海庫天線建模及電氣性能分析

【摘要】海庫天線可以歸屬于山谷天線，但是大多數山谷天線所能查找到關于天線電氣性能方面的資料較少，而現有關于海庫天線的資料是相當準確的，故通過利用仿真軟件FEKO對其進行建模仿真，并通過與資料中數據進行對比，分析山谷天線建模的某些關鍵因素以及海庫天線的電氣性能。

【關鍵詞】甚低頻山谷天線輻射電阻

一、引言

甚低頻電磁波（VLF：3kHz～30kHz）由于其波長較長，穿透海水能力強，傳播距離遠，衰減小的特點，廣泛應用于授時、導航、探測、地下通信和遠洋通信等領域。由于甚低頻波長較長，意味著為取得一定的發射效率需要建設很長的天線，又因是工作在高壓大電流大功率的環境下，導致天線的規模十分龐大。現有固定臺甚低頻發射天線[1]～[4]基本都是垂直單極子電小天線形式，因建設條件及技術限制，利用在地面上架設鐵塔的方式建設的VLF發射天線的高度有限，因此人們試圖利用現有地理高度條件（例如山谷）來架設發射天線，如此一方面可以提高天線的架設高度，另一方面可以減少建設成本。其缺點是會犧牲一定的天線輻射特性。

本文基于山谷天線[5][6]的一個典型案例：海庫天線[1]來研究山谷對天線特性的影響。用傳統的解析方法計算山谷天線的問題時，周邊山谷對天線的影響不好分析，天線的輻射阻抗不易計算。本文使用電磁仿真軟件FEKO進行計算，通過簡化山谷模型，利用MoM法對山谷以及天線進行有效的剖分，可以在一定的精度要求下得到天線的電流分布、輻射阻抗和有效高度等參數，為研究甚低頻山谷發射天線提供了很大的參考價值。

二、海庫天線建模

根據文獻[1]介紹，海庫長波臺位于夏威夷瓦胡（Oahu）島，其甚低頻天線架設在夏威夷群島瓦胡島東邊的一個死火山口上，天線有四條長的懸鏈組成，其跨度約為2200m（7200英尺），其中約1400米（4600英尺）是有效的。依靠張力，可使懸鏈的中央距火山口底面高度在444米（1453英尺）～366米（1200英尺）之間。所有的下引線互相連接，并饋送到發射機房內的單調諧螺旋線圈上。將天線裝配成既能使四條懸鏈一同使用，必要時又能使兩條懸鏈為一組，每組與不同發射機在一起工作。因天線位于火山口上，在地理上面屬于三面被固化巖溶物質環繞，一面開放，如圖1所示。天線的架設高度為400米，頂容線長度為1400米，選取一般工作頻點20kHz為代表頻率進行驗證計算，文獻中20kHz時，天線的輻射阻抗為0.16-260j（Ω）。因在架設天線的時候是在山谷頂端架設一定高度的鐵塔來支撐連接頂容線，因此山谷的高度比頂容線的高度要低，本文設置此高度差為20米。經計算得到，此時天線的輻射電阻和電抗為0.43Ω和185.25Ω。與文獻[1]中數據差距較大，因此此種山谷模型與實際情況不相符。

海庫天線位于火山口，其四周的山壁多為火山噴發所遺留的礦物質，因此可以用理想導體來近似，但是因地球重力、風化等作用導致山壁與火山口底部之間不是垂直結構，而是呈一定傾角。在改進模型的時候，設定傾角為30°，如圖2，在計算后發現天線的輻射阻抗為0.35-177j（Ω），阻值部分在向文獻數據靠攏，而抗值部分卻仍然差距較大。再結合文獻中關于海庫天線的圖表描述，可以判斷天線的頂負載長度與文中文字部分敘述不符，可能是文字部分在出版過程中有誤，故改進頂容線長度為2400英尺，即700米，改進后的海庫天線模型如圖2所示。

經計算得到天線的阻抗為0.17-265.35j（Ω），此結果已經與文獻數據很接近，考慮到文獻中所得到的數據為實際海庫天線所測量數據，而本文所仿真的數據為計算結果，因此誤差在允許范圍之內，認為此時的天線簡化模型可以在一定程度上用來分析海庫山谷天線的電氣性能。

三、海庫天線電氣分析

根據計算結果，當工作頻率為20kHz時海庫天線的輻射電阻結果為0.17Ω，可以計算出輻射電阻與天線的有效高度之間的關系。

輻射功率的計算方式為：

此數值與文獻數據很基本相同。

此時的天線上面的電流分布如圖3所示：

天線的輻射方向圖如圖4～圖6所示。

去掉兩條懸鏈后，20kHz工作頻率時，天線的電流分布如圖7～8所示，其輻射阻抗為0.17-454.78j，天線的阻值變化不大，但是抗值變化較大，說明天線的輻射效率變化不大，但是所能容納的輻射功率有變化。

四、結論

本文利用海庫天線作為山谷天線的一個代表例子，仿真分析得到山谷天線模型在建設過程中要考慮山體傾斜度對天線輻射性能的影響。另外山谷天線多利用鐵塔使得天線頂負載懸在空中，但是又不能使得頂負載直接與鐵塔連接，因此在頂負載導線與鐵塔之間存在絕緣子，使得頂負載與鐵打在電氣上斷開，這樣的話，頂負載的有效長度并不是整個山谷的跨度，要根據實際情況對頂負載的有效長度進行計算，才能得到準確的天線輻射參數。

參考文獻

[1] Watt A.D.VLF Radio Engineering[M]. London Pergamon Press， Oxford 1967.

[2]張大奎，楊德川，何治琳.超長波發射天線的設計方法.艦船無線通信，No.2，1980.

[3]潘威炎.長波超長波極長波傳播.電子科技大學出版社，2004年.

[4]柳超等.甚低頻通信，海軍工程大學，2010.

[5] Peder Hansen，“High Power Very Low Frequency/Low Frequency Transmitting Antennas[C]”， Military Communications Conference， 1990. MILCOM ’90， Conference Record， ’A New Era’. 1990 IEEE， 30Sept.-3Oct.1990 Pages：1091-1096 vol.3.

[6] D. C. Chang， R. J. Fisher.“A Unified Theory on Radiation of a Vertical Electric Dipole Above a Dissipative Earth [J]”， Radio Science， Vol.9， p1129-1138，1974.