孙苗苗+于春芳+赵金良

摘要：天线是整个电台系统里结构最简单但原理最复杂、参数离散性最大的部件。本文通过对电台天线系统的研究，对天线的各项参数有了更深刻的认识，形成了完整的测试检修流程，使天线系统的检修工作规范化；同时也总结出各类天线的使用环境；最后根据研究结果及查阅的相关资料，制定了一套天线系统的使用和维护方法，为以后设备的配备、天线的维护和使用提供理论依据和借鉴。

关键词：车载电台；天线系统；检修

【分类号】TN925

1 引言

无线电台在勘探生产中起着指挥、定位、反馈等多种作用，是野外生产的重要通讯工具，而天线是无线电台离不开的重要前端器件。[1]在通信系统中，天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或将空间电波信号转换成高频电流能量送给接收机。[2]由此可见，电台天线是整个电台系统里结构最简单但原理最复杂、参数离散性最大的部件。[3]目前公司使用的各类天线共2000余根，工作频率为136MHz-150MHz。目前使用的四种天线，它们从天线杆外形到天线底部的阻抗匹配网络都各有不同，具体特征见表1。

近年来，车载电台在实际使用中，经常会出现通讯效果变差，通讯距离由原来的十几公里降为三、五公里，甚至无法接收、发射信号，使用者便与外界失去联系。尤其地表复杂的探区，通讯问题对生产的影响更为突出。此时，大家通常认为是电台的发射功率低，或是电台的接收灵敏度低。但是，在综合测试仪上对电台进行检测时，各项指标又均合格。经检测，85%故障发生在其配套的天线系统。因此，有必要对车载电台天线系统进行深入的理论研究。

2 天线系统基本理论

电台天线系统一般由电缆（馈线）、电缆头（电缆与电台之间的连接头）、天线和天线座组成。下面分别对这几部分进行研究。

2.1天线

短波和超短波波段的移动通信电台中广泛应用鞭状天线，它属于水平平面全向天线。[4]

最常见的鞭状天线就是一根金属棒，在棒的底部与地之间进行馈电。这种天线结构简单、使用简易、携带方便，比较坚固，因而特别适合运动中的无线电台使用，野外勘探施工使用的电台配备的均为此种天线。

描述天线特性的参数称为天线电参数（Basic Antenna Parameters），用以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。因此，有必要研究天线电参数，以便正确选择和使用天线。天线电参数包括极化、方向图、输入阻抗及有效高度。

2.1.1极化

鞭状天线是一种垂直极化天线，在理想导电地面上，其辐射场垂直于地面，在实际地面上虽有波前倾斜，但仍属垂直极化波。

电场的方向就是极化方向，如图1所示。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小。我们现在使用的都是垂直极化天线，也就是说发射和接收天线的极化方向一致，只有二者的放置方向一致才能避免极化损失。

2.1.2 方向图

鞭状天线的方向图与自由空间对称振子的一样，但只取上半空间。辐射的电磁波形状类似于一个苹果，天线振子四周的电磁波平均分布，无方向性。这是最简单的垂直天线辐射情况。在制造天线时，不可能把接地面做到无穷大，必须缩小到我们可以承受的范围，但是那样又造成了辐射方向的改变。

在使用时，天线最好用吸盘吸附在车顶中央，有利于电场的平均分布，从而使得天线发挥出最大的效能。

2.1.3 有效高度

有效高度是立天线的一个重要指标，表征直立天线的辐射强弱。

（1）

其中， 为鞭状天线的高度， 为鞭状天线的有效高度。

提高有效高度的方法有两种：提高辐射电阻和减小损耗电阻，其中提高辐射电阻的方式有顶端加载、加电感线圈和天线的外表面涂覆特殊材料的等手段。现有天线涉及后两种方式。

（1）加电感线圈（Induction Coil）

不增加天线实际高度，增加天线有效高度。在短单级天线中部某点加入一定数值的感抗，就可以部分抵消该点以上线段在该点所呈现的容抗，从而使该点以下线段的电流分布趋于均匀，[4]它对加感点以上线段的电流分布并无改善作用。加感点的位置不应选得太低。加感点的位置一般选择在距天线顶端（1/3～1/2） 处， 为天线的实际高度。C、D类天线属于此类天线。

（2）天线的外表面涂覆特殊材料

B类天线的外表面涂覆的介质为树脂材料，使天线上的电流分布尽量均匀，从而提高天线的有效高度，增大辐射电阻。

2.1.4 输入阻抗

对理想导电地来说，或在有良好的接地系统下，鞭状天线的输入阻抗等于相应对称振子输入阻抗的一半，包括两部分，即

测试各类天线在138MHz的驻波比、发射功率及反射功率，如表2所示。从表中可以看出，天线的发射效果都符合要求。底部串联电容和天线中部加电感线圈的天线发射效率最好，天线杆涂覆树脂材料天线发射效率效果略差。

