便携天馈系统在移动电离层测高中的应用

秦 旭

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.桂林广播电视发射台，广西 桂林 541002)

便携天馈系统在移动电离层测高中的应用

秦 旭1，2

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.桂林广播电视发射台，广西 桂林 541002)

针对移动电离层测高中对天线小型化和快速便携架设的要求，设计了由倒V天线和智能调谐器组成的便携式1 kW短波天馈系统。根据移动电离层测高的特点，对使用的倒V天线进行了仿真，并给出了天线的结构，同时也分析了智能调谐器的原理，特别在1 kW大功率工作条件下调谐器内部的关键匹配网络设计需要注意的问题，该系统在短波频段内以200 kHz步进扫描，平均驻波为1.32，全频段预置调谐时间在1 min以内。

电离层测高;倒V天线;智能调谐器

0 引言

短波是一个不依赖于卫星和基站的独立通信系统，其作为可靠全球化通信系统的一部分在抗洪抢险、应急通信、航空航天和军事通信方面有独特的优势和特点，但由于短波主要依靠由太阳辐射而生成高空的电离层进行反射传播，因此随着太阳对地球各地的辐射角度不同以及太阳自身黑子数量周期的变化，地球高空的电离层会发生各种变化与扰动，这将直接影响到短波的可用通信频率窗口[1-2]。

因此为清楚地了解电离层状态，气象部门或相关的电波研究机构会通过固定台站的电离层测高仪定期对电离层状态进行测量[3]，并发布监测和预报信息，通信部门就可依据发布的信息选择相应的短波通信窗口进行联络，以保证通信的可靠和稳定性，但是由于固定的台站分布和数量都比较有限，对于大量的地区无法覆盖,这就需要使用移动电离层测高仪来进行覆盖测量，以保证应急通信、航空航天和军事通信的实时需求。通常标准的电离层测高固定站使用大型的行波宽带天线，天线长度一般都为100 m以上[4-5]，这些天线架设困难，架设的场地空间要求高。

1 系统的构成

电离层测高系统[6-7]主要由三大部分构成:主控系统、发射模块和接收模块，其工作原理是主控系统首先在频率1～30 MHz范围内根据用户测试频率范围输出相应的脉冲波形，通过功率放大器将测量脉冲信号放大到1 kW功率，然后通过发射天线向需要探测的高空电离层发射，当发射脉冲信号被电离层反射回来后，地面架设的十字正交极化天线接收到反射脉冲，经过低噪放大器、相关检波等，最后由主控系统进行处理并计算得出脉冲电波往返的传输时延，从而获得电离高度与频率关系的反射曲线,以及回波的偏振、幅度和相位等信息。其具体结构如图1所示。

图1 电离层测高系统构成

由于发射天线占据电离层测高系统的大部分物理尺寸，常规系统使用的双极、T型、Delta等宽带天线通常架设空间要求达100 m2以上，而接收使用的十字天线体积相对较小，只有1 m左右。因此在移动电离层测试中如果还继续沿用大型宽带天线将会造成架设和收纳时间过长，而且架设人员也要求多。倒V天线和智能调谐器组成的天馈系统架设空间只有30 m左右，一个工作人员就可以完成天线架设和收纳全过程，因此极适合移动测试的环境。

2 倒V天线的设计

为了适应移动电离层测高快速架设场合的要求，设计一个由12 m玻璃纤维升降支撑杆和两边辐射臂长20 m组成的倒V天线，如图2所示。

图2 倒V天线结构

由于倒V天线是对称平衡输入结构，而智能调谐器和发射机都不平衡50 Ω输出方式，因此在倒V天线支撑杆顶部有一个1：1平衡转不平衡阻抗变换器，以保证倒V天线的辐射电流对称。

