甚低頻傘形天線地網性能研究*

張　靜　李云紅

(海軍工程大學電子工程學院通信工程系　武漢　430033)

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甚低頻傘形天線地網性能研究*

張靜李云紅

(海軍工程大學電子工程學院通信工程系武漢430033)

論文通過運用電磁場仿真分析軟件FEKO對不同形式地網的甚低頻發信天線進行仿真，研究地網形式對損耗電阻的影響并進行分析。基于建立的不同地網形式的天線模型，進一步計算出天線效率，根據計算數據對地網進行分組對比，從中篩選出性能優越的地網形式。對傘形天線而言，輻射狀地網的天線效率最高在80%以上，效果明顯；而矩形地網則效果不佳；如果對輻射狀地網加回流環，效果不是很明顯。

甚低頻;傘形天線;FEKO仿真;地網

Class NumberTN820

1　引言

甚低頻電波頻率較低(3kHz～30kHz),在地球-電離層波導中傳播較穩定，衰減較小，在遠洋和對潛通信中得到廣泛的應用[1]。電磁波在水下衰減很大，這在很大程度上限制了潛艇的通信深度，因此要想提高潛艇的通信能力，使潛艇在更深的水域收信，那么只有提高天線的輻射功率。實現此目標，有兩種方法：一種是提高發信機的功率，另一種是提高天線系統的效率。由于甚低頻發信機的功率已經做到足夠大了，所以短期內很難在這一方面進行突破，那么只能從提高天線系統的效率方面入手，進而提高潛艇的收信深度。天線的效率是輻射電阻與輸入電阻之比[2～3]，輻射電阻是天線的一種特性，與天線本身有關，輸入電阻是輻射電阻與損耗電阻之和，這樣來講，可從損耗電阻入手，地損耗電阻的改變也是一方面，通過改變地網形式的方式來優化地網結構，以此來達到減小損耗電阻，提高天線效率，提升通信能力的目的。

2　地網形式對甚低頻發信天線損耗電阻的影響

甚低頻發信天線的形式有很多種，如T形天線Γ型天線和傘形天線等，這些頂叫做頂負載，無論是山谷天線，還是鐵塔天線都帶有這樣一個頂負載，稱之為頂容線，通常頂容線并不直接參與輻射，真正的輻射體是下引線，頂容線對天線起到加載作用，以改善下引線上的電流分布[4]，從而提高天線的輻射效率。本文研究在頂負載確定的情況下，通過改變地網的形式來觀察損耗電阻的變化情況，從而可得知當地網形式改變時，天線效率的變化趨勢，從而找出最優化的地網形式。

2.1地網形式對甚低頻傘形發信天線損耗電阻的影響

表1為地網形式對照表，總長均為300km，鋪設形式均為輻射狀[5]。根據表1所示的地網形式對照表，通過FEKO軟件，建立傘形天線的仿真模型[6～7]，天線高300m，工作頻率為f=15kHz,天線半徑為800m，共72根。

表1　地網形式對照表

利用建立的仿真模型計算輻射狀地網對甚低頻傘形發信天線損耗電阻的影響[8～11]，部分仿真計算數據列于表2中。

表2　輻射狀地網對甚低頻傘形發信天線損耗電阻的影響

把仿真計算數據中的天線效率與地網形式之間的關系畫成如下所示的折線圖，以便更好地觀察天線效率隨輻射狀地網形式改變的變化趨勢。

圖1　天線效率與地網形式之間的關系曲線

從表2及圖1可以看出，仿真實驗選定的所有地網角度間隔中，當角度間隔為2°時，天線效率達到仿真結果中的最高值83.11%，同時地網面積為8.73km2，是天線面積的四倍。另外，天線效率隨地網角度間隔的變化趨勢是非線性的，地網間隔變化范圍是1°～4.5°，且遞增變化，而天線效率的變化趨勢是非單調變化的，是先增后減，增大到83.11%時，出現下降趨勢，近似為拋物線。

因為在進行地網形式改變的過程中，只保證了地網總長不變，而半徑、面積是不斷增大的,半徑越大處，地網間隔就越大，地網會越來越疏。在間隔為1°～2°范圍內增大時天線的損耗電阻變小，天線效率逐漸升高，主要是由地網的面積增大引起的；而在2°～4.5°范圍內的損耗電阻是增加的，因而天線效率逐漸減小。

2.2矩形地網對甚低頻傘形發信天線損耗電阻的影響

表3為地網形式對照表，總長均為300km，鋪設形式為矩形。根據表3所示的地網形式對照表，通過FEKO軟件，建立傘形天線的仿真模型。

表3　地網形式對照表

利用建立的仿真模型計算矩形地網對甚低頻傘形發信天線損耗電阻的影響，仿真計算數據列于表4中。

表4　矩形地網對甚低頻傘形發信天線損耗電阻的影響

繪制天線效率與地網形式之間的關系曲線圖如圖2所示。

圖2　天線效率與不同的矩形地網形式之間的關系曲線

表4所反映的地網間隔由10m增加到30m時，天線效率在逐漸降低，從18.09%降至17.19%，盡管天線效率的變化幅度不大，但其效率值比較低，仿真結果顯示最高為18.09%，不及輻射狀地網的四分之一，說明鋪設矩形地網對傘形天線來講，天線系統產生了較大的損耗電阻，嚴重降低天線效率。

