传输线应用于中波双锥天线的系统研发及拓展应用

邵 勇，姚 静，邵炳翔

（1.河南省郑州八零四中波转播台，河南 郑州 450000；2.河南广播电视台104台，河南 郑州 450001）

1 传输线作为电抗器件

1.1 终端短路的传输线

终端阻抗ZL=0，终端电压UL=0，终端电流IL为最大值，此时为全反射，反射系数P＝-1，驻波比S＝∞，行波系数K=0，线上只有驻波。短路线上的电压和电流的驻波分布如图1（a），短路线上的输入阻抗与线长（频率不变时）的关系如图1（b）。

图1 短路线上电压电流驻波分布图和输入阻抗与线长关系图

终端短路传输线的性质可归纳为：①离终端为λ/2的整数倍的各点，是电压驻波的节点，电流驻波的腹点，输入阻抗为零，相当于串联谱振。②离终端为λ/4 的奇数倍的各点，是电压驻波的腹点，电流驻波的节点，输入阻抗为无穷大，相当于并联谐振。③当频率不变时，长度为λ/4＞x＞0 呈感性，而λ/2＞X＞λ/4呈容性。④在线长不变的谐振状态下，串联谐振时，低频工作呈感性，高频工作呈容性；并联谐振时，低频工作呈容性，高频工作呈感性。

1.2 终端开路的传输线

终端阻抗ZL=∞、终端电流IL=0，终端电压UL为最大值，此时为全反射，线上只有驻波，线上电压和电流的驻波分布加图2（a），线上输入阻抗如图2（b）。

图2 线上电压电流驻波分布和输入阻抗图

终端开路传输线的性质：①离终端λ/2 的整数倍的各点。是电流节点电压腹点，输入阻抗无穷大。相当于并联谐振。②离终端λ/4 的奇数倍的各点，是电流腹点电压节点，输入组抗为零，相当于串联谐振。③当频率不变时，长度为λ/4＞x＞0 时为容抗，而λ/2＞X＞λ/4 时为感抗。④在线长不变的谐振状态下，串联谐振时，低频工作呈感性，高频工作呈容性；并联谐振时，低频工作呈容性高频工作呈感性。

2 谐振双锥中波小天线的结构原理

2.1 天线的结构

天线的结构示意图如图3。图3（a）为串联馈电方式，此时LC构成串联回路。图3（b）为并联馈电方式，此时LC构成并联回路。α为两椎体的张角，L为小于λ/4的短路同轴电缆。

图3 天线结构示意图

2.2 工作原理

图4（a）为并联谐振的工作原理图，图4（b）为串联谐振的工作原理图。其中L为短路电缆的电感，C为双锥振子的辐射电容，RΑ为双锥体的辐射电阻，R为辐射电场的地损电阻，r 为传输线的电阻，Rg为信号源内阻。由图4 可知，双锥振子与短路电缆分别构成LC串联谐振回路和LC并联谐振回路，其谐振频率fO=1/2π，合理选择L、C使得f=f。工作频率此时回路处于谐振工作状态。

图4 工作原理图

2.3 串谐振回路的特点

①谐振时回路阻抗为最小值。②谐振时回路阻抗为纯电阻。回路端电压与回路电流同相。③谐振时，回路电流达最大值。④谐振时，回路中感抗与容抗相等。⑤谐振时，电感线圈端电压的值与电容端电压的值相等。并等于总电压的Q倍。

由上述特点可知，由于谐振时回路阻抗为最小值，因r很小，所以Q极大，其工作原理图4（b）等效为图5，此时相当于外加电感抵消了双锥振子的电容对辐射电阻的分压作用，回路电压全部加于辐射电阻。使得锥振子获得最大的辐射功率。由于谐振时，回路电流达最大值，振子辐射出去的能量而由信号源迅速补充并维护LC串联谐振构成底部加感天线。