2.1 倒V天线的辐射特性

在确定天线结构后，通过NEC4软件对倒V天线的垂直方向辐射图进行仿真，由于电离层测高典型的工作频率范围是2～18 MHz，因此选取了2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、18 MHz这4个典型的频率点的垂直面方向图，仿真结果如图3所示。

图3 倒V天线垂直面方向图

倒V天线在4个频率点的辐射增益如表1所示。

表1 倒V天线垂直辐射增益

频率/MHz增益/dBi2．5-0．415．04．1510．05．3818．04．58

从仿真结果上分析，倒V天线具有良好的垂直辐射方向，天线的最大辐射方向都是垂直辐射，很好地满足了电离层测高对天线的方向性要求。

2.2 倒V天线的阻抗特性

倒V天线在短波频率的阻抗如图4(a)所示，天线驻波如图4(b)所示。

图4 倒V天线的阻抗和驻波

由图4可知，倒V天线在整个短波波段的自然谐振频率和驻波具体数值如表2所示。

表2 倒V天线自然谐振点

自然谐振频率/MHz驻波值3．601．2211．202．2218．802．9626．403．57

通过表2数据可知倒V天线只有4个自然频率点，而其中只有3.60 MHz这个频率的驻波小于1.5，因此倒V天线的阻抗无法满足发射机50 Ω阻抗匹配的要求。为了解决倒V天线在整个短波工作频率段与电离层测高仪发射机匹配的问题，就必须使用智能调谐器来完成倒V天线与发射机的阻抗匹配，最终由倒V天线与智能调谐器构成一个完整的短波天馈系统。

3 智能调谐器

由于倒V天线在整个短波频率的阻抗和驻波数值变化剧烈，为了让天线与发射机进行匹配，必须使用智能调谐器将倒V天线在整个短波频率的驻波比调整小于1.5，即发射机与天线匹配。

智能调谐器的工作原理就是通过测量倒V天线的阻抗数值，根据天线阻抗数值计算出天线状态并求匹配网络中需要加入电容或电感的具体数值，经过多次反复迭代，最终使倒V天线的阻抗满足驻波SWR<1.5的要求[8-9]。

由于电离层测高仪的发射机输出为脉冲射频信号，因此无法使用传统短波电台的天调系统方案进行调配[10-11]，传统的天调系统是需要电台发射连续CW射频信号来进行天线的匹配工作。为了解决倒V天线阻抗测量信号的问题，本智能调谐系统专门设计了一套独立信号源，因此不需要使用电离层测高仪发射机的信号就可以完成对倒V天线的匹配。

3.1 智能调谐器设计

整个系统主要由5个主要部分组成：天线阻抗测量模块、同步脉冲检测模块、LC匹配网络、控制继电器和CPU主控模块，如图5所示。

图5 智能调谐器系统框图

智能调谐器工作原理分2个步骤进行：

① 初始化天线：主要是完成倒V天线与测高仪的预先调配，首先电离层测高仪将需要测量的频率范围和频率间隔信息发送给CPU主控模块，然后调谐器内部切换到天线阻抗测量模块，根据要求的频率对天线进网络匹配，最终使天线匹配且驻波满足SWR<1.5要求，同时存储该频率的网络匹配信息，再反复下一个频率的测量和匹配，直到测高仪要求的测量频率范围扫描完成，即完成了天线的初始化。

② 工作状态：电离层测高仪开始进行电离层测试前，由测高仪发出同步脉冲给调谐器，调谐器调出预调好的该频率网络匹配值，使天线满足SWR<1.5，适当延时后测高仪发送1 kW的脉冲测量信号，该频率测量完成后，测高仪再发出下一个同步脉冲，调谐器调出下一个预调的匹配网络参数，测高仪再发送脉冲信号，如此反复直到需要测量的频率范围完成。

