術(shù)手段。
　　 3.針對Hilbert分形天線增益低,難以工程應(yīng)用的問題,提出了一種新的天線小型化實施方案一基于Hilbert分形的角反射器天線。其主要思路在于:將Hilbert分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于角反射器天線的設(shè)計中,利用具有一定張角的Hilbert分形結(jié)構(gòu)柵板取代天線原有的金屬絲結(jié)構(gòu)的反射板,形成雙Hilber

6、t分形結(jié)構(gòu),并將激勵源下移,饋電點選在兩擋板固連的角點處。同時,結(jié)合同軸線分析、帶角點的細導(dǎo)線算法等關(guān)鍵技術(shù),利用時域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)建立了天線數(shù)學(xué)模型,分析了張角、幾何參數(shù)變化對天線特性產(chǎn)生的影響,提出了基于Hilbert分形的角反射器天線系統(tǒng)的設(shè)計方法,論述了天線小型化特點。仿真結(jié)果表明:與Hilbert分形天線相比,該天線提高了天線增益,能夠滿足接收天線增益高于3d

7、B的設(shè)計要求,適合于工程應(yīng)用。
　　 4.通過過對中短波段信號傳輸特性進行分析,給出了海上無線電導(dǎo)航系統(tǒng)天線設(shè)計指標要求,提出將180度張角基于Hilbert分形的角反射器天線作為實施方案,設(shè)計并研制了一種物理尺寸為0.633×0.318×0.0015m3的天線樣機。仿真與實測數(shù)據(jù)基本一致,證明了研制的天線能夠工作在8.8MHz左右的中短波段,高度僅為系統(tǒng)原天線的16.7％,諧振頻點處增益達到了3.65dB,相對帶寬高于8％,具