從圖2可以看出，天線效率的變化不是單調的，在18m～30m之間出現波動，間隔變化的同時引起地網長度和面積的共同變化，兩者共同作用導致天線效率出現波動，因而天線的性能存在不穩定因素；仿真結果進一步證明了對傘形天線鋪設矩形地網是不可行的，效率因素嚴重制約了天線的正常工作，會造成不必要的電磁能量損耗，故應選擇其它形式的地網。

2.3輻射狀加回流環地網對甚低頻傘形發信天線損耗電阻的影響

表5為地網形式對照表，總長均為300km，角度間隔為5°，共72根，鋪設形式為圓環+輻射狀。根據表5所示的地網形式對照表，通過FEKO軟件，建立傘形天線的仿真模型。

表5　地網形式對照表

利用建立的仿真模型計算地網對甚低頻傘形發信天線損耗電阻的影響，仿真計算數據列于表6中。

表6　輻射狀加回流環地網對甚低頻傘形天線損耗電阻的影響

繪制天線效率與地網形式之間的關系曲線圖如圖3所示。

圖3　天線效率與不同地網形式之間的關系曲線

由圖3可以發現，加了回流環的輻射狀地網對傘形天線的效率影響是比較小的，回流環的作用不明顯，達不到仿真設計想要的效果；在設計施工中，考慮到施工復雜度和難度，加回流環是沒有必要的，所以不建議對輻射狀地網加回流環，建議改變輻射狀地網的角度間隔來改善天線效率。

3　結語

比較不同的甚低頻傘形天線的地網形式，輻射狀地網的性能明顯要優于矩形地網的性能，輻射狀地網的天線效率最高可達83.11%，而矩形地網的天線效率最高才到18.09%，兩者差距甚大，所以對傘形天線來說，鋪設矩形地網是不可行的，應該優先考慮輻射狀地網。在輻射狀地網的角度間隔為2°時，天線效率達到最高值，具體最優角度間隔的確定可用夾逼法進一步仿真，初步估計在2°附近。如果對輻射狀地網加回流環，效果不是很明顯，在實際工程中不必作為重點考慮對象，必要時可在提高天線效率上作為參考。

[1]柳超,蔣華,黃金輝.甚低頻通信[M].北京:海潮出版社,2008:1-42.

[2]Watt A.D.VLF Radio Engineering[M].London:LondonPergamon Press,Oxford,1967:19-20.

[3]宋錚,張建華,黃冶.天線與電波傳播[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003:1-27.

[4]張靜,柳超,楊正興.甚低頻傘形發射天線數值計算[J].艦船電子工程,2008(1):71-73.

[5]周亮,柳超.甚低頻傘形天線輻射狀地網的研究[J].計算機與數字工程,2013,9(11):87-89.

[6]閻照文,蘇東林，袁曉梅.FEKO5.4電磁場分析技術與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2013:1-189.

[7]范麗思,崔耀中.FEKO5.4實例教程[M].北京:國防工業出版社,2012:25-94.

[8]王曉蓓,柳超.甚低頻十三塔天線的特點與分析[J].艦船電子工程,2009(11):87-89.

[9]周亮.非均勻大地甚低頻十三塔傘形天線電氣性能研究[D].武漢：海軍工程大學，2013:13-55.

[10]李少龍,陳廣林,聶賀峰.甚低頻天線的矩量法分析[C]//全國天線年會,2009:1276-1278.

[11]張永超.甚低頻傘形天線電氣性能研究[D].武漢：海軍工程大學，2012:14-43.

Ground Net Characteristics of VLF Umbrella Antenna

ZHANG JingLI Yunhong

(Department of Communication Engineering,Electronic Institute,Naval University of Engineering,Wuhan430033)

In this paper,different forms of ground net of VLF transmitting antennas are simulated by electromagnetic software FEKO to study and analyze the influence of various ground net on loss resistance.The efficiency of the antennas are calculated based on various antenna models established.The ground nets are divided into groups and contrasted according to the data obtained,then the best one can be found.For VLF umbrella antenna,the efficiency of the radial pattern of ground net is more than eighty percent,it is efficient.However,rectangular ground net is not so good.Compared to the radial pattern of ground net,the efficiency of the radial pattern of ground net with return rings is not higher.

svery low frequency,umbrella antenna,FEKO simulation,ground net

2016年3月1日,

2016年4月19日

張靜,男,講師,研究方向：天線理論與技術。李云紅,男,碩士研究生,研究方向：天線理論與技術。

TN820DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.012