甚低頻十三塔天線電氣性能的研究﹡

周 亮， 柳 超， 董穎輝， 謝 旭

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

甚低頻頻率為3～30 kHz,在海水中衰減小，穿透能力強(qiáng)，因此是目前對(duì)潛艇通信的重要手段。由于甚低頻波長(zhǎng)較長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天線架設(shè)的高度，因此屬于電小天線。天線的輻射電阻小，而天線的輻射效率是由輻射電阻和損耗電阻共同決定。目前通過提高天線的架設(shè)高度來增大輻射電阻比較困難，而且會(huì)大大增加成本。除了提高天線的輻射電阻來提高輻射效率外，通過減小損耗電阻也是提高天線效率的重要手段，而天線的損耗電阻主要由地?fù)p耗和調(diào)諧損耗構(gòu)成，且地?fù)p耗是最主要的[1-6]。近些年來，也有不少單位和個(gè)人對(duì)甚低頻進(jìn)行仿真研究，但對(duì)地網(wǎng)匯流環(huán)和邊塔接地前后對(duì)輻射電阻的影響研究甚少[7-9]。

由于甚低頻傘形天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的解析方式很難計(jì)算天線的輻射電阻和損耗電阻。文中以卡特勒天線中的單副十三塔天線為例，采用數(shù)值與地?fù)p耗電阻間接求法（簡(jiǎn)稱差值法）相結(jié)合的方法，對(duì)塔進(jìn)行了數(shù)值仿真，對(duì)比實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，可以證明天線結(jié)構(gòu)建模的正確性[2-3]。并研究了它的邊塔的接地情況天線輻射電阻的變化。在此模型基礎(chǔ)上，減少頂容線根數(shù)和降低地網(wǎng)密度，研究了匯流環(huán)位置及數(shù)目隨頻率的變化對(duì)天線地?fù)p耗電阻的影響。

1 方法與理論

1.1 數(shù)值計(jì)算方法法

對(duì)于大型復(fù)雜傘形甚低頻天線，采用解析法求輻射電阻和地?fù)p耗電阻比較困難。文中采用電磁數(shù)值仿真軟件FEKO進(jìn)行計(jì)算，F(xiàn)EKO是以矩量法（MOM）為核心，集物理光學(xué)法（PO）等多種算法于一體的專業(yè)電磁仿真軟件。對(duì)于電小天線，采用矩量法具有精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于處理大的平板，采用PO算法計(jì)算快而準(zhǔn)確。而甚低頻十三塔天線屬于電小天線，其大地采用無限大的介質(zhì)平面大地。因此采用FEKO數(shù)值軟件對(duì)其仿真具有快而準(zhǔn)確的結(jié)果。

1.2 地?fù)p耗電阻的計(jì)算方法

地?fù)p耗電阻是磁場(chǎng)損耗電阻和電場(chǎng)損耗電阻之和。而磁場(chǎng)損耗電阻是對(duì)每平方米的磁場(chǎng)損耗電阻近場(chǎng)的積分，電場(chǎng)損耗電阻是位移電流經(jīng)地面進(jìn)入接地系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的損耗，對(duì)于十三塔大型復(fù)雜天線，直接計(jì)算磁損耗電阻和電場(chǎng)損耗電阻困難。文中采用間接法來求地?fù)p耗電阻，從能量轉(zhuǎn)化的角度看，天線是電能和電磁能的相互轉(zhuǎn)化，充當(dāng)一個(gè)能器。因此，可以將甚低頻發(fā)射天線可等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路[3]，如圖1所示。圖中rR是天線的輻射電阻，是天線等效電容，aL是天線等效電感，dR是天線等效串聯(lián)介電電阻，cR是天線導(dǎo)線損耗電阻，gR是地?fù)p耗電阻，tL是調(diào)諧線圈的電感，tR是調(diào)諧線圈的損耗電阻，sR是支撐系統(tǒng)的等效串聯(lián)損耗電阻。

圖1 天線系統(tǒng)等效電路

天線效率為[1]:

對(duì)于甚低頻天線系統(tǒng)中，地?fù)p耗和調(diào)諧線圈的損耗是天線系統(tǒng)的主要損耗，其它的損耗與之相比可以忽略不計(jì)，因此天線系統(tǒng)的效率用電阻可表示為：

