地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線效率影響計(jì)算?

陳水清 王健輝 馬銀珠

（1.中國人民解放軍92665部隊(duì) 張家界 427200）（2.外交部通信總臺 北京 100016）（3.成都西成科技有限責(zé)任公司 成都 610031）

1 引言

短波電波頻率較低（3MHz～30MHz），主要利用天波傳播，具有不需中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信、抗毀能力強(qiáng)、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，至今仍然被廣泛應(yīng)用。由于天波傳播中存在各類衰減、損耗等，為了保證短波通信效果，通常采取兩種方式：一種方式是提高短波發(fā)射機(jī)的輸出功率；另一種方式是提高短波天線的輻射效率。目前，短波發(fā)射機(jī)的輸出功率可達(dá)到30kW，在短期內(nèi)很難大幅度提高，因此提高短波天線的輻射效率成了首要選擇。短波天線輻射效率的定義為輻射電阻與輸入電阻之比，其中輻射電阻是短波天線本身的一種特性，與其結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)；輸入電阻是輻射電阻與損耗電阻之和；也就是說，對于某一類型的短波天線，可以通過減小其損耗電阻，來提高輻射效率。

通過運(yùn)用電磁場仿真分析軟件FEKO對不同形狀地網(wǎng)的短波對數(shù)周期天線進(jìn)行仿真，研究地網(wǎng)形狀對損耗電阻的影響并進(jìn)行分析?；诮⒌牟煌鼐W(wǎng)形狀的短波對數(shù)周期天線模型，進(jìn)一步計(jì)算出天線的輻射效率，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)對地網(wǎng)形狀進(jìn)行分組對比，從中篩選出性能優(yōu)越的地網(wǎng)形狀。

2 地網(wǎng)形狀對短波天線效率的影響

短波天線的程式有很多種，如對數(shù)周期天線、雙極天線、鞭狀天線等，本文主要研究地網(wǎng)形狀對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響。對數(shù)周期天線由若干振子，這些振子并不全部直接參與輻射，真正的輻射體只是其中的一小部分，其余振子起到加載和匹配的作用，改善振子上的電流分布，確保天線本身的電性能參數(shù)。

在短波對數(shù)周期天線振子數(shù)量和長度相同的條件下，計(jì)算出天線在不同地網(wǎng)形狀上的損耗電阻、輻射電阻等參數(shù)，從而研究地網(wǎng)形狀對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響，找到最優(yōu)的地網(wǎng)形狀。

2.1 輻射狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線效率的影響

鋪設(shè)不同角度間隔的輻射狀地網(wǎng)，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。使用FEKO軟件建立短波對數(shù)周期天線和輻射狀地網(wǎng)的仿真模型，其中天線的中心頻率取15MHz，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：高度20m、最長振子18m、振子總數(shù)18對、橫梁長度15m。

表1 輻射狀地網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

對上述的九類仿真模型分別進(jìn)行仿真，計(jì)算出不同尺寸的輻射狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響，主要仿真計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同角度間隔輻射狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響

繪制短波對數(shù)周期天線輻射效率與不同角度間隔輻射狀地網(wǎng)之間的曲線圖，研究分析輻射狀地網(wǎng)角度間隔對天線輻射效率的影響。

通過仿真結(jié)果（表2、圖1）可以看出，短波對數(shù)周期天線在理想地面上時，其輻射效率最高，并且遠(yuǎn)高于輻射狀地網(wǎng)的最大輻射效率，但在實(shí)際中不存在理想地面。在仿真的八種角度間隔的輻射狀地網(wǎng)中，當(dāng)輻射狀地網(wǎng)相鄰兩根導(dǎo)線的角度為2°時，短波對數(shù)周期天線的輻射效率最高，達(dá)到83.33%；當(dāng)輻射狀地網(wǎng)相鄰兩根導(dǎo)線的角度小于2°或大于2°時，短波對數(shù)周期天線的輻射效率逐漸減小。

圖1 對數(shù)周期天線輻射效率與輻射狀地網(wǎng)角度間隔的關(guān)系曲線

2.2 矩形狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線效率的影響

鋪設(shè)不同尺寸間隔的矩形狀地網(wǎng)，矩形狀地網(wǎng)的外形尺寸為48m×48m，相鄰兩根導(dǎo)線的間隔分別取4m、8m、12m、16m、20m，使用FEKO軟件建立短波對數(shù)周期天線和矩形狀地網(wǎng)的仿真模型，其中短波對數(shù)周期天線的模型與上述天線模型一致。

