加載對垂掛式長波天線電氣性能影響的研究*

宮 燁，翟 琦，蔣宇中

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

加載對垂掛式長波天線電氣性能影響的研究*

宮 燁，翟 琦，蔣宇中

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

在借鑒機(jī)載長波天線、氣球天線和COCO天線的基礎(chǔ)上，建立三種形式的垂掛式長波發(fā)信天線模型，然后就頂容性加載和電感加載兩個(gè)方面研究頂容線數(shù)量以及電感加載位置、加感量等對天線電氣性能的影響。仿真結(jié)果表明：頂容性加載和電感加載均能使天線的阻抗特性和輻射性能得到改善，且電感加載能夠間接縮短天線物理長度。這一研究結(jié)果對改善長波天線電氣性能、縮短天線物理長度等具有重要的指導(dǎo)意義。

垂掛式長波天線；容性加載；電感加載；電氣性能

0 引 言

長波電波憑借其傳輸距離遠(yuǎn)﹑穿透海水能力強(qiáng)等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)洋通信﹑水下通信等領(lǐng)域[1]。結(jié)合波導(dǎo)理論和地面的鏡像作用分析可得，長波發(fā)信天線適合采用垂直于地面架設(shè)﹑輻射TM型波的直立天線形式[2]。岸基天線﹑固定翼機(jī)載天線和氣球天線是現(xiàn)有長波發(fā)信天線的主要形式[3]，但在輻射性能﹑頑存性和機(jī)動性上均或多或少存在一定的缺陷。因此，提出一種以直升機(jī)作為運(yùn)載平臺的垂掛式長波發(fā)信天線，在借鑒現(xiàn)有天線形式的基礎(chǔ)上，建立三種形式的天線模型，然后就頂容性加載和電感加載對天線電氣性能的影響進(jìn)行仿真研究。

1 垂掛式長波發(fā)信天線模型

機(jī)載長波天線由總長度為λ/2的一長一短兩根拖曳天線組成。天線電尺寸大﹑輻射效率高；輸入阻抗隨長﹑短拖曳天線長度的變化而改變，使得調(diào)諧簡便[4]。在借鑒機(jī)載長波天線的基礎(chǔ)上，建立半波不對稱雙極天線模型（模型一）。該模型主要由鐵質(zhì)吊索﹑儀器吊艙﹑饋線和天線輻射體等組成，如圖1所示。儀器吊艙內(nèi)置有除天線以外的發(fā)信系統(tǒng)的其他組成部分，可采用塑料材質(zhì)或金屬材質(zhì)。

圖1 模型一：半波不對稱雙極天線模型

模型一天線長度過長，對運(yùn)載平臺的升高以及載重等要求較高。氣球天線的長度為λ/4，下端接地使地面對天線存在正鏡像作用，輻射效率較高[5]。海水在長波頻段內(nèi)為良導(dǎo)體，若天線下端接入海水同樣對天線具有正鏡像作用。在借鑒氣球天線的基礎(chǔ)上，建立接地不對稱雙極天線模型（模型二），如圖2所示。模型二與模型一的主要區(qū)別，在于天線長度以及天線下端是否接入海水。

圖2 模型二：接地不對稱雙極天線模型

模型一﹑模型二均為不對稱雙極天線，具有輸入容抗大﹑Q值高﹑通信頻帶窄的缺陷。COCO天線表明，同軸線不僅可以作為饋線起傳輸作用，而且可以作為天線輻射體對外輻射電磁波[6]。在借鑒COCO天線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立以同軸線外導(dǎo)體作天線輻射體的同軸雙極天線模型（模型三），如圖3所示，主要由鐵質(zhì)吊索﹑儀器吊艙和同軸線（兼作傳輸線和天線輻射體）等組成。

