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航系統工作在中短波段,廣泛的應用于軍事、民生的各個領域,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,隨著無線電導航技術的不斷向前發(fā)展,系統對于接收設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航系統發(fā)展相適應的,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用價值的課題。
　　 為此,本文提出了一種新的

2、天線小型化設計方法—基于Hilbert分形的角反射器天線。同時結合海上無線電導航系統接收設備對天線的具體要求,設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,文章的主要研究內容如下:
　　 1.Hilbert分形天線系統數學建模。在中短波段,Hilbert分形天線由帶角點的細導線構成,由于天線導線過細、導線角點內外電磁環(huán)境復雜,導致一般數值方法難以對其進行準確的數學建模。為解決這一問題,本文針對天線特性分析

3、的數值方法展開研究,提出利用漸變的Yee氏網格,基于時域有限差分法對Hilbert分形天線進行數學建模。針對天線導線過細的問題,采用四網格結構對其橫截面進行剖分,推導了網格中穿越橫截面的電、磁場分量表達式,獲得了細導線中電流、磁場的時域形式。針對細導線角點處特殊的電磁環(huán)境,給出了角點內外環(huán)路電場、磁場間相互作用的關系式,建立了帶角點的細導線模型。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。
　　 2.在建立Hilbert分形天線系統數學模型的基礎上,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、精細結構等天線幾何參數的變化對增益、諧振頻率、駐波特性、方向圖等技術指標的影響,并通過仿真驗證了文中理論分析的正確性;其次,針對天線系統的設計方法展開研究,全面論述了饋電點位置、介質背板材料和厚度、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,通過仿真總結了其中的規(guī)律,為Hilbert分形天線系統的設計提供了理論基礎、設計思路和技術手段。
　　 3.針對Hilbert分形天線增益低,難以工程應用的問題,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分形結構應用于角反射器天線的設計中,利用具有一定張角的Hilbert分形結構柵板取代天線原有的金屬絲結構的反射板,形成雙Hilber

6、t分形結構,并將激勵源下移,饋電點選在兩擋板固連的角點處。同時,結合同軸線分析、帶角點的細導線算法等關鍵技術,利用時域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)建立了天線數學模型,分析了張角、幾何參數變化對天線特性產生的影響,提出了基于Hilbert分形的角反射器天線系統的設計方法,論述了天線小型化特點。仿真結果表明: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的設計要求,適合于工程應用。
　　 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航系統天線設計指標要求,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。仿真與實測數據基本一致,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