一、天线的种类及作用

天线能够把发射机传输给它的交变电流转变为向空间辐射的电磁波,或者把在空间传播的电磁波耦合到系统中并以交变电流的形式传送给接收机,其中前者叫作发射天线,后者叫作接收天线。由此可见,天线是将交变的电流与空间的电磁波进行转换的一种能量转换装置。

一般来讲,天线具有以下三个方面的功能:

(1)将交变电路的电能向空中辐射开去形成电磁能,或者将空间的电磁能耦合入接收机电路中形成交变电流。

( 2)可以根据需要按照一定的频率,极化方式,向空间某个确定方向发射电磁波或者从某个确定方向接收电磁波。

(3)对接收到的信号进行一定程度的放大。

天线种类的划分方法很多。船用天线按照形状划分,有倒L形天线、T形天线、鱼骨天线、螺旋天线、抛物面天线等;按照在船上的用途划分,包括地面系统通信天线、卫星通信天线和导航设备天线等。

二、天线的基本知识(一)天线的方向性

天线辐射的电磁能量在空间各个方向上的分布有的是均匀的,有的是不均匀的。分布均匀的天线没有方向性,称之为全向天线;分布不均匀的天线具有方向性,称之为方向性天线。船用中短波天线,甚高频天线就没有方向性,是全向天线。Inmarsat FB船舶地球站的天线具有很强的方向性,天线只有对准卫星才能正常通信,就是方向性天线。

(二)天线的辐射效率

天线的辐射功率与馈送到天线上的总功率之比就是天线的辐射效率,它是恒小于1的数值。作为发射天线,辐射效率高的发射天线可将输入天线的能量,更多地转化为空间电磁波辐射出去;作为接收天线,吸收效率高的天线可以接收到更多的空间电磁波能量,供接收电路使用。

(三)天线的互易性

同一通信系统收发天线的结构、方向性及阻抗等方面的特性都是相同的,因此,从能量转换这一角度看它们是可以互换使用的,即天线具有收发的互易性。如船用甚高频天线,MF/HF天线、 Inmarsat 船舶地球站天线等都是收发共用的天线。但是,当收发共用天线时,必须通过一定的技术手段解决往来信息的隔离问题,如收发控制开关、环形器等。

(四)天线极化特性

电磁波在空间传播时,若电场矢量的方向保持固定或按一定规律旋转,这种电磁波便叫极化波,又称天线极化波。极化电磁波的电场方向称为极化方向。极化电磁波的极化方向与传播方向所构成的平面称为极化面。极化形式通常可分为平面极化(包括水平极化和垂直极化),圆极化和椭圆极化。

1.平面极化

如果电磁波的极化方向保持在固定的方向上,称为平面极化,也称线极化。凡是极化面与大地法线面(大地垂直面)平行的极化波称为垂直极化波,其电场方向与大地垂直。凡是极化面与大地法线面垂直的极化波称为水平极化波,其电场方向与大地平行。垂直极化和水平极化都是平面极化的特例。

2.圆极化

当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0°~360°周期地变化,即电场大小不变，方向随时间变化,电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时,称为圆极化。

3.椭圆极化

当无线电波极化面与大地法线面之间的夹角从0°~360°周期地变化,且电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个椭圆时,称为椭圆极化。圆极化是椭圆极化的特例。

三、船舶常用天线及维护方法

地面通信系统中,主要有中短波(MF/HF)天线和甚高频(VHF)天线。卫星通信系统中，主要有方向性天线(包括抛物面天线.相控阵天线)和全向天线。

(一)地面系统通信天线

1.船用MF/HF天线

船用MF/HF设备通常配备一副收发天线和一副 DSC值守机接收天线。船舶常用的 MF/HF天线主要是鞭状天线、T形和倒L形天线、直立桅杆式天线等。

( 1)鞭状天线

鞭状天线因其外形酷似鞭状而得名,结构如图3-10-1所示。当天线的长度为无线电信号波长的1/4时,天线的发射和接收转换效率最高。因此,船用MF/HF 鞭状天线长度一般为5~12 m,其内部骨架上绕有螺旋状铜线,以增加天线的有效长度。当电流沿螺旋导线前进时，电磁波沿轴向传播速度较小,相当于天线的有效长度加长。有时在螺旋顶端加顶(侧鞭) ,也相当于加大了天线的有效长度。鞭状天线长度一般小于中短波通信工作的波长,天线具有较大容性,通常经由天线耦合器接入MF/HF收发设备。