圖3 模型三：同軸雙極天線模型

采用基于矩量法（MoM）的FEKO軟件對天線建模。各部分建模方式及參數(shù)如下：工作頻率f=200 kHz；鐵質(zhì)吊索直徑d1=5 mm；饋線采用同軸線形式，內(nèi)芯直徑d2=2 mm，外導(dǎo)體厚度T1= 0.3 mm，總直徑d3=10 mm，饋線長度可調(diào)；模型一﹑模型二的天線輻射體為銅導(dǎo)線，直徑d4=10 mm；正方體鐵質(zhì)金屬吊艙，體積V=1 m3，厚度T2=1 mm；非金屬塑料吊艙對天線的電磁輻射幾乎無影響，建模時(shí)不予考慮。

前期對天線輻射體傾斜﹑饋線長度﹑天線下端接入海水和天線電長度對天線電氣性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：天線輻射體傾斜將使天線的輻射性能降低，故應(yīng)盡量保證天線發(fā)信時(shí)處于垂直狀態(tài)；隨著饋線長度的增加，天線的輸入電阻﹑輻射電阻逐漸降低，輸入電抗在一定范圍內(nèi)逐漸增加；天線下端接入海水能夠使模型二相對于模型一在天線長度縮短一半的情況下，天線諧振時(shí)的阻抗特性﹑輻射性能得到改善；模型三天線輸入阻抗隨天線電長度的變化曲線與直立天線一致，驗(yàn)證了利用同軸線外導(dǎo)體作為天線輻射體輻射電磁波的可行性。

2 頂容性加載對天線電氣性能的影響

岸基長波天線通常為電小天線，輻射效率低，可采用在天線頂端添加頂容線構(gòu)成天線帳的方法，改善天線上的電流分布﹑增大功率容量，進(jìn)而提高天線的輻射能力[2]。為此，在上述垂掛式長波天線模型的基礎(chǔ)上，借助運(yùn)載平臺對天線頂端進(jìn)行不同數(shù)量的頂線加載，以研究添加頂線以及頂線數(shù)量對天線電氣性能的影響。

2.1 頂線加載對不對稱雙極天線電氣性能的影響

頂線加載的天線模型，即在原天線模型的基礎(chǔ)上借助運(yùn)載平臺對天線頂端連接不同數(shù)量的頂線。建模時(shí)，頂線取為銅導(dǎo)線，長3 m，直徑2 mm。

對模型一采用塑料吊艙和連接金屬吊艙情形的天線頂端連接2﹑4﹑8根頂線，得到其輸入阻抗隨饋線長度的變化曲線，獲知兩者阻抗變化規(guī)律相同。以采用塑料吊艙情形為例，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同頂線數(shù)量下輸入阻抗隨饋線長度的變化曲線

對比圖4可知，天線頂端加載與否不改變天線的輸入阻抗隨饋線長度的變化趨勢。通過調(diào)節(jié)饋線長度使天線達(dá)到諧振狀態(tài)，表1為模型一各種形式天線諧振時(shí)的饋線長度和輻射電阻。

通過對比表1和圖4可得，對模型一天線進(jìn)行頂線加載，能夠改善天線的阻抗特性和輻射性能，縮短諧振時(shí)對應(yīng)的饋線長度，且隨著頂線數(shù)量的增加，效果愈發(fā)明顯。這是因?yàn)閷μ炀€頂端連接金屬頂線相當(dāng)于進(jìn)行頂容性加載，使電容增加﹑電抗曲線上移，從而使達(dá)到諧振狀態(tài)所需的饋線長度縮短；頂負(fù)載能改善天線上的電流分布，提升天線的有效高度﹑輻射電阻；頂線數(shù)量越多，對天線兩極間電容的增加和對天線上電流分布的改善效果越明顯。

對模型二采用塑料吊艙和連接金屬吊艙情形的天線頂端連接2﹑4﹑8根頂線，通過調(diào)節(jié)饋線長度使天線達(dá)到諧振狀態(tài)。表2為模型二各種形式天線諧振時(shí)的饋線長度和輻射電阻。