2.2天线基座

天线基座由弹簧、扼流套、同轴线阻抗变换电路组成，如图3所示。下面分别介绍各部分的作用。

2.3.1吸盘座

吸盘将天线固定在车体上，天线利用吸盘的磁性吸附在车顶上形成一定的电容，在高频状态下形成通路，车顶就被当作天馈系统的地网，和天线共同构成车载电台的天线系统。

2.3.2弹簧

弹簧的作用是防止运动中天线与树枝等碰撞造成折断并适应车体运动带来的晃动。

2.3.3同轴线阻抗变换电路

天线与馈线是两种截然不同的传输线，如果二者进行直接连接，必然会产生反射，影响功率传输。因此，需要在连接点间插入匹配网络，以达到阻抗匹配，保证功率无反射地传输。

现在野外使用的天线结构中的匹配网络为L型，其等效电路图如图4所示，（a）、（b）分别为串联电容和串联电感。图8（b）中的容抗在实际电路中是不存在的，利用的是吸盘与车顶铁皮之间的空间电容。改变天线的位置，该电容值就会随之改变，驻波比也会就相应的发生变化，天线位置对驻波比的影响见表3。从表中也可以看出，天线放置在车顶中央时的驻波比最小，发射效果最好，与2.12节的结论一致。

2.3馈线

野外电台使用的馈线主要是阻抗为50Ω的同轴电缆。该电缆是由芯线导体和与它同圆心轴线的外屏蔽层构成，它是一种不平衡的高频传输线结构，其主要作用是把电台主机的输出功率传递到天线，或者把天线感应到的微弱信号传递到电台接收机。

理论上馈线的长度对发射效率有一定影响。为了确定馈线长度对发射效率的影响程度，分别用长度为4m、10m和15m的馈线进行测试，如表4所示。从表中可以看出，在138MHZ，馈线的长度对电台发射效率影响不大。

3 天线系统测试方法

一直以来，只是使用万用表对天线系统的进行测试。该方法只能测试系统的直流指标，而无法测试其交流指标（驻波比、发射和反射功率）。

3.1直流指标测试

应用万用表测试天线系统短路和断路状态。这些故障会造成天线的输入阻抗发生变化，或是匹配网络发生变化，反射功率增加，发射距离降低。

3.2交流指标测试

交流指标应用驻波表进行测试。测试参数包括天线系统驻波比、发射功率及反射功率等。测试时，天线必须放置在室外空间宽阔的位置。

3.3天线系统测试流程

具体测试如下：

1、检查天线杆的外观。

（1）天线杆体出现弯折现象就要及时将其报废。

（2）天线杆体被海水腐蚀或锈蚀，要对其进行清洁处理后，方可进行测试。

2、应用万用表测试天线系统的短路、断路故障。

（1）断路故障：图5中标出了断路故障经常发生的位置，其原因主要有以下3点。

①过障碍物时需要将天线放倒，但经常弯折就会造成断路。

②电缆与插头插座焊接不良或电缆线某部位长期扭动造成电缆芯线和屏蔽层金属疲劳断开。

③电容与天线间焊点太小，长期的晃动易使其断开。

（2）短路故障：一种情况是电缆头、天线座松动，电缆头或天线座焊接不良，导致电缆芯线与屏蔽层绞合在一起。另一种情况是天线座或同轴电缆受潮或进水，使同轴电缆的特性发生变化，导致匹配网络失效，使电缆头与天线底座之间出现<500Ω的阻值。

3、应用驻波表测试天线系统驻波比、反射功率。

4 天线野外使用方法总结

4.1天线使用环境分析

在2.1.4节中对各类天线的驻波比等参数进行了对比，其发射效率大致相同。结合其外形特征，对4类天线进行使用环境的分析。

加感线圈天线（C、D类型）：其天线杆与匹配网络之间可以随意弯折而不伤害天。此类天线适用于城市、南方等需要放倒天线的工区。

2、A、B类型天线：相对于加感线圈，此类天线没有天线杆随意弯折的优势，因此只能用于西部地势平坦的工区。

4.2天线系统的使用和维护方法

根据上述对天线系统的深入研究，总结出了一套天线系统的使用和维护方法。该方法随天线一起发放给使用人员，使天线得到正确的使用，减少或避免天线的发射效率降低。

5 结论

通过对天线系统的理论研究，形成了完整的测试检修流程，使天线系统的检修工作规范化。同时，还为野外使用人员提供了一套天线系统维护和使用方法，为最大限度发挥设备性能提供了技术指导。

此成果投入使用过后，将确保野外通讯畅通，为野外生产提供可靠的设备和技术支持。

参考文献：

[1] 吴荣远，曾百华.一种新型VHF/UHF双频宽带车载全向天线[J].中国电子科学研究院学报，2011， 6（4）： 420～423.

[2] 吴荣远，黄武装.一种新颖的宽带高增益车载全向天线[J].中国电子科学研究院学报，2012，7（3）： 307～309.

[3] 李庆浩，郑会利，校焕庆.一种双拼宽带天线设计[J].电子科技，2008，21（9）： 14～16.

[4] 宋铮，张建华，黄冶.天线与电波传播[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011，66.