對上述的五類仿真模型分別進(jìn)行仿真，計(jì)算出不同尺寸的矩形狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響，主要仿真計(jì)算數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同尺寸間隔矩形狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線效率的影響

繪制短波對數(shù)周期天線輻射效率與不同尺寸間隔矩形狀地網(wǎng)之間的曲線圖，研究分析矩形狀地網(wǎng)尺寸間隔對天線輻射效率的影響。

通過仿真結(jié)果（表3、圖2）可以看出，短波對數(shù)周期天線在理想地面上時，其輻射效率最高，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于矩形狀地網(wǎng)的最大輻射效率，但在實(shí)際中不存在理想地面。在仿真的五種尺寸間隔的矩形狀地網(wǎng)中，短波對數(shù)周期天線的輻射效率比較穩(wěn)定，最大輻射效率和最小輻射效率的差值不超過1%，但輻射效率普遍較低，最高的輻射效率也才18.04%；與外形尺寸相當(dāng)?shù)妮椛錉畹鼐W(wǎng)相比，短波對數(shù)周期天線在矩形狀地網(wǎng)上的輻射效率，約為在輻射狀地網(wǎng)上輻射效率的四分之一，因此鋪設(shè)矩形狀地網(wǎng)將嚴(yán)重制約短波對數(shù)周期天線的性能，帶來不必要的損耗，矩形狀地網(wǎng)方式不可取。

圖2 對數(shù)周期天線輻射效率與矩形狀地網(wǎng)尺寸間隔的關(guān)系曲線

2.3 輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)后對短波對數(shù)周期天線效率的影響

鋪設(shè)角度間隔為4.5°、半徑為20m的輻射狀地網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上分別增加1個（半徑20m）、2個（半徑10m）、3個（半徑6.7m）、4個（半徑5m）回流環(huán)，使用FEKO軟件建立短波對數(shù)周期天線和輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)的仿真模型，其中短波對數(shù)周期天線的模型與上述天線模型一致。

對上述的四類仿真模型分別進(jìn)行仿真，計(jì)算出輻射狀地網(wǎng)增加不同個數(shù)回流環(huán)后對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響，主要仿真計(jì)算數(shù)據(jù)見表4。

表4 輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)后對短波對數(shù)周期天線效率的影響

繪制短波對數(shù)周期天線輻射效率與輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)后的曲線圖，研究分析輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)對天線輻射效率的影響。

通過仿真結(jié)果（表4、圖3）可以看出，短波對數(shù)周期天線在理想地面上時，其輻射效率最高，并且遠(yuǎn)高于輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)方式的最大輻射效率，但在實(shí)際中不存在理想地面。在仿真的四種不同個數(shù)的回流環(huán)中，短波對數(shù)周期天線的輻射效率比較穩(wěn)定；與同尺寸不加回流的輻射狀地網(wǎng)相比，對數(shù)周期天線的輻射效率略有提高，但其提高的幅度不明顯。

圖3 對數(shù)周期天線效率與輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)后的關(guān)系曲線

3 結(jié)語

通過對三種形狀地網(wǎng)的研究分析發(fā)現(xiàn)，短波對數(shù)周期天線的輻射效率按輻射狀地網(wǎng)加回流環(huán)方式、輻射狀地網(wǎng)方式、矩形狀地網(wǎng)方式的順序依次降低，其中短波對數(shù)周期天線在矩形狀地網(wǎng)上的輻射效率最低（約18%），僅為在輻射狀地網(wǎng)上輻射效率的四分之一左右，因此鋪設(shè)矩形狀地網(wǎng)的方法不可取。在輻射狀地網(wǎng)上增加回流環(huán)的方式，使短波對數(shù)周期天線的輻射效率提高幅度不大，加之在工程實(shí)施時，增加回流環(huán)方式的施工難度相對較大，并且回流環(huán)的個數(shù)越多，其施工難度越大，因此可只考慮輻射狀地網(wǎng)的方式。根據(jù)仿真結(jié)果，初步估計(jì)輻射狀地網(wǎng)的最優(yōu)角度間隔在2°左右時，可使對數(shù)周期天線的輻射效率最大，由于本文所取的輻射狀地網(wǎng)角度間隔為0.5°，因此仍可采用夾逼法對最優(yōu)角度間隔進(jìn)一步的仿真。