图5 串联谐振时的等效电路图

2.4 并联谐振回路的特点

①谐振时，回路阻抗且为最大值。②谐振时，回路阻抗呈纯电阻，回路端电压与总电流同相。③谐振时，外加电压一定，回路总电流为最小值，外加电流一定，回路端电压为最大值。④谐振时，回路感抗与容抗相等。⑤谐振时，两支路的电流大小近似相等，并等于总电流的Q倍，方向近似相反。

由上述特点可知，由于谐振时回路阻抗Z。＝Qρ为最大值，因r很小，所以Q极大。通过谐振回路的电流近似为零。其工作原理图4（a）等效为图6，此时相当于外加电感抵消了双锥振子的电容对辐射电阻的分流作用，回路电流全部加于辐射电阻，使得双锥振子获得最大的辐射功率，由于谐振时回路电压达最大值，谐振回路内能量减少集中为双锥振子的空间辐射，其辐射出去的能量而由信号源及时补充并维持LC并联谐振，构成中馈对地无关天线。

图6 并联谐振时的等效电路图

3 谐振双锥中波天线的基本参数

3.1 双锥振子的几何结构

由上下两个金属锥体构成下椎体接地，上椎体通过金属导体支撑到一定高度，下方通过绝缘子与下椎体连接。

3.2 双锥振子的电容C

上下锥体构成电容的两个极板，极板面积越大C越大，极板距离越小C越大，α越大C越大，双锥振子的几何尺寸及结构固定后C固定。

3.3 辐射电阻RΑ

双锥振子之间传导电流IΑ作高频交流变化时，有电磁波能量辐射，辐射功率NΑ＝IΑ2RΑ，把RΑ视作辐射电阻。增大锥距RΑ增大；α减小RΑ增大，增大极板面积RΑ增大。双锥振子的几何尺寸及结构固定后，RΑ固定。

3.4 地损电阻R

电流流经双锥振子，以及传导电流经椎体入地所产生的损耗，称为地损电阻，由于双锥振子的金属导电性能良好，使得R较小，天线有较高辐射效率η＝RΑ/（RΑ+R）。

3.5 短路线的电感L

短路电缆的电感量作为可确定的设计参数，使得回路设计清晰化调配网络简单化，也为双频和多频共塔提供了广阔的设计空间。

3.6 LC谐振回路的谐振特性

由于LC谐振回路有较好的谐振特性，谐振曲线表现出较为确定和明显的通频带，有效抑制对其他天线频率的串扰和它频率对自身的串扰。双锥辐射体之间的感应场结构较之开放型桅杆天线，具有较强的抗串扰能力，同时避免了对其他天线频率的串扰。

4 LC谐振双锥中波天线的应用

4.1 LC谐振双锥中波天线可操作性

LC谐振双锥中波天线可操作性强，由于不受高度限制，双锥的设计和制作简单，中间绝缘措施简单易行，结构稳定，短路电缆定型稳定，根据功率容量可采用50 mm、80 mm 等不同粗细的同轴电缆，甚至做成特殊形式的传输线。

4.2 中波天线设计上的灵活性

由于短路电缆的引入使得该天线结构不像其他形式的中波小天线压缩天线的实际电气长度，这就从根本上保证了该天线结构的电气性能，规避诸多制约因素。相反较之传统的拉线塔和自主塔，可根据需要变换其电气长度，实现设计上的灵活性。

中波天线结构真正做到了节省土地，设计简单，降低架设成本，适应复杂环境的研制目的要求，实现了真正意义上的中波小天线。

5 传输线作为电抗元件的拓展应用

目前无论何种形式的中波天线，都可以在其应用频率上进行网络分析，对其分布参数进行定性分析和定量测量。对其不同的电抗参数进行不同类型的谐振补偿。利用集总参数元件或传输线电抗元件、波导元件等，对于76 m自立塔进行低频频率发射时的有效高度补偿，具有普遍适用的意义。对于鞭状天线的矮化及加粗，能彻底弥补有效高度不足，发挥建造方便节和约成本的优势。