基于FEM的機載VLF單/雙拖曳天線電磁輻射特性仿真

國家無線電監(jiān)測中心頻譜管理研究處 陳佳佳

一、引言

甚低頻無線電一般用于對潛通信，通信的頻率范圍為3kHz～30kHz。機載甚低頻（VLF）天線系統(tǒng)中，主要依靠拖曳天線發(fā)射信號。拖曳天線分為單拖曳天線和雙拖曳天線，單拖曳天線由一條長天線組成，總長度為波長的一半；雙拖曳天線（DTWA）由一條短天線（STWA）和一條長天線（LTWA）共同組成，長天線與發(fā)射機相連，短天線與機尾相連，長短天線總長度為波長的一半。發(fā)射機的功率在200kW。

國外Lennart Marin和J.Philip Castilio采用路的方法對機載VLF/LF雙拖曳天線的寬帶響應(yīng)進行了分析；Bakry等人考慮了雙拖曳天線的形狀對天線阻抗變化影響和阻抗變換對高功率發(fā)射天線耦合能力的影響；D.Roger Kilgore和Dr.Samerh A.Mitry利用海軍海洋系統(tǒng)中心（NOSC）的微數(shù)值電磁碼（Mini-NEC）程序及麥克斯韋爾場方程的矩量法求解對傳遞函數(shù)進行了估算；國內(nèi)海軍工程大學(xué)的魏亮、柳超，海軍702廠的吳笛等先后開展過基于MoM的雙拖曳天線輻射特性的數(shù)值計算；目前還未見基于FEM的機載VLF單/雙拖曳天線電磁特性仿真研究。因此，這方面的研究是有意義的。

二、機載甚低頻單/雙拖曳天線模型

本文考慮在自由空間簡單飛行狀態(tài)，即飛機作勻速直線運動，則長天線呈現(xiàn)斜線狀態(tài)。為了使拖曳天線較好的發(fā)射信號，應(yīng)保持長天線70%左右的垂直度。本文假設(shè)長天線的垂直度為67%，即長天線與水平面的夾角為60°（本文忽略天線的力學(xué)模型，不考慮天線的拉力等因素）。天線模型采用Bickel等人提供的一個拖曳天線模型，總長度為6438m，中心頻率為23.3kHz，雙拖曳天線中長天線為0.44λ，短天線為0.06λ。在仿真過程中適當(dāng)加粗天線半徑不影響天線的輻射特性。

1. 飛機模型

載機平臺采用中型飛機模型總長40m左右。機頭用錐形柱近似，機身用圓柱近似，機腹用錐形柱近似，機尾用細(xì)圓柱近似（見圖1）。

圖1 飛機模型

2. 機載甚低頻單拖曳天線模型

采用單拖曳天線總長為6 4 3 8 m，中心頻率f=23.3kHz，波長λ=12.876km。單拖曳天線與發(fā)射機相連，安裝在機腹處。對于天線的建模采用人為的將天線截成64段，每段100m長，第65段為38m（見圖2、圖3）。

圖2 機載VLF單拖曳天線模型

圖3 機載VLF單拖曳天線模型側(cè)視圖

3. 機載甚低頻雙拖曳天線模型

采用雙拖曳天線總長為6438m，長天線ll=0.44λ=5657m，短天線ls=0.06λ=781m，波長λ=12.876km，頻率f=23.3kHz。長天線與發(fā)射機相連，呈斜線狀態(tài)，安裝在機腹處；短天線與機尾相連，呈水平狀態(tài)。人為將長天線截成56段，每段100m長，第57段長57m，短天線截成7段，每段100m長，第8段81m（見圖4、圖5）。

圖4 機載VLF雙拖曳天線模型

圖5 機載VLF雙拖曳天線模型側(cè)視圖

三、仿真結(jié)果

在HFSS建立以上模型，發(fā)射機發(fā)射功率為200kW，仿真結(jié)果如下（見圖6～圖11）：

1. 機載VLF單拖曳天線電磁輻射特性

圖6 機身網(wǎng)格剖分

圖7 機身場強分布

圖8 天線平面場強分布

圖9 3D方向圖

圖10 水平平面方向圖

圖11 垂直平面方向圖

機載單拖曳天線系統(tǒng)在未匹配條件下得到：

輸入阻抗Z1=539.52-j5050.5 ；在23.3kHz下，天線的損耗電阻為51.4，因此天線的輻射效率η10=90.5%。

反射系數(shù)S1=0.99791＜-1.12，則發(fā)射機的輸入效率為η1=1-|S1|2=0.02=2%

2. 機載VLF雙拖曳天線電磁輻射特性

圖12 機身網(wǎng)格剖分

圖13 機身場強分布

圖14 天線平面場強分布

圖15 3D方向圖

圖16 水平平面方向圖

圖17 垂直平面方向圖

機載雙拖曳天線系統(tǒng)在未匹配條件下得到（見圖12～圖17）：

輸入阻抗Z2=608.75-j206.71 ；在23.3kHz下，天線的損耗電阻為51.4，因此天線的輻射效率η20=91.6%。

反射系數(shù)S2=0.8629 -2.88，，則發(fā)射機的輸入效率為η2=1-|S2|2=25.5%

四、結(jié)束語

從仿真結(jié)果看，機載雙拖曳天線模型輸入阻抗值|Z2|遠小于機載單拖曳天線模型輸入阻抗|Z1|，使得機載雙拖曳天線在相同發(fā)射功率條件下能更好的向外輻射能量。在機載單拖曳天線模型中，反射系數(shù)S1≈0.99，發(fā)射機的輸入效率（2%）很低；機載雙拖曳天線模型中，反射系數(shù)S2≈0.86，發(fā)射機的輸入效率（25.5%）有所提高。機載雙拖曳天線模型優(yōu)于機載單拖曳天線模型。但是機載雙拖曳天線模型中，反射系數(shù)仍很高，使得發(fā)射機輸入效率低，因此必須在發(fā)射機與天線之間建立良好的匹配，提高輸入效率。因機載雙拖曳天線模型輸入阻抗值|Z2|遠小于機載單拖曳天線模型輸入阻抗|Z1|，機載雙拖曳天線的匹配網(wǎng)絡(luò)比機載單拖曳天線的匹配網(wǎng)絡(luò)更容易建立。

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