高壓輸電線路對中波導(dǎo)航臺無源干擾的研究

李程　王琴劍　劉又銘

摘 要： 航空中波無線電導(dǎo)航臺站的周邊建筑和電磁環(huán)境均有相關(guān)要求，隨著城市的發(fā)展，中波導(dǎo)航臺站周邊環(huán)境存在著較大的變化，經(jīng)過前期的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中波導(dǎo)航臺站周邊存在的無源干擾中高壓輸電線路占據(jù)其中的主要部分。通過對電磁學(xué)計算方法的研究，選用矩量法作為研究的數(shù)值方法，建立高壓電輸電線路的無源干擾模型，通過FEKO軟件的仿真，分析高壓輸電線路的無源干擾影響，為中波無線電導(dǎo)航臺站的環(huán)境需求提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 高壓輸電線路； 無源干擾； 矩量法； FEKO仿真

中圖分類號： TN972?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0079?04

Abstract： The surrounding buildings and electromagnetic environment of navigation station can affect on the medium wave radio station of aviation. With the development of the city， the surrounding environment of the medium wave navigation station has great changes. The preliminary investigation found that the surrounding passive interference from the high?voltage transmission line can effect on the medium wave navigation station. The calculation method of electromagnetism is studied， for which the moment method is chosen as the numerical method to establish the passive interference model of the high?voltage transmission line. The effect of passive interference from high?voltage transmission line is analyzed by means of the simulation of FEKO software， which provides the theoretical basis for the environmental requirement of medium wave radio navigation station.

Keywords： high?voltage transmission line； passive interference； moment method； FEKO simulation

為保證機場中波導(dǎo)航臺站工作的有效性，必須確保中波導(dǎo)航臺站周圍具有良好的電磁環(huán)境[1]。但是隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，中波導(dǎo)航臺站周圍存在的無源干擾日益復(fù)雜，對于導(dǎo)航臺站周圍的電磁環(huán)境的評估成為與地方城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)行協(xié)調(diào)的重要因素，而在這些無源干擾中，高壓輸電線路的無源干擾是其中最主要的組成部分。

研究分析此無源干擾就是討論分析在輸電線路存在的條件下導(dǎo)航臺發(fā)射天線方向圖的畸變情況[2]，為分析導(dǎo)航臺站周邊電磁兼容提供理論依據(jù)，同時可以將特高壓塔桿建設(shè)地點的選擇進(jìn)行優(yōu)化，既保證空間的充分利用，又能使導(dǎo)航臺站正常工作，不影響飛機的飛行。

1 電磁學(xué)計算方法

由于高壓輸電線路結(jié)構(gòu)和實際地形經(jīng)常是很復(fù)雜的，因此在分析其對中波發(fā)射臺站影響時，不適合用傳統(tǒng)的理論分析方法進(jìn)行研究，在現(xiàn)有條件下采用計算機數(shù)值分析來解決問題被認(rèn)為是合適的[3]?，F(xiàn)行常用的電磁學(xué)計算方法主要有以下幾種：矩量法、物理光學(xué)繞射法、幾何光學(xué)繞射法等[4]。針對本文提到的問題，所用的頻率為1 035 kHz，此頻率屬于低頻范疇，且建立計算模型時并沒有把電磁波進(jìn)行分類，而是作了統(tǒng)一處理。正因為此種模型符合矩量計算法的特性，本文選擇矩量法作為仿真方法。

此方程可以被認(rèn)作未知數(shù)為[an]的線性方程組，將線性方程組解出來，把結(jié)果代入式（3），則[f]的近似解就得到解答。

在矩量法中，不僅僅函數(shù)可以選用不同的基函數(shù)展開，相應(yīng)的權(quán)函數(shù)也有不同的選擇。它們之間不同的組合對于待求的場問題的解答有著相當(dāng)大的影響。在所需解答的電磁兼容問題中，分析的電場都是靜電場。解決此類問題達(dá)成的共識是，采用脈沖函數(shù)作為基函數(shù)，采用最簡捷的點匹配法作為權(quán)函數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)。這種方法在靜電場中得到了充分應(yīng)用[4]。

在使用矩量法的仿真軟件中，F(xiàn)EKO與EMC STUDIO是最常用的兩種軟件，他們共同的優(yōu)點就是需要的計算機內(nèi)存小且計算速度快，軟件界面友好，操作易上手。但是FEKO軟件可以進(jìn)行簡單的CAD建模，對于模型可以進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、平移等簡單操作，而且可以和Matlab進(jìn)行交互計算，使得其計算能力大大加強，正因為此，選擇FEKO軟件作為仿真軟件。