對比表2可知，添加頂線能夠使天線諧振時(shí)的饋線長度縮短﹑輻射電阻提高，且頂線數(shù)量越多效果越明顯，與模型一所得結(jié)論一致。

由于模型二與模型一的主要區(qū)別在于天線長度以及天線下端是否接入海水，因此通過對比表1﹑表2可得，模型二在天線長度縮短一半的基礎(chǔ)上，其諧振狀態(tài)的輻射電阻較模型一有所提高﹑饋線長度縮短一半以上。由此表明，天線下端接入海水可使在天線長度縮短的情況下，天線諧振時(shí)的阻抗特性和輻射性能得到改善，且連接金屬吊艙及進(jìn)行頂線加載可使天線性能進(jìn)一步提高。

2.2 頂線加載對同軸雙極天線電氣性能的影響

由于連接金屬吊艙能夠使模型三天線在諧振時(shí)的天線電長度降低且能夠提高天線的輻射性能，故對模型三僅考慮連接金屬吊艙情形進(jìn)行頂線加載的研究。于是，得到輸入阻抗隨天線電長度的變化曲線，如圖5所示。

表1 模型一不同形式天線諧振狀態(tài)的電參數(shù)

表2 模型二不同形式天線諧振狀態(tài)的電參數(shù)

圖5 不同頂線數(shù)量下輸入阻抗隨天線電長度的變化曲線

由圖5可知，添加頂線不改變天線輸入阻抗隨天線電長度變化的趨勢。添加頂線使輸入電阻最大值提高，但到達(dá)諧振點(diǎn)后將低于未加載情況；輸入電抗在諧振點(diǎn)前高于未加載情況，諧振點(diǎn)附近迅速下降并低于未加載情況，到達(dá)最低點(diǎn)后則增加并高于未加載情況。此外，頂線數(shù)量越多，效果越明顯。這主要是因?yàn)樘炀€頂端連接頂線在增加天線輸入電阻的同時(shí)，相當(dāng)于對天線進(jìn)行頂容性加載，且能夠改善天線上的電流分布，提高天線的有效高度，從而使天線諧振對應(yīng)的電長度降低，相當(dāng)于天線的輸入阻抗曲線向左上方移動。

3 電感加載對天線電氣性能的影響

由于長波天線的物理尺寸較大，若能夠使天線系統(tǒng)的效率在天線長度縮短的情況下不降低，則可以實(shí)現(xiàn)天線物理長度的縮短[7]。電感加載是常見的用于天線小型化的方法，因?yàn)殡姼屑虞d不僅能夠改善加載點(diǎn)以下天線的電流分布，而且能夠減小電小天線的輸入容抗，從而提高天線系統(tǒng)的效率[8]。研究電感加載能否使天線長度縮短，可以變換思路，即首先將上述模型的天線尺寸降低為原尺寸的一半，然后對天線進(jìn)行電感加載，分析加載后天線的輻射特性參數(shù)（以輻射電阻為例）對應(yīng)的未加載情況下天線的幾何尺寸。

3.1 加載位置的選擇

長波天線通常為電小天線，天線上的電流分布近似為三角形，即天線底部的電流最大，頂端電流為零。文獻(xiàn)[9]對三種高度相同而加感位置分別為底部﹑中部﹑上部的天線電流分布進(jìn)行研究，表明天線的最佳加感位置為天線的上部。對模型一采用塑料吊艙頂部連接8根頂線的天線，分別在距離天線底端1%﹑10%和99%處進(jìn)行電感加載，改變天線長度為λ/4，得到不同加載位置下天線的輻射電阻隨加感量的變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同加載位置下輻射電阻隨加感量的變化曲線