3.2 智能调谐器的匹配网络

智能调谐器的关键核心是匹配网络，其直接影响倒V天线与电台的匹配效果，系统中使用工程中很成熟的变形L型网络[12-14]，由于整个测高仪工作在1 kW的大功率条件下，因此匹配网络的继电器和电感电容都必须有足够的电流电压设计余量才能保证整个匹配网络工作正常，通过对倒V天线阻抗和匹配网络电路分析，其典型电流、电压分布如图6所示。

图6 1 kW功率下智能调谐器匹配网络的电流电压分布

由图6可知，在1 kW大功率条件下，匹配网络的天线根部可以高达13 kV的电压，串联电感上的电流达到43 A，因此在匹配网络的元件选取上非常关键。根据计算的电压、电流分布，天线根部的电容选取7 kV耐压的ATC电容多个串联，电感的切换继电器选用持续电流达50 A的真空继电器GL2，同时匹配网络的串联电感损耗是影响匹配网络效率的一个关键因素，实际设计中使用镀银扁平硬铜带绕制，测量其Q值大于400，保证了整个匹配网络的效率。

4 实验测试结果

整个移动电离测高系统的工作过程如下，首先倒V天线架设完毕，系统设置需要扫描的频率范围和频率步进，智能调谐器根据设定的频率数据对天线进行扫描匹配，保证每个测试的频率都满足驻波SWR<1.5的要求，并将对应的射频网络参数存入记忆空间，直到系统要求的频率段都匹配完成；然后电离层测高仪准备进行探测工作，在每发射探测脉冲前，测高仪都发出一个同步脉冲给智能调谐器将预置好的匹配网络参数调出，测高仪发射机开始发射探测脉冲，如此反复直到整个扫描频率完成。

图7为倒V天线和智能调谐器组成天馈系统进行工作时的典型驻波分布情况，在1～30 MHz范围内天线驻波平均值为1.32，同时天线以200 kHz步进预置的扫描时间为55 s。

图7 1 kW电离层测高天馈系统实测驻波

实测由便携式天馈系统组成的1 kW移动电离测高仪所得的电离层测高图如图8(a)所示，同一时刻10 kW固定站的大型行波天线的电离层测高图如图8(b)所示。

图8 电离层测高仪接收效果

对图8(a)、(b)的2张测高图进行比较可以发现1 kW的移动站效果与10 kW固定站加大型天线的效果基本相当。

5 结束语

借鉴短波通信系统中天线调谐器的概念，对于移动电离层测高仪的天馈系统也采用倒V天线加智能调谐器的方式，提升了整个移动系统的快速响应性和便携性，同时智能调谐器内部专门设计了独立的信号源进行调配，避免传统短波天调必须使用电台信号进行调配的缺点。实际测试效果表明该天馈系统结构合理，响应速度快，调整精度高，其不仅可以解决移动电离层测高对天馈的要求，还可以运用于短波超视距雷达以及通信等相关领域。

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Design of a Portable Smart Antenna System for Mobile Ionosphere-level-measurement

QIN Xu1,2

(1.School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China； 2.Guilin Broadcast &TV Station，Guilin Guangxi 541002，China)

On the request of miniaturization，portability and fast installation for Ionosphere-level measurement，a new 1 Kwatt smart antenna system was designed，including the inverted V antenna and the smart tuner.In this design the inverted V antenna was simulated，the detail structure of antenna was also given，and the theory of smart tuner was analyzed.The key design problem of matching network in smart tuner was specially described.The entire system works in shortwave with a scan step of 200 kHz.The average SWR is 1.32.And the total scan time of entire shortwave band is above 1 minute.

ionosphere level measurement；inverted V antenna；smart tuner

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.18

秦 旭.便携天馈系统在移动电离层测高中的应用[J].无线电通信技术,2017,43(3):71-75.

[QINXu.DesignofaPortableSmartAntennaSystemforMobileIonosphere-level-measurement[J].RadioCommunicationsTechnology，2017，43(3)：71-75.]

2016-12-16

秦 旭(1974—)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向：射频信号处理。

TNP924.3

A

1003-3114(2017)03-71-5