孫勝利　李云紅

(1.92325部隊(duì)　大同　037000)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院　武漢　430033)

甚低頻傘形天線的電氣性能研究*

孫勝利1李云紅2

(1.92325部隊(duì)大同037000)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)

摘要論文通過運(yùn)用電磁場仿真分析軟件FEKO對(duì)甚低頻傘形發(fā)信天線進(jìn)行仿真，并對(duì)天線進(jìn)行了一些電氣特性的計(jì)算與分析。通過對(duì)傘形天線的頂臂向下偏折角度進(jìn)行改變以創(chuàng)建新的模型，從而找出天線電氣性能的變化規(guī)律。對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：理想地網(wǎng)情況下，當(dāng)甚低頻傘形天線頂臂向下偏折的角度不斷增加時(shí)，相當(dāng)于減小了天線的有效長度，故天線的輻射電阻減小，輸入電阻減小，天線系統(tǒng)效率也減小。

關(guān)鍵詞甚低頻; 傘形天線; FEKO仿真; 天線電氣性能

Class NumberTN95

1引言

對(duì)水下潛艇進(jìn)行通信時(shí)，主要采用的就是甚低頻通信臺(tái)站，甚低頻通信采用的主要研究方式是傳統(tǒng)的研究方法和數(shù)值計(jì)算的方法。傳統(tǒng)的研究方法主要是在設(shè)計(jì)建造前先按照一定比例建立比實(shí)際天線尺寸小的天線模型，測量并計(jì)算出天線的有效高度、有效輻射電阻、靜態(tài)電容、天線的系統(tǒng)效率等電氣性能參數(shù)，通過不斷地對(duì)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試與檢測，最終達(dá)到最佳的性能指標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，數(shù)值計(jì)算法也得到了深入的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。數(shù)值計(jì)算方法主要是通過計(jì)算機(jī)運(yùn)用矩量法對(duì)實(shí)際的天線環(huán)境進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算從而得到天線的輸入電阻、輻射電阻、方向圖等相關(guān)電氣性能參數(shù)[1]。FEKO就是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，本文就是利用該軟件進(jìn)行甚低頻天線的建模仿真和計(jì)算分析。

2傘形天線頂臂向下偏折角度對(duì)天線電氣性能的影響

因?yàn)榇蠖鄶?shù)甚低頻垂直天線的電高度都很小，所以天線頂端電流接近于零[2]，線上的垂直電流分布近似為直線分布，天線的有效高度只有實(shí)際高度的一半。一般需要對(duì)甚低頻天線進(jìn)行加載，直立天線加了頂負(fù)載后相當(dāng)于增加了天線頂端與大地之間的電容，使垂直線段的電流分布比較均勻，天線頂端電流不再近似為零，從而提高了天線的有效高度。甚低頻天線的頂容線就是甚低頻天線的頂負(fù)載，通常情況下就是直立天線頂端的一根或數(shù)根水平導(dǎo)線，其中的一種形式就是傘形天線，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　傘形天線示意圖

2.1傘形天線頂臂向下偏折角度對(duì)輻射電阻的影響

通過FEKO6.0軟件，建立傘形天線的仿真模型[3～6]，天線高a分別為200m和300m，工作頻率為f=20kHz,其頂負(fù)載為每10°一根，共36根，模擬理想地面情況[7～9]。表1、2為頂臂長b一定時(shí)，在改變?cè)搨阈翁炀€頂臂向下偏折角度c的情況下仿真計(jì)算得出的天線輻射電阻。

表1　頂臂不同偏折角度情況下的輻射電阻

表2　頂臂不同偏折角度情況下的輻射電阻

由表1和表2可以看出，天線高度一定，頂臂長度一定時(shí)，傘形天線的輻射電阻隨著天線頂臂向下偏折角度的增加而減小。同時(shí)由表1、表2也可以看出，在頂臂平行于地面時(shí)，若增加頂臂長度，天線輻射電阻相應(yīng)增加；當(dāng)頂臂向下偏折一定角度時(shí)，若天線頂臂長度增加，輻射電阻反而減小。

2.2傘形天線頂臂向下偏折角度對(duì)輸入電阻的影響

通過FEKO軟件，建立仿真模型，傘形天線高為200m，工作頻率為f=20kHz,其頂負(fù)載為每10°一根，共36根，鋪設(shè)每10°一根共36根半徑為R=200+b的輻射狀地網(wǎng)[10～11]，模型如圖2所示。

圖2　傘形天線加地網(wǎng)情況模型圖

表3為該傘形天線頂臂長b一定時(shí)，在改變天線頂臂向下偏折角度c的情況下仿真計(jì)算得出的天線輸入電阻。

表3　頂臂不同偏折角度情況下的輸入電阻

由表3可以看出，當(dāng)傘形天線高度與頂臂長度一定時(shí)，傘形天線的輸入電阻隨著天線頂臂向下偏折角度的增加而減小。

2.3傘形天線頂臂向下偏折角度對(duì)天線效率的影響

一般來說，在實(shí)際情況下，甚低頻發(fā)信天線的損耗電阻包含地?fù)p耗電阻、天線等效串聯(lián)介電電阻、天線導(dǎo)線損耗電阻以及支撐系統(tǒng)的等效串聯(lián)損耗電阻，因此輸入天線的實(shí)功率并不能全部地轉(zhuǎn)換成電磁波能量?？梢杂锰炀€效率來表示這種能量轉(zhuǎn)換的有效程度。若要提高天線效率，必須盡可能地減小損耗電阻和提高輻射電阻。表4為傘形天線高度為200m，頂負(fù)載為每10°一根共36根，鋪設(shè)每10度一根共36根的地網(wǎng)，地網(wǎng)半徑R=b+200，傘形天線頂臂向下偏折不同角度情況下的天線效率。