由圖6可知，當(dāng)加載位置為1%處時(shí)，相當(dāng)于對天線頂端進(jìn)行加載，隨著電感量的增加，輻射電阻增加不明顯，這是因?yàn)樘炀€頂端電流很?。划?dāng)加載位置為99%處時(shí)，相當(dāng)于對天線底端進(jìn)行加載，隨著電感量的增加，輻射電阻逐漸降低，這是因?yàn)樘炀€底端電流很大，作用在電感線圈上的損耗較大；當(dāng)加載位置為10%處時(shí)，相當(dāng)于在天線上部進(jìn)行加載，隨著電感量的增加，一定范圍內(nèi)輻射電阻逐漸增加，輻射性能提高。所以，后續(xù)仿真中，電感加載位置取距離天線底端10%處。

3.2 電感加載對模型一天線電氣性能的影響

對采用塑料吊艙的天線模型就饋線長度d=70 m 和d=118.5 m兩種情況進(jìn)行研究。在模型一原有天線模型的基礎(chǔ)上改變天線電長度，得到未加感情況下天線輻射電阻隨天線電長度的變化曲線，如圖7所示。

圖7 模型一未加感時(shí)輻射電阻隨天線電長度的變化曲線

圖8為電長度l/λ=0.25﹑加感位置距離天線下端10%處，模型一采用塑料吊艙情形的天線在饋線長度分別為d=70 m和d=118.5 m情況下天線的輻射電阻隨加感量的變化曲線。

圖8 模型一加感時(shí)輻射電阻隨加感量的變化曲線

對比圖7﹑圖8和仿真數(shù)據(jù)可得，針對饋線長度d=70 m和d=118.5 m兩種情況，分別對電長度l/λ=0.25的天線進(jìn)行5 mH和6 mH的電感加載。結(jié)果顯示，天線的輻射電阻近似等于未加感情況下電長度l/λ=0.425和l/λ=0.448的天線的輻射電阻，且兩種情況下天線的輸入容抗也分別由-649.63 Ω增長至-348.92 Ω﹑由-373.41 Ω增長至-295.11 Ω。結(jié)果表明：對天線進(jìn)行電感加載，天線的輻射電阻﹑有效高度在一定范圍內(nèi)將隨電感量的增加而逐漸增加；天線的輸入電抗呈容性，其絕對值將隨著電感量的增加而逐漸減小，可使調(diào)諧電路的損耗降低﹑調(diào)諧效率增加。此外，電感加載對模型一連接金屬吊艙情形的影響與所得結(jié)論一致。

3.3 電感加載對模型二天線電氣性能的影響

在模型二原有天線模型的基礎(chǔ)上改變天線電長度，得到未加感情況下天線輻射電阻隨天線電長度的變化曲線，如圖9所示。其中，采用非金屬吊艙時(shí)饋線長度d=50.1 m，連接金屬吊艙時(shí)饋線長度d=47.43 m。

圖9 模型二未加感時(shí)輻射電阻隨天線電長度的變化曲線

圖10為電長度l/λ=0.125﹑加感位置距離天線下端10%處，模型二分別采用塑料吊艙和連接金屬吊艙情形下天線的輻射電阻隨加感量的變化曲線。

圖10 模型二加感時(shí)輻射電阻隨加感量的變化曲線

對比圖9﹑圖10和仿真數(shù)據(jù)可得，針對模型二采用塑料吊艙和連接金屬吊艙兩種情況，對電長度l/λ=0.125﹑天線下端接入海水的天線模型進(jìn)行0.6 mH的電感加載，天線的輻射電阻相當(dāng)于未加載情況下電長度l/λ=0.177的輻射電阻，且輸入電抗也分別由-785.73 Ω增長至-215.00 Ω﹑由-802.35 Ω增長至-163.92 Ω。結(jié)果表明：電感加載不僅可以增加天線的輻射電阻﹑有效高度，而且能夠降低調(diào)諧損耗，進(jìn)而增加天線系統(tǒng)的效率。

