甚低頻發(fā)射天線多調(diào)諧模式研究

李開鋒，王 拓

（1 中國(guó)人民解放軍92665 部隊(duì)，張家界 427200；2 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

甚低頻天線工作頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)，天線規(guī)模比較龐大，但天線尺寸與工作波長(zhǎng)相比仍屬于電小天線。同時(shí)為了滿足遠(yuǎn)距離的通信要求，天線系統(tǒng)需要承受兆瓦級(jí)的功率，因此在設(shè)計(jì)天線方案時(shí)，首先要考慮的是天線要有足夠大的功率容量。為了天線有足夠大的功率容量，同時(shí)提升其工作的靈活性，整個(gè)天線往往需要多組可調(diào)諧天線來實(shí)現(xiàn)，因此，需要對(duì)多組天線同時(shí)工作時(shí)的多調(diào)諧進(jìn)行研究，保證其各組天線的幅度相位一致性，提高其輻射效率，盡可能擴(kuò)大其覆蓋范圍[1-2]。

1 多調(diào)諧模式分析

多調(diào)諧天線的工作方式可根據(jù)實(shí)際需要采用一主多輔多調(diào)諧或者并聯(lián)多調(diào)諧。一主多輔多調(diào)諧工作模式是發(fā)射機(jī)輸出功率饋入主天線，并進(jìn)行調(diào)諧，其它組天線通過高壓饋線與主天線連接，并通過調(diào)諧亭對(duì)地調(diào)諧，如圖1所示。并聯(lián)多調(diào)諧工作模式是發(fā)射機(jī)輸出功率后，通過低壓饋線將功率分為多路，分別對(duì)多個(gè)天線進(jìn)行激勵(lì)，并通過天線各自底部的調(diào)諧亭進(jìn)行獨(dú)立調(diào)諧，如圖2所示。

圖1 一主多輔多調(diào)諧工作模式示意圖

圖2 并聯(lián)多調(diào)諧工作模式示意圖

目前已建成使用的大型甚低頻發(fā)射天線系統(tǒng)多采用主、輔亭相結(jié)合的多調(diào)諧模式，即發(fā)射機(jī)功率輸送至一個(gè)主亭，其余輔亭為對(duì)地調(diào)諧的工作方法，從考慮系統(tǒng)調(diào)試的成熟度考慮，首選傳統(tǒng)主、輔亭結(jié)合的多調(diào)諧工作模式，下面主要對(duì)這種多調(diào)諧方式進(jìn)行分析研究。

1.1 多調(diào)諧互耦影響分析

由于多調(diào)諧天線相距較近，天線上的電流分布將互相受到影響，從而改變它們的輸入阻抗，此時(shí)輸入阻抗將包括自阻抗與互阻抗兩部分，設(shè)有天線1 與天線2，如圖3所示，天線1 上的電流I1（z′）在天線2 輸入端感應(yīng)的開路電壓為：

式中，EZ21是天線1 輻射到天線2 處而天線2 不存在時(shí)的電場(chǎng)Z分量；I2（z）是天線2 上的電流；I2是天線2 輸入端的電流。天線1 上的電流在天線2 的輸入端引起的互阻抗為：

式中，I1為天線1 輸入端電流。

圖3 天線的互耦合

天線孤立存在時(shí)的輸入阻抗即自阻抗。天線周圍存在其他天線時(shí)的輸入阻抗等于自阻抗加互阻抗，就兩組天線的情況而言：

式中，Z11，Z22是自阻抗，Z12，Z21是互阻抗。

天線1 的輸入阻抗為：

天線2 的輸入阻抗為：

式中，Z12=Z21。天線1 饋電而天線2 不饋電時(shí)，即U2=0，則有：

I2與I1反相，兩天線在遠(yuǎn)區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)是相抵消的，因而不能用這種方式工作。由于甚低頻天線是電小天線，天線輸入端一般均串入調(diào)諧電感線圈。若天線2 不饋電而是通過調(diào)諧線圈L2接地，則：

式中，ω為工作角頻率。

將式（10）帶入式（5）可得：

此處假設(shè)阻抗的實(shí)部遠(yuǎn)小于虛部，以及天線之間的對(duì)稱性使Z11=Z22。式（13）說明當(dāng)ωL2=-x11-x12時(shí)，兩天線電流之幅度相等；而當(dāng)ωL2減小到ωL2=-x11時(shí)，式（10）右邊之分母達(dá)最小，因而最大。

1.2 一主一輔雙調(diào)諧方法

通常多調(diào)諧天線的調(diào)諧過程較單調(diào)諧復(fù)雜一些，但實(shí)際中通常只有天線1 饋電，其他天線通過調(diào)諧線圈接地，則調(diào)諧相對(duì)簡(jiǎn)單，下面以一主一輔雙調(diào)諧天線為例進(jìn)行說明，其連接方式如圖4所示。

