特高壓輸電線路對中波導(dǎo)航天線影響的仿真分析

劉 雨，盧 翰，王 鼎，臧傳蕾，李 輝

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266000；2.中國人民解放軍91395 部隊(duì)，北京 102443）

0 引言

中波導(dǎo)航系統(tǒng)是利用無線電中波波段的電波特性為飛機(jī)實(shí)施近程引導(dǎo)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，由地面信標(biāo)臺(tái)和機(jī)載無線電羅盤兩部分構(gòu)成。隨著部分機(jī)場周圍城市的建設(shè)發(fā)展，中波導(dǎo)航系統(tǒng)將面臨更多自然環(huán)境與市政建設(shè)帶來的信號干擾問題。同時(shí)，建設(shè)與發(fā)展特高壓電網(wǎng)已成為國家電力建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)，各地或多或少會(huì)在機(jī)場周圍建設(shè)特高壓傳輸線路。由于特高壓輸電線路具有電壓高、鐵塔高等特點(diǎn)，電磁環(huán)境不同于高壓輸電線路，對航空無線電導(dǎo)航臺(tái)站會(huì)有更大的影響。本文研究的特高壓輸電線路對中波導(dǎo)航天線的無源干擾，主要由線路及塔桿等大型金屬物體對空中導(dǎo)航信號的屏蔽與再輻射引起。

1 總體特性分析

中波導(dǎo)航臺(tái)受到特高壓輸電線路的影響可以分為兩部分[1-2]。一是中波天線發(fā)射的部分電磁波會(huì)被特高壓輸電線路反射，反射的電磁波與原本的信號相互疊加，從而引起天線方向性圖的畸變，對中波天線造成干擾。二是特高壓輸電線路的金屬物體會(huì)因發(fā)射天線的輻射場而產(chǎn)生射頻感應(yīng)電流，這些感應(yīng)電流又形成新的電場，即二次輻射場，與發(fā)射天線的輻射場相疊加，影響發(fā)射信號的幅值和相位，使原中波天線方向性圖產(chǎn)生畸變，從而影響中波天線的性能。

由于特高壓輸電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在分析其對中波導(dǎo)航天線信號的影響時(shí)，不適合用傳統(tǒng)的理論分析方法來進(jìn)行研究，可以采用計(jì)算機(jī)模擬仿真方式來分析此問題[3]。本文采用電磁仿真軟件，通過設(shè)置特高壓輸電線路和中波天線的不同配置，仿真中波天線方向性圖的畸變效果，分析多種因素對中波天線的影響。

根據(jù)國家和軍隊(duì)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定，中波天線可采用垂直鐵塔天線，為底部饋源的單個(gè)偶極子天線形式，此外還包括地網(wǎng)、地線等配套設(shè)施。仿真時(shí)選擇將較復(fù)雜的中波天線鐵塔進(jìn)行簡化處理，用豎直線結(jié)構(gòu)的單個(gè)偶極子來表示中波天線，材質(zhì)設(shè)置為理想導(dǎo)電材料（PEC），然后在線段底部加上饋電電源。通過將地面設(shè)置為理想導(dǎo)電平面，省去對地網(wǎng)地線的仿真。這種簡化方式符合中波天線沒有方向性、發(fā)出的電磁波為垂直極化波的特點(diǎn)。

經(jīng)查詢資料，本文在對特高壓輸電塔進(jìn)行建模時(shí)，采用貓頭塔型的簡化模式，如圖1 所示，分為梯形體與立方體，輸電塔桿全高80 m，材料為金屬材料；塔桿之間的距離為200 m，用5 根電線連接，頂部兩根避雷線材質(zhì)為鐵，中部三根火線材質(zhì)為鋁。為獨(dú)立研究電塔的影響，不考慮地形地質(zhì)對電波傳播的影響，故大地采用理想的導(dǎo)電平面，以免影響仿真結(jié)果。同時(shí)考慮到能夠設(shè)置的大地范圍不能無限大，天線與輸電線路的垂直距離只考慮在一個(gè)波長范圍內(nèi)[4-5]。

圖1 貓頭塔型輸電塔桿

2 仿真設(shè)計(jì)思路

本文采用電磁仿真軟件建立中波天線和特高壓輸電線路的模型，并進(jìn)行電磁場環(huán)境仿真。電磁仿真軟件基于麥克斯韋積分方程的矩量法開發(fā)，適合求解任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的所有高頻電磁問題，特別適合計(jì)算一般尺寸和大尺寸的分析[6-7]。

仿真具體步驟如下：

（1）通過軟件建立中波導(dǎo)航天線模型和特高壓電塔模型；

（2）進(jìn)行天線和電塔的參數(shù)設(shè)置，包括天線高度、輻射信號頻率、電塔高度、電塔數(shù)量、電塔間距以及電塔與天線距離；

（3）設(shè)置激勵(lì)源與場源；

《意見》提出，一方面要簡化預(yù)算編制科目，將會(huì)議費(fèi)、差旅費(fèi)、國際合作與交流費(fèi)“合并同類項(xiàng)”；另一方面要下放項(xiàng)目預(yù)算調(diào)劑權(quán)限，優(yōu)化科研預(yù)算調(diào)整繁雜的審批流程。