4 結(jié) 語

在借鑒現(xiàn)有天線形式的基礎(chǔ)上，建立了三種垂掛式長波發(fā)信天線模型，研究了頂容性加載以及電感加載對天線電氣性能的影響。仿真結(jié)果表明：對天線進(jìn)行頂線加載，能夠改善天線的阻抗特性﹑輻射性能，且隨著頂線數(shù)量的增加，效果愈發(fā)明顯；電感最佳加載位置為天線上部，電感加載能夠使天線在物理長度縮短的情況下不降低輻射性能，而且能夠降低調(diào)諧電路的損耗，進(jìn)而增加天線系統(tǒng)的效率。綜上所述，上述研究結(jié)果將對改善天線阻抗特性﹑輻射性能以及縮短天線物理長度具有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 王毅凡,周密,宋志慧.水下無線通信技術(shù)發(fā)展研究[J].通信技術(shù),2014,47(06):589-590.

WANG Yi-fan,ZHOU Mi,SONG Zhi-hui.Development of Underwater Wireless Communication Technology[J]. Communications Technology,2014,47(06):589-590.

[2] 柳超,蔣華,黃金輝.甚低頻通信[M].北京:海潮出版社,2008:5-35.

LIU Chao,JIANG Hua,HUANG Jin-hui.VLF Communications[M].Beijing:Haichao Publishing House,2008: 5-35.

[3] 周亮.非均勻大地甚低頻十三塔傘形天線電氣性能研究[D].武漢:海軍工程大學(xué),2013.

ZHOU Liang.Research on Characteristics of VLF Trideco Antenna Tower on Non-uniform Ground Conductivity[D]. Wuhan:Naval University of Engineering,2013.

[4] 魏亮,柳超.淺析機(jī)載甚低頻雙拖曳天線的輻射特性[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(01):14-16.

WEI Liang,LIU Chao.Analysis the Impedance of the Dual Trailing Wire Antenna (DTWA) on an Aircraft[J]. Modern Electronics Technique,2007,30(01):14-16.

[5] 王永斌,柳超.低頻﹑甚低頻氣球天線電參數(shù)的計(jì)算[J].海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院學(xué)報(bào),2000,(02):1-4.

WANG Yong-bin,LIU Chao.The Electrical Parameters Calculation of LF,VLF Kptoon[J].Journal of Naval University of Engineering,2000,(02):1-4.

[6] 徐博,李萍,鄧超.一種展寬COCO天線頻帶的新方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2007,(29):25.

XU Bo,LI Ping,DENG Chao.A New Method of Expand the Bandwid th of COCO Antenna[J].Science and Technology Innovation Herald,2007,(29):25.

[7] 林昌祿.天線工程手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002:833-839.

LIN Chang-lu.Antenna Engineering Manual[M]. Beijing:Electronic Industry Press,2002:833-839.

[8] 盧萬錚.天線理論與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004:118-119.

LU Wan-zheng.Antenna Theory and Techniques [M]. Xi’an:Xidian University Press,2004:118-119.

[9] 黃裕厚.低頻和甚低頻螺旋頂負(fù)載天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),1990,(03):71-79.

HUANG Yu-hou.Low and Very Low Frequency Antennas with Helical Top-Loading[J].Chinese Journal of Radio Science,1990,(03):71-79.

Electrical Performance Influence of Loading on Inverted Long-wave Antenna

GONG Ye, ZHAI Qi, JIANG Yu-zhong

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

Based on the airborne long-wave antenna, kptoon and COCO antenna. The three types of inverted long-wave antenna model are established. The influence of capacitive loading and inductance loading, particularly of the top-line number, inductance loading position and quantity on antenna electrical performance, is fairly studied. Simulation shows that the capacitive loading and inductance loading could improve impedance characteristic and radiation property of the antenna, while the inductance loading shortening the physical length of antenna. This research result has a guiding significance in electrical performance improvement and physical length shortening of the antenna.

inverted long-wave antenna; capacitive loading; inductance loading; electrical performance

TN911

A

1002-0802(2016)-11-1466-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.010

宮 燁（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)；

翟 琦（1977—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)；

蔣宇中（1963—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘柼幚怼?/p>

2016-07-07；

2016-10-05 Received date:2016-07-07;Revised date:2016-10-05