中短波段船用小型天線(xiàn)的研究.pdf

1、基于擴(kuò)頻體制的海上無(wú)線(xiàn)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(gè)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(diǎn)。然而,隨著無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航技術(shù)的不斷向前發(fā)展,系統(tǒng)對(duì)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(hào)波長(zhǎng)長(zhǎng),系統(tǒng)存在接收天線(xiàn)尺寸大,難于安裝及維護(hù)的問(wèn)題。研制出能夠與海上無(wú)線(xiàn)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(xiàn)是一個(gè)迫切而且具有重要應(yīng)用價(jià)值的課題。
　　 為此,本文提出了一種新的

2、天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)方法—基于Hilbert分形的角反射器天線(xiàn)。同時(shí)結(jié)合海上無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)接收設(shè)備對(duì)天線(xiàn)的具體要求,設(shè)計(jì)了一種能夠工作在8.8MHz左右的,物理高度為63cm的全向天線(xiàn),文章的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 1.Hilbert分形天線(xiàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模。在中短波段,Hilbert分形天線(xiàn)由帶角點(diǎn)的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成,由于天線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)過(guò)細(xì)、導(dǎo)線(xiàn)角點(diǎn)內(nèi)外電磁環(huán)境復(fù)雜,導(dǎo)致一般數(shù)值方法難以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模。為解決這一問(wèn)題,本文針對(duì)天線(xiàn)特性分析

3、的數(shù)值方法展開(kāi)研究,提出利用漸變的Yee氏網(wǎng)格,基于時(shí)域有限差分法對(duì)Hilbert分形天線(xiàn)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。針對(duì)天線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)過(guò)細(xì)的問(wèn)題,采用四網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)其橫截面進(jìn)行剖分,推導(dǎo)了網(wǎng)格中穿越橫截面的電、磁場(chǎng)分量表達(dá)式,獲得了細(xì)導(dǎo)線(xiàn)中電流、磁場(chǎng)的時(shí)域形式。針對(duì)細(xì)導(dǎo)線(xiàn)角點(diǎn)處特殊的電磁環(huán)境,給出了角點(diǎn)內(nèi)外環(huán)路電場(chǎng)、磁場(chǎng)間相互作用的關(guān)系式,建立了帶角點(diǎn)的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)模型。同時(shí),在忽略高次模影響下,文章進(jìn)行了同軸線(xiàn)分析,基于同軸線(xiàn)TEM波方程,推導(dǎo)了饋電點(diǎn)與天線(xiàn)場(chǎng)

4、耦合處電流方程的時(shí)域表達(dá)式。為本文天線(xiàn)電磁特性分析奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 2.在建立Hilbert分形天線(xiàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,本文針對(duì)Hilbert分形天線(xiàn)進(jìn)行了電磁特性分析,闡述了外圍尺寸、分形階數(shù)、精細(xì)結(jié)構(gòu)等天線(xiàn)幾何參數(shù)的變化對(duì)增益、諧振頻率、駐波特性、方向圖等技術(shù)指標(biāo)的影響,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了文中理論分析的正確性;其次,針對(duì)天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法展開(kāi)研究,全面論述了饋電點(diǎn)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(duì)Hi

5、lbert分形天線(xiàn)特性造成的影響,通過(guò)仿真總結(jié)了其中的規(guī)律,為Hilbert分形天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)思路和技術(shù)手段。
　　 3.針對(duì)Hilbert分形天線(xiàn)增益低,難以工程應(yīng)用的問(wèn)題,提出了一種新的天線(xiàn)小型化實(shí)施方案一基于Hilbert分形的角反射器天線(xiàn)。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(xiàn)的設(shè)計(jì)中,利用具有一定張角的Hilbert分形結(jié)構(gòu)柵板取代天線(xiàn)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(lì)源下移,饋電點(diǎn)選在兩擋板固連的角點(diǎn)處。同時(shí),結(jié)合同軸線(xiàn)分析、帶角點(diǎn)的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)算法等關(guān)鍵技術(shù),利用時(shí)域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)建立了天線(xiàn)數(shù)學(xué)模型,分析了張角、幾何參數(shù)變化對(duì)天線(xiàn)特性產(chǎn)生的影響,提出了基于Hilbert分形的角反射器天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,論述了天線(xiàn)小型化特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明:與Hilbert分形天線(xiàn)相比,該天線(xiàn)提高了天線(xiàn)增益,能夠滿(mǎn)足接收天線(xiàn)增益高于3d

7、B的設(shè)計(jì)要求,適合于工程應(yīng)用。
　　 4.通過(guò)過(guò)對(duì)中短波段信號(hào)傳輸特性進(jìn)行分析,給出了海上無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)天線(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,提出將180度張角基于Hilbert分形的角反射器天線(xiàn)作為實(shí)施方案,設(shè)計(jì)并研制了一種物理尺寸為0.633×0.318×0.0015m3的天線(xiàn)樣機(jī)。仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,證明了研制的天線(xiàn)能夠工作在8.8MHz左右的中短波段,高度僅為系統(tǒng)原天線(xiàn)的16.7％,諧振頻點(diǎn)處增益達(dá)到了3.65dB,相對(duì)帶寬高于8％,具