地網對短波對數(shù)周期天線效率影響計算?

陳水清 王健輝 馬銀珠

（1.中國人民解放軍92665部隊 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現(xiàn)遠距離通信、抗毀能力強、設備簡單等優(yōu)點，至今仍然被廣泛應用。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)射機的輸出功率可達到30kW，在短期內很難大幅度提高，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，與其結構形式密切相關；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。

通過運用電磁場仿真分析軟件FEKO對不同形狀地網的短波對數(shù)周期天線進行仿真，研究地網形狀對損耗電阻的影響并進行分析?；诮⒌牟煌鼐W形狀的短波對數(shù)周期天線模型，進一步計算出天線的輻射效率，根據計算數(shù)據對地網形狀進行分組對比，從中篩選出性能優(yōu)越的地網形狀。

2 地網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，計算出天線在不同地網形狀上的損耗電阻、輻射電阻等參數(shù)，從而研究地網形狀對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響，找到最優(yōu)的地網形狀。

2.1 輻射狀地網對短波對數(shù)周期天線效率的影響

鋪設不同角度間隔的輻射狀地網，其主要結構參數(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的仿真模型，其中天線的中心頻率取15MHz，主要結構參數(shù)：高度20m、最長振子18m、振子總數(shù)18對、橫梁長度15m。

表1 輻射狀地網結構參數(shù)表

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

表2 不同角度間隔輻射狀地網對短波對數(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之間的曲線圖，研究分析輻射狀地網角度間隔對天線輻射效率的影響。

通過仿真結果（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，并且遠高于輻射狀地網的最大輻射效率，但在實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中，當輻射狀地網相鄰兩根導線的角度為2°時，短波對數(shù)周期天線的輻射效率最高，達到83.33%；當輻射狀地網相鄰兩根導線的角度小于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角度間隔的關系曲線

2.2 矩形狀地網對短波對數(shù)周期天線效率的影響

鋪設不同尺寸間隔的矩形狀地網，矩形狀地網的外形尺寸為48m×48m，相鄰兩根導線的間隔分別取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行仿真，計算出不同尺寸的矩形狀地網對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響，主要仿真計算數(shù)據見表3。

表3 不同尺寸間隔矩形狀地網對短波對數(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之間的曲線圖，研究分析矩形狀地網尺寸間隔對天線輻射效率的影響。

通過仿真結果（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，并且遠遠高于矩形狀地網的最大輻射效率，但在實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?shù)妮椛錉畹鼐W相比，短波對數(shù)周期天線在矩形狀地網上的輻射效率，約為在輻射狀地網上輻射效率的四分之一，因此鋪設矩形狀地網將嚴重制約短波對數(shù)周期天線的性能，帶來不必要的損耗，矩形狀地網方式不可取。

圖2 對數(shù)周期天線輻射效率與矩形狀地網尺寸間隔的關系曲線

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

鋪設角度間隔為4.5°、半徑為20m的輻射狀地網，在此基礎上分別增加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行仿真，計算出輻射狀地網增加不同個數(shù)回流環(huán)后對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響，主要仿真計算數(shù)據見表4。

表4 輻射狀地網增加回流環(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增加回流環(huán)后的曲線圖，研究分析輻射狀地網增加回流環(huán)對天線輻射效率的影響。

通過仿真結果（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，并且遠高于輻射狀地網增加回流環(huán)方式的最大輻射效率，但在實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增加回流環(huán)后的關系曲線

3 結語

通過對三種形狀地網的研究分析發(fā)現(xiàn)，短波對數(shù)周期天線的輻射效率按輻射狀地網加回流環(huán)方式、輻射狀地網方式、矩形狀地網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上的輻射效率最低（約18%），僅為在輻射狀地網上輻射效率的四分之一左右，因此鋪設矩形狀地網的方法不可取。在輻射狀地網上增加回流環(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的方式。根據仿真結果，初步估計輻射狀地網的最優(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)角度間隔進一步的仿真。