鞭状天线是目前GMDSS船舶采用最多的天线,因为这种天线外形结构简单,架设容易、风阻小,所以维护和使用非常方便。由于加了侧鞭的天线形状酷似雨伞的骨架,因此又被称为伞状天线。由于该天线迎风面积偏大,占用空间偏大,几个侧鞭极易与旗绳等发生缠绕,因此在现代化商船上应用得较少。

直立桅杆式天线与T形和倒L形天线相比有如下特点:①不影响船舶装卸货,装卸货时无须拆卸天线。

②T形和倒L形天线遇雨或结冰时,绝缘子附挂的冰水将会使天线与桅杆绝缘程度降低甚至短路,而直立桅杆天线在这方面问题比较小。

3直立桅杆天线易于实现标准化设计。

由于直立桅杆天线迎风面积较大.架设时拉索占用甲板面积也较大的原因,现代化商船上面应用得并不广泛。

2.船用VHF 天线

船用VHF设备工作在156~174 MHz频率范围,其对应的波长不足2 m。因此,其所用天线的尺寸也相对较小。目前,船用VHF设备的天线多采用0.5~1.5 m 的鞭状天线,通过电缆与VHF设备连接,特性阻抗是50 Q。VHF天线一般固定安装在驾驶台顶部、烟囱顶或大桅顶等较高位置,以保证能有足够大的通信距离。

3.地面系统通信天线的维护

对天线的精心维护是绝对必要、不容忽视的。一方面因为天线的性能直接影响到通信效果;另一方面也因为天线都暴露安装在室外,远离船员的正常活动范围,处在复杂,恶劣的环境中,若疏于管理极易出现问题而导致无法正常通信。对设备天线的维护,可重点关注以下几方面:

(1)作为船舶电子电气员,上船后应尽快熟悉掌握本船组合电台天线的配置情况与安装位置,定期进行外部巡视,发现问题及时解决。

(2)海上风大,采用多股铜绞线的天线,容易锈损,存在因风折断的可能。另外,天线要绝缘架设。所以,日常应注意检查天线的各受力部位,绝缘性能以及锈蚀情况,及时进行紧固、清洁和防锈处理。

(3)尽管桅式直立天线相对牢固,但也要注意检查其底部绝缘性能和稳固性。

(4)有些设备的发信机自动天线单元也安装在室外,日常应注意检查天线与自动天线单元或其他设备间电缆馈线的连接情况。曾有船舶发生过因馈线节点锈蚀而遭雷击,致使自动天线单元损毁的情形,此现象应引起格外关注。

(5)很多天线距离船舶的旗绳较近,应经常检查它们之间是否有交缠情况。尤其在潮湿天气,开机前注意检查旗绳,以免接地损坏收发信机或者伤及人命。

(6)经常检查天线通向甲板开口的水密情况。该处由于与船体经常磨蹭易于损坏,导致雨水沿传输线铠甲破口倒灌入设备。

(7)更换损坏的天线或者传输线时注意阻抗匹配。

(8)铺设新的传输线时注意不要用力折传输线,这样可能导致内部屏蔽和线芯、铠甲等受损。

(9)铺设传输线的长度适宜为好。如果过长,会导致信号衰减严重而影响传输效果;也不要过短,例如沿途全部拉平伸直等,这点对于铺设较长线缆时尤其关键,因为由于气温变化和热胀冷缩的缘故,传输线本身可能受损或者拉伤天线和设备。正确方法是让传输线沿途保持一定的垂量,到达两端时,将传输线环绕3~4圈并绑扎在船体上。

( 二) Inmarsat船舶地球站天线

目前,在Inmarsat各类船舶地球站中所使用的天线可分为两类:一类称方向性天线;另一类称全向天线。方向性天线是指天线向某一方向辐射或接收电磁波。全向天线也称为无方向性天线,是指天线向各方向均匀辐射电磁波。所有的 Inmarsat 天线通过电缆与设备相连,特性阻抗是50 Q。

Inmarsat船舶地球站的天线收发共用,因天线具有可逆性,所以作为发射天线与作为接收天线其性能是相同的。

1.方向性天线

卫星通信系统中,船舶地球站使用的方向性天线主要有抛物面天线和相控阵天线。Inmarsat 一F船舶地球站有的型号使用抛物面天线,有的型号使用相控阵天线。FB船舶地球站多使用相控阵天线。