（4）運(yùn)行程序得到天線場型圖；

（5）對步驟（2）的參數(shù)進(jìn)行修改重復(fù)步驟（3）和步驟（4）。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 電塔數(shù)目對中波導(dǎo)航天線的影響

本節(jié)分析電塔數(shù)目對中波導(dǎo)航天線的影響。在建立了中波導(dǎo)航臺(tái)天線和帶電線單電塔塔桿模型的基礎(chǔ)上，配置天線和電塔的仿真參數(shù)如下：天線高度50 m、電塔高度80 m、信號頻率600 kHz、天線距電塔距離500 m。

分別仿真單電塔、雙電塔及5 個(gè)電塔的情況下中波導(dǎo)航天線方向圖受到的影響，結(jié)果如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 單電塔影響下的中波天線方向圖

將圖2、圖3、圖4 進(jìn)行比較可以看出，當(dāng)中波導(dǎo)航臺(tái)附近存在高壓電塔時(shí)，高壓電塔會(huì)對輻射的天線方向性有一定影響，使得原本全向天線的無方向特性變得不再明顯，受影響的天線方向圖具有了方向性。對比3 個(gè)仿真結(jié)果可以看出，隨著電塔數(shù)目的增加，電塔對導(dǎo)航臺(tái)天線的方向性影響變大，天線方向性畸變更加明顯；塔桿數(shù)量越多，天線方向性圖的畸變形狀越趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)隨輸電線路走廊路徑延伸的趨勢。

圖3 雙電塔影響下的中波天線方向圖

圖4 5 電塔影響下的中波天線方向圖

3.2 電塔與天線距離對中波導(dǎo)航天線的影響

本節(jié)分析電塔與天線間距離對中波導(dǎo)航天線的影響，配置天線和電塔的仿真參數(shù)如下：天線高度50 m、電塔高度80 m、信號頻率600 kHz、電塔數(shù)目為3。

圖5、圖6、圖7 為電塔與天線距離對中波導(dǎo)航天線的方向性影響圖。其中，天線距電塔的距離是根據(jù)天線信號波長λ的倍數(shù)來選擇的，分別是λ/4，λ/2，λ。

圖5 125 m 距離影響下的中波天線方向圖

圖6 250 m 距離影響下的中波天線方向圖

圖7 500 m 距離影響下的中波天線方向圖

3.3 天線發(fā)射信號頻率對中波導(dǎo)航天線影響

本節(jié)分析中波導(dǎo)航天線在不同頻率時(shí)受到特高壓輸電線路的影響，配置天線和電塔的仿真參數(shù)如下：天線高度50 m、電塔高度80 m、電塔數(shù)目為3、天線距電塔距離500 m。

分別仿真天線頻率為200 kHz、400 kHz 時(shí)天線方向圖受到的影響情況。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 200 kHz 發(fā)射頻率影響下的中波天線方向圖

圖9 400 kHz 發(fā)射頻率影響下的中波天線方向圖

將圖6、圖7 與圖5 進(jìn)行比較可以看出，天線在不同的發(fā)射頻率時(shí)，對電塔的無源干擾反應(yīng)不同。從圖6 可以看出，發(fā)射頻率較低時(shí)，電塔對導(dǎo)航天線的無源干擾會(huì)導(dǎo)致天線在近天線方向上的增益大幅度降低。從圖5 和圖7 可以看出，當(dāng)發(fā)射頻率提高，天線方向性會(huì)受到輸電線路的影響，會(huì)在沿著輸電線方向上的增益增加，同時(shí)天線方向性圖會(huì)出現(xiàn)一些畸變?？煽偨Y(jié)為：中波導(dǎo)航天線在不同的工作頻率下受到輸電塔的無源干擾程度隨著頻率的增高會(huì)越嚴(yán)重，干擾下的方向性圖也越復(fù)雜。

4 結(jié)語

本文以中波導(dǎo)航系統(tǒng)所面臨的電磁環(huán)境干擾為背景，選取典型的特高壓輸電線路的無源干擾展開研究。根據(jù)無源干擾的相關(guān)要素，使用電磁學(xué)仿真軟件建立了中波導(dǎo)航天線和特高壓輸電線路的仿真模型。采用控制變量的方法，分別改變電塔數(shù)目、電塔與天線的距離、天線頻率這幾個(gè)可能的影響因素，仿真得到了天線在不同情況下的方向性系數(shù)。通過分析仿真結(jié)果，得出了特高壓輸電線路無源干擾的影響因素。隨著輸電塔桿數(shù)量的增加和與導(dǎo)航臺(tái)之間距離的增長，天線方向性圖受到的影響逐漸變小。另外中波導(dǎo)航系統(tǒng)不同的工作頻率也對防護(hù)距離提出了不同的要求。