2 高壓電輸電線路模型的建立

高壓輸電線路的無源干擾是由導(dǎo)航臺發(fā)射天線的場在高壓輸電線路金屬結(jié)構(gòu)上引起射頻感應(yīng)電流引起的，這些感應(yīng)電流再向空中輻射電磁波，從而形成二次輻射場。此二次輻射場將影響發(fā)射天線有效信號的幅值和相位，與發(fā)射天線輻射場相疊加后將會產(chǎn)生新的發(fā)射天線方向性圖[3]。

本文主要研究的是頻率為1 035 kHz的中波發(fā)射天線，當(dāng)然由于實際環(huán)境比較復(fù)雜，需要對特高壓輸電線路的模型進(jìn)行簡化處理。

通過對電磁波的學(xué)習(xí)可知，絕緣材料對電磁波傳播主要起阻擋作用，而特高壓輸電線路塔桿采用的是鏤空結(jié)構(gòu)，阻擋作用極小，可以忽略不計。需要考慮的是導(dǎo)體部分對于電磁波的影響，查詢國家電網(wǎng)所頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)，特高壓輸電線路的導(dǎo)體部分分為三個部分：塔桿、相線和地線。而對中波發(fā)射天線的無源干擾大小的主要因素包括：塔身、塔高、檔距（特高壓輸電線路相鄰塔桿間的距離）、特高壓線路的走向、防護間距（特高壓輸電線路與短波發(fā)射天線的水平距離）、相線和地線等[5]。

經(jīng)過簡化與處理，將金屬塔桿等效為直塔，材料為金屬材料；相線與地線均簡化為理想的金屬導(dǎo)線。查閱資料《國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計》，國家標(biāo)準(zhǔn)金屬塔桿的高度定于60～80 m，本文建模時，采用70 m的金屬塔桿方案；金屬塔桿的間距為40 m，大地采用理想的導(dǎo)電平面，在仿真的網(wǎng)格劃分中，將金屬塔桿與大地連接處的網(wǎng)格劃分要密一些。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 只有中波天線存在時的天線方向圖

（1） 當(dāng)僅僅存在一副116 m的中波發(fā)射天線時，地面為理想導(dǎo)電無限大平面，其建模情況如圖1所示。

通過方向圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩副天線共存時，天線的水平方向圖在0°和180°方向上，發(fā)生了明顯的畸變，說明兩者存在著較大的影響，所以根據(jù)無線電管理的規(guī)律，兩個導(dǎo)航臺站要間隔足夠的距離。所以在后面仿真時，僅僅考慮存在一副天線的情況。

3.2 單個高壓輸電塔桿與中波天線共存時天線方向圖

當(dāng)塔桿與中波天線相距[λ4]時，塔桿高度為70 m，天線高度為168 m，地面為理想導(dǎo)電的無限大平面，其建模仿真圖如圖7所示，其方向圖仿真結(jié)果見圖8，圖9。

由仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，在0°，90°，180°，270°四個方向上，方向圖凹陷比較嚴(yán)重，而在60°，150°，240°，300°四個方向上增益仍然非常大，幾乎沒有影響，而與[λ4]比較發(fā)現(xiàn)，雖然存在衰減，但是衰減不及[λ4]時大，所以加大防護距離仍然是導(dǎo)航臺站消除影響的主要途徑。

3.3 多個高壓輸電塔桿與中波天線共存時天線方向圖

查詢中國電網(wǎng)的規(guī)定，高壓塔桿的間距為40～200 m，本文在建模時將塔桿距離定位40 m，塔桿距天線[λ4]時，仿真對方向圖的影響，建模圖像如圖12所示。

對比仿真結(jié)果可知，當(dāng)塔桿間距變大時，方向圖變化并不明顯，但是其凹陷部分沒有像圖14一樣尖銳，說明增加間距對于減少無源干擾有一定的作用但不是非常明顯，在實際中，此方法并不是最優(yōu)解決方案。

4 結(jié) 語

本文首先介紹了FEKO軟件進(jìn)行電磁計算的理論基礎(chǔ)——矩量法，并說明仿真實驗時使用FEKO軟件的原因，然后建立了中波導(dǎo)航天線與特高壓天線塔桿實際仿真時的簡化模型，最后利用模型導(dǎo)入FEKO軟件，給出限定條件，將高壓塔桿對中波天線的無源干擾的幾種情景進(jìn)行了仿真，觀察了無源干擾的影響大小，為防護中波天線周邊環(huán)境無源干擾影響提供了依據(jù)。

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