數(shù)值軟件FEKO在仿真天線的過程中，是不考慮調(diào)諧線圈損耗的，并直接可以從仿真結(jié)果得出天線的輸入電阻inR，天線的輸入功率aiP,輻射功率rP，沒有考慮調(diào)諧線圈的損耗，因此由式（1）、式（2）可得，天線的輻射電阻為：

天線的地?fù)p耗電阻為：

1.3 十三塔天線建模

甚低頻十三塔天線是由十三座鐵塔和六個(gè)相同的菱形頂負(fù)載組成，在建模過程中，考慮頂容線的弧垂，采用平拋物線形式，平拋物線方程為[10-11]

表1 天線鐵塔參數(shù)

表2 頂容線參數(shù)

其天線結(jié)構(gòu)、地網(wǎng)形式及天線頂容結(jié)構(gòu)部分分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 某十三塔天線結(jié)構(gòu)

圖3 某臺(tái)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式

圖4 天線頂容結(jié)構(gòu)部分

2 仿真結(jié)果

2.1 邊塔接地情況的輻射電阻

當(dāng)天線工作在頻率為24 kHz時(shí)，設(shè)大地電導(dǎo)率為0.01 s/m，天線內(nèi)外塔接地與不接地時(shí)，天線輻射電阻與電抗值如表3所示。

表3 邊塔接地情況的輻射電阻

2.2 地網(wǎng)匯流環(huán)位置對(duì)地?fù)p耗電阻的影響

由于十三塔甚低頻天線結(jié)構(gòu)龐大，對(duì)計(jì)算機(jī)不僅要求配置高，而且耗時(shí)長(zhǎng)。因此簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，地網(wǎng)依然呈輻射狀結(jié)構(gòu)，但由原來的144 km簡(jiǎn)化為40 km。當(dāng)為一圈匯流環(huán)時(shí)，匯流環(huán)的位置由內(nèi)依次往外移，每間隔50米移動(dòng)一次。圖6是在大地電導(dǎo)率為1.5 s/m，頻率分別為5 kHz，10 kHz，15 kHz，20 kHz，25 kHz，30 kHz 下匯流環(huán)不同位置時(shí)損耗電阻的大小。

圖5 簡(jiǎn)化后的天線(俯視圖)

圖6 匯流環(huán)位置在不同頻率下的地?fù)p耗電阻

2.3 匯流環(huán)個(gè)數(shù)對(duì)地?fù)p耗電阻的影響

在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，改變環(huán)的個(gè)數(shù)，使環(huán)在0～1 200 m內(nèi)均勻分布。天線工作在24 kHz時(shí)，分別仿真了大地電導(dǎo)率在 0.01 s/m，0.1 s/m，1.5 s/m的情況下，匯流環(huán)個(gè)數(shù)對(duì)地?fù)p耗電阻的影響，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 地?fù)p耗電阻在不同頻率下隨匯流環(huán)個(gè)數(shù)的變化

3 結(jié)語

由表3可知，當(dāng)內(nèi)環(huán)鐵塔與外環(huán)鐵塔均接地時(shí)，天線的輻射電阻和電抗值與測(cè)量值吻合，說明天線結(jié)構(gòu)建模的正確性，在此基礎(chǔ)上，探討了內(nèi)外塔分別接地與不接地時(shí)，天線的輻射電阻與電抗值的變化。從表中可以得知，當(dāng)邊塔未接地時(shí)，天線系統(tǒng)的輻射電阻明顯比接地時(shí)的輻射電阻要高，且內(nèi)環(huán)塔的輻射比外環(huán)塔的輻射要高。這是由于當(dāng)天線未接地時(shí)，下引線產(chǎn)生的電磁波在邊塔產(chǎn)生感應(yīng)電流，使邊塔也產(chǎn)生輻射，當(dāng)距離主塔越近，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大，輻射能力也就越強(qiáng)。因此，在技術(shù)和安全保證的前提下，邊塔不接地會(huì)提高傘形甚低頻天線的效率。

從圖6得知，在甚低頻低頻段，匯流環(huán)的位置對(duì)其地?fù)p耗電阻有一定的影響，可以選擇匯流環(huán)鋪設(shè)的最好位置。隨著頻率的增高，匯流環(huán)的為置對(duì)損耗電阻幾乎沒有影響。同時(shí)，從圖7可以得出，地?fù)p耗電阻隨匯流環(huán)的個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)減小緩慢，故在十三塔甚低頻天線地網(wǎng)鋪設(shè)過程中，可以針對(duì)天線的工作頻率，選擇合適匯流環(huán)的個(gè)數(shù)和位置。

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