基于矩量法對不同高度甚低頻天線電氣性能研究*

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(1.91919部隊20分隊　黃岡　438000)(2.海軍工程大學兵器工程系　武漢　430033)

基于矩量法對不同高度甚低頻天線電氣性能研究*

江海1劉志艷1周亮2

(1.91919部隊20分隊黃岡438000)(2.海軍工程大學兵器工程系武漢430033)

摘要針對天線架設高度對甚低頻天線電氣性能具有重要影響的特點，文章基于矩量法理論，采用FEKO軟件對甚低頻十三塔天線進行建模。計算了在一定地網(wǎng)分布密度下，不同天線高度下天線的電氣性能參數(shù)，并分析不同天線高度下的電氣性能結果，計算結果與實際情況相符，可為工程上甚低頻天線架構參考。

關鍵詞甚低頻; FEKO; 十三塔; 天線高度

Class NumberE917；TJ07

1引言

潛艇是我國重要的戰(zhàn)略武器，而甚低頻天線是岸對潛通信的主要方式[1～3]。由于甚低頻天線波長，而天線架設高度受工程技術限制，甚低頻天線波長長度比高度高出許多，因此甚低頻天線屬電小天線[4～8]。提高甚低頻天線有多種途徑，如合理布局天線頂容線、地網(wǎng)密度等，而將天線架設一定高度是提高天線效率的重要途徑之一[9～10]。在目前天線高度架設技術有限及成本隨高度劇烈增加的條件下，摸清天線電氣性能隨高度變化情況，對選擇合適高度使天線電氣性能最大化具有重要的意義。

本文以甚低頻十三塔天線為研究對象，基于矩量法理論，采用電磁仿真軟件FEKO對甚低頻十三塔天線進行建模，計算了地網(wǎng)分布密度一定的條件下，不同天線高度下的天線電氣參數(shù)，計算結果表明：天線輻射效率的增加隨天線高度增加越來越慢。針對目前天線架設技術有限的情況下，應選擇合適高度。

2矩量法

矩量法(MOM)是電磁學領域中最有效的數(shù)值分析方法之一，也是求解線性算子方程的一種普遍方法[11]。其基本思想是利用離散化方法將一般的算子方程轉化為矩陣方程，然后利用計算機求解矩陣方程，從而得到算子方程的數(shù)值解。

FEKO是南非EMSS公司研發(fā)的一款基于積分方程方法求解麥克斯韋方程組的任意結構通用的三維電磁仿真軟件，以矩量法為核心，融合了特別適合處理非均勻介質的有限元法(FEM),同時結合了高效快速的求解算法多層快速多級子(MLFMM)。另外FEKO還支持能快速處理無限大平面的物理光學法(PO)[11]。

3基于矩量法的甚低頻十三塔天線建模

3.1天線參數(shù)

十三塔甚低頻天線由一個中心塔、六個內(nèi)圈塔、六個外圈塔組成，天線鐵塔參數(shù)如表1所示，天線模型建成后的俯視圖如圖1所示。

表1　天線鐵塔參數(shù)

圖1　甚低頻十三塔傘形天線結構俯視

3.2地網(wǎng)參數(shù)

用FEKO中的GF卡定義均勻大地，取大地電導率為4s/m，鋪設均勻輻射狀地網(wǎng)。

圖2　天線地網(wǎng)

在從中心到第二圈匯流環(huán)(從地網(wǎng)中心往外數(shù)的第二個圓圈)以內(nèi)鋪設120根長為200m長銅線，相鄰地網(wǎng)線之間的夾角為3°；從第二圈匯流環(huán)到第四圈匯流環(huán)鋪設240根長200m的銅線，相鄰地網(wǎng)線之間的夾角為1.5°。從第四圈匯流環(huán)到最外層匯流環(huán)鋪設480根長800m的銅線，相鄰地網(wǎng)線間的夾角為0.75°，埋深0.3m，其總長度為500km,如圖2所示。

4高度變化對天線電氣性能的影響

在上述地網(wǎng)鋪設模式下，頂容線結構不變，下引線和支撐塔整體提高或降低，改變天線的高度。下面仿真計算天線工作在24kHz時，不同高度下天線的電氣性能。由于卡特勒支撐塔和下引線高度各不相同，因此以天線主塔高度為參考。

在不同高度下，工作在24kHz時天線電氣的參數(shù)如表2所示。

表2　不同高度下實驗天線的電氣參數(shù)

表2中可以得知，天線的輻射電阻隨天線高度的增加而變大，這是由于天線的高度增加，天線下引線上的電流分布較之前均勻，天線的有效高度增加，故輻射電阻變大。但當天線超過一定高度后，天線的效率增長緩慢。

隨著天線高度的增高，天線的地損耗電阻不斷增大，這是因為：當天線變高時，天線下引線上的電流變大，下引線附近的磁場強度變大；在天線頂負載結構不變時，盡管天線頂負載在大地中由鏡像電流引起的地損隨著天線高度的增加而變小，但在天線地損耗中，頂負載在地中鏡像電流引起的損耗遠小于下引線切向磁場引起的地損耗，又下引線附近的磁場強度變大。因此當天線高度增加時，天線的地損耗電阻逐漸變大，但增加的幅度與輻射電阻增加的幅度相比要小，因此當天線高度的增加時，天線的效率也增加。

分析表2中天線效率變化趨勢，當天線高度從300m變到450m時，天線的輻射效率提高了18%，且實驗天線的效率隨著天線高度的增加，增長的幅度要比慢慢降低，如圖3和圖4，因此在目前天線架高度有限的條件下，設計出良好的頂負載對提高天線輻射效率具有重要意義。

圖3　不同高度下天線輻射效率

圖4　不同高度下天線容抗值

圖5　天線的頂負載和下引線

從表2中得知，天線的容抗均隨天線的高度增加先變大后變小，如圖4所示。這是因為：沒有調(diào)諧的天線系統(tǒng)主要由頂負載和下引線的電抗之和構成，在頂負載不變的情況下，隨著天線高度的增加，頂負載與大地之間的電容變小，容抗變大，而下引線的電感隨天線的增高變大，電抗也隨之變大，當增加的容抗比電抗大時，天線的容抗增加，反之則變小。

5結語

本文基于矩量法，采用了FEKO軟件對甚低頻十三塔天線及地網(wǎng)進行了建模。研究了天線高度變化對天線電氣性能的影響。從計算結果可以得出：

1)天線的輻射效率隨天線高度增加，先增長比較快，后隨天線高度增加效率慢慢放緩。

2)天線容抗隨天線高度先變大，后變小。

參 考 文 獻

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VLF Antenna’s Electrical Performance of Different Heights Based on Method of Moment

JIANG Hai1LIU Zhiyan1ZHOU Liang2

(1.Unit 20, No. 91919 Troops of the PLA, Huanggang438000)(2.Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractFor the characteristics that theerection height of VLF antenna has an important influence on antenna electrical performance, the VLF trideco antenna model is established through FEKO software based on the theory of moment’s method. In the grid density distribution condition, the electrical performance of the antenna parameters under different antenna heights is calculated, and the antenna electrical performance results in different height of antenna are analyzed. The calculation result is consistent with the actual situation, which can guide the construction of VLF antenna.

Key WordsVLF, FEKO, thirteen towers, height

*收稿日期：2015年12月14日,修回日期：2016年1月27日

作者簡介：江海,男,碩士,工程師,研究方向：甚低頻通信。劉志艷，男，助理工程師，研究方向：有線傳輸。周亮,男,博士研究生,研究方向：甚低頻通信，裝備綜合。

中圖分類號E917；TJ07

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.037