圖4 一主一輔雙調(diào)諧工作模式示意圖

雙組天線同時(shí)調(diào)諧的目標(biāo)是使兩天線同時(shí)輻射相同的功率，即兩天線根部電流幅度與相位近似相同。下面簡(jiǎn)要說明一主一輔雙調(diào)諧的過程：

（1）將調(diào)諧亭2 的電感值調(diào)整到最大值位置；

（2）在天線1 總端口將發(fā)射機(jī)與天線陣進(jìn)行調(diào)諧和匹配；

（3）觀察兩天線輸入端之電流I1和I2；

2 一主一輔多調(diào)諧天線數(shù)值計(jì)算

理論公式的解析方法可以得到天線的變化規(guī)律，但具體實(shí)際的參數(shù)還需要數(shù)值仿真計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證細(xì)化，下面采用一個(gè)簡(jiǎn)化的山谷型天線為例，分別計(jì)算單組單調(diào)諧天線與雙組一主一輔多調(diào)諧天線的具體參數(shù)，并通過仿真模擬不同電抗加載量的情況下，計(jì)算出兩組天線的電流分布狀態(tài)，以驗(yàn)證其調(diào)諧過程，如圖5所示。

圖5 山谷型天線簡(jiǎn)化模型

使用FEKO 建立計(jì)算模型，模型由兩組天線組成，每組天線均由兩個(gè)Γ 型天線組成，天線安裝在兩座山之間，山體設(shè)置為土壤介質(zhì)，土壤下鋪設(shè)有地網(wǎng)線，在此情況下對(duì)各種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。首先，計(jì)算單組天線的調(diào)諧狀態(tài)，在計(jì)算時(shí)，另一組天線接地，可以得到兩組天線的輸入阻抗分別為1.35-j398 和1.73-j390；輻射效率分別為23.41%和18.25%，靜態(tài)電容為15.4 nF 和15.7 nF。其次，對(duì)雙調(diào)諧天線進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)前述的雙調(diào)諧的過程，首先改變天線2 上的加載電抗，并對(duì)總端口進(jìn)行匹配，監(jiān)測(cè)天線2 與天線1 上的電流幅度比及相位差，同時(shí)監(jiān)測(cè)天線1 與天線2 之間的高壓饋線上的電流與天線1 上的電流幅度比，如圖6～圖8所示。

從圖6～圖8計(jì)算結(jié)果可以看出，仿真加載過程與上一節(jié)中理論分析的過程一致，且數(shù)值計(jì)算考慮了實(shí)際場(chǎng)地的情況，可作為實(shí)際調(diào)諧發(fā)射的參考。雙調(diào)諧天線的輸入阻抗為3.7-j403，輻射效率為35.48 %，靜態(tài)電容為28.0 nF。

長(zhǎng)波發(fā)射天線系統(tǒng)功率容量的計(jì)算公式為：

式中，Vt為天線頂端電暈電壓（V）；Ca為天線靜態(tài)電容（F）；he為天線的有效高度（m）；f為工作頻率（Hz）；asη為天線系統(tǒng)效率（%）。

由于單組天線與兩組雙調(diào)諧天線的工作頻率一致，有效高度基本一樣；同時(shí)，處于同樣的環(huán)境條件且頂容線線徑一致的情況下，其電暈電壓一致，因此其功率容量的差別主要在于靜態(tài)電容和效率的差別。通過上面計(jì)算得到的結(jié)果可以得到，單組天線與雙組雙調(diào)諧天線的功率容量比為1：1.91。

圖6 電流I2/I1 幅度比隨加載電抗變化

圖7 電流I2/I1 相位差隨加載電抗變化

圖8 高壓饋線電流與天線1 電流幅度比隨加載電抗變化

3 總結(jié)

本文介紹了多調(diào)諧模式常見的兩種方式，并對(duì)多調(diào)諧天線的互耦效應(yīng)進(jìn)行了理論分析，提出多調(diào)諧天線的調(diào)諧思路，通過數(shù)值仿真計(jì)算對(duì)一主一輔的多調(diào)諧天線模型進(jìn)行了調(diào)諧過程的分析計(jì)算，結(jié)果與理論分析相符合。研究表明文中提出的多調(diào)諧天線的調(diào)諧思路正確，同時(shí)增加天線組數(shù)有利于大幅提升天線功率容量，增大通信距離，為后續(xù)深入研究更復(fù)雜的多調(diào)諧做好了基礎(chǔ)，并提供了方法及思路。