表4　頂臂不同偏折角度情況下的天線效率

由表4可看出，當(dāng)傘形天線高度與頂臂長度一定時(shí)，傘形天線的效率隨著頂臂向下偏折角度的增加而減小。

2.4傘形天線頂臂向下偏折角度對(duì)天線系統(tǒng)效率的影響

由于傘形天線是電小天線，呈容性，因此需要加電感對(duì)其調(diào)諧。因?yàn)樗与姼袛?shù)值較大，因此電感帶來的調(diào)諧損耗電阻不能忽略。表5、表6為傘形天線高度分別為200m和300m時(shí)，頂負(fù)載為每10度一根共36根，鋪設(shè)每10度一根共36根地網(wǎng)，地網(wǎng)半徑R=b+200，當(dāng)傘形天線頂臂向下偏折不同角度情況下的輸入電抗，通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成等效阻值。

表5　頂臂不同偏折角度情況下的輸入電抗

表6　頂臂不同偏折角度情況下的輸入電抗

由表5可知，當(dāng)傘形天線高200m，頂臂長度為200m～600m時(shí)，隨著頂臂向下偏折角度的增加，天線的輸入電抗逐漸減??；由表6可知，當(dāng)傘形天線高300m，頂臂長度為200m時(shí)，隨著頂臂向下偏折角度的增加，天線的輸入電抗逐漸增加；頂臂長300m時(shí)，天線輸入阻抗有最大值，頂臂長為400m、500m、600m時(shí)，天線的輸入電抗隨著頂臂向下偏折角度的增加而逐漸減小。帶入公式得到傘形天線頂臂向下偏折不同角度情況下天線系統(tǒng)的效率，如表7、表8所示。

由表7、表8可得出，當(dāng)傘形天線高200m，天線頂臂長200m時(shí)，隨著頂臂向下偏折角度從0°增加到10°，天線系統(tǒng)效率從23.38%減小到20.53%，其余高度類似；天線高300m時(shí)，天線系統(tǒng)效率也隨著頂臂向下偏折角度的增加而減小。總之，在相同條件下，傘形天線的系統(tǒng)效率隨著頂臂向下偏折角度的增加而減?。涣硗?，綜合兩表可知，在相同條件下傘形天線高300m時(shí)的天線系統(tǒng)效率比200m時(shí)要高。

表7　頂臂不同偏折角度情況下的天線系統(tǒng)效率

表8　頂臂不同偏折角度情況下的天線系統(tǒng)效率

2.5傘形天線頂臂加長對(duì)天線效率的影響

甚低頻天線的效率是衡量天線系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)直觀的重要指標(biāo)，表9就是當(dāng)傘形天線頂臂平行于地面時(shí)，在地網(wǎng)為每10°一根共36根和地網(wǎng)加密一倍，每5°一根共72根兩種地網(wǎng)情況下，增加頂臂的長度計(jì)算得到的天線效率。

表9　兩種地網(wǎng)情況下不同頂臂長度的天線效率(%)

由表9可以看出，當(dāng)傘形天線頂臂與地面平行，地網(wǎng)情況相同時(shí)，隨著頂臂長度的增加，天線效率先增大后減小，有最大值出現(xiàn)；另外，相同情況下地網(wǎng)加密一倍時(shí)，天線效率將提高。

3結(jié)語

通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的情況下，增加傘形天線頂臂向下偏折的角度，相當(dāng)于抵消了一部分天線的高度，天線的有效高度減小，故天線的輻射電阻與輸入電阻均減小，天線效率與天線系統(tǒng)效率均降低。另外，如果想提高天線效率，并不是一味的增加傘形天線頂臂的長度就可以的，要考慮地網(wǎng)的半徑，等效地電導(dǎo)率等情況，找到最佳頂臂長度才能得到最大的天線效率；而相同情況下加密了地網(wǎng)，相當(dāng)于等效地電導(dǎo)率增加，損耗電阻減小，天線效率就提高了。

參 考 文 獻(xiàn)

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Electrical Characteristics of VLF Umbrella Antenna

SUN Shengli1LI Yunhong2

(1.No. 92325 Troops of PLA, Datong037000)(2.Electronic Institute, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractIn this paper, the electrical characteristics of VLF umbrella antenna is analyzed and calculated by using the electromagnetic simulation software FEKO .Some new models are created by changing the angle of deflection of the top arms of VLF umbrella antenna, then the regulation of the electrical performance of the antenna is found.The simulated data under different models and conditions are analyzed and compared.The results show that in the uniform grid condition, when the angle of deflection of the top arms of the umbrella antenna is increased,the effective height of the antenna is equivalent to be reduced ,the radiation resistance of the antenna decreased,the input resistance of the antenna decreases and the efficiency of antenna system also decreases.

Key Wordsvery low frequency, umbrella antenna, FEKO simulation, electrical performance of antenna

*收稿日期：2015年12月9日,修回日期：2016年1月27日

作者簡介：孫勝利,男,高級(jí)工程師,研究方向：無線通信。李云紅,男,碩士研究生,研究方向：天線理論與技術(shù)。

中圖分類號(hào)TN95

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.016