(1)船用抛物面天线

Inmarsat FB船舶地球站使用的抛物面天线如图3-10-5( a)所示。抛物面天线是增益较高的一种微波天线,它利用抛物面的几何特性,将一个由照射器产生的弱方向辐射经抛物面反射

后,形成一个方向性很强的天线辐射。组成抛物面天线的照射器和反射器,其工作原理与探照灯相似,即利用几何光学原理,将照射器产生的球面波校正为平面波。照射器与馈线相连接,其作用是往抛物面上辐射电磁波,照射器通常置于抛物面焦点上。抛物面的作用是反射由照射器射出来的球面波,使之成为平面波且向着抛物面正前方传播出去。

(2)船用相控阵天线

Inmarsat FB船舶地球站一般采用比较先进的相控阵天线,如图3-10-5( b)所示。相控阵天线被认为是比较先进的通信天线,一般包括辐射单元,馈源电路、功率合成/分配器和移相器。其中移相器是相控阵天线的关键器件,通常采用数字移相器。借助数字移相器,相控阵天线可以在1 ms内把波束由一个方向转移到另一个方向,实现移动体对卫星的跟踪。

船舶地球站不论采用哪种方向性天线,都需要有天线控制系统,以使天线始终指向卫星。但与抛物面天线比,相控阵天线具有控制灵活、扫描速度快,天线体积小且可与载体平台共形的优点,但天线成本高(辐射元多且昂贵),控制复杂(天线上零件多,装配量大且要求测试)。

2.全向天线

卫星通信系统中, Inmarsat -C船舶地球站使用的天线是全向天线,船舶地球站全向天线以螺旋天线居多。螺旋天线是一种天线增益相对较低的天线,它是将导线绕成螺旋形,通常是导线绕在一个圆柱形或圆锥形介质表面。这种天线的方向特性在很大程度上取决于螺旋直径与波长之比,当螺旋直径很小时,在垂直螺旋轴的平面上有最大辐射,且在此平面内的方向性图为圆,所以称全方向性天线。螺旋天线可以看作一根鞭状天线,电流沿螺旋线前进,相当于使天线长度加长。圆锥形螺旋比圆柱形螺旋具有更宽的频带。

全向天线不需要卫星跟踪系统,但对卫星的发射能量要求相对较高,如图3-10-6所示是Inmarsat船舶地球站中所使用的全向天线。

3.Inmarsat船舶地球站方向性天线控制

对于采用定向天线的船舶地球站,要求船舶航行时天线必须始终指向卫星,而船舶在航行.转向及受天气影响纵,横摇摆,也包括天线指向误差等因素的影响时,会使天线指向偏离卫星。这样,船舶地球站设备需要设置天线控制系统以补偿因各种因素导致船舶天线的指向误差。同时采用自动跟踪系统,不断地接收经卫星转发的网络协调站的TDM载波信号来跟踪卫星。

4.Inmarsat船舶地球站天线的维护和保养

船舶上卫星设备的天线一般都是严格按照要求进行安装的,包括天线安装位置及高度应考虑的因素、安装时采用的防腐材料、天线基座等,加上天线本身装有天线罩,因此与地面系统设备的天线相比不需要过多的维护,只需注意以下几点;

(1)卫星天线罩应保持干净。注意不能在天线罩上随意喷涂油漆,具体请参考本章相关设备的内容。

( 2)对于定向天线,要定期检查天线底座是否由于船舶振动而脱焊松动;对于全向天线检查固定是否牢固,电缆与天线之间是否连接良好。

(3)进行甲板上设备维修或进入天线罩检修时,应切断船舶地球站电源。有些船舶地球站在天线罩内还设有一个电源开关,检修时也应断开,检修完毕及时闭合此开关。

(4)船舶地球站工作时,距离天线一定距离的范围内不允许有人,以避免微波辐射对人体的伤害,具体数值可以参考设备说明书。但是,当天线罩高于甲板2 m 以上时,可不受上述距离的限制。但在没有关闭射频发射器的情况下,人靠近天线的时间每天不允许超过1 h。

(5)根据设备说明书,定期做功能测试,了解甲板上设备各部件的工作情况。

(6)铺设传输线的长度适宜为好,铺设新的传输线时注意不要用力折传输线,更换损坏的天线或者传输线时注意阻抗匹配。