甚低頻T形面型天線(xiàn)電氣性能分析

摘要：運用三維全波電磁仿真軟件對甚低頻T形面型天線(xiàn)進(jìn)行電磁建模和仿真分析計算，分析了天線(xiàn)的輸入阻抗、有效高度、電容等電氣參數。在建模時(shí)考慮了鐵塔及不同頂容線(xiàn)模型的影響，并對有無(wú)鐵塔及不同鐵塔類(lèi)型、以及天線(xiàn)不同形式時(shí)天線(xiàn)的輸入阻抗進(jìn)行對比分析。
關(guān)鍵詞：T形面型天線(xiàn)；輸入阻抗；靜態(tài)電容；有效高度

甚低頻電磁波與較高頻段的電磁波相比，能穿透海水、深入巖層、并具有傳播穩定、損耗小的特點(diǎn)，在導航、地質(zhì)探礦、地下通信、潛艇和遠洋通信等方面得到廣泛的應用。T形面型天線(xiàn)陣是一種常用的大功率甚低頻發(fā)射天線(xiàn)，其結構龐大、架設困難，一旦架設完成就難以更改，設計失誤將造成巨大損失。甚低頻T形天線(xiàn)陣電氣參數的精確計算一直是工程設計中的難題，傳統的解析方法難以對實(shí)際天線(xiàn)作精確的模擬和計算，工程上一般需要通過(guò)制作縮比模型來(lái)進(jìn)行設計，不但設計周期長(cháng)、成本高，而且模型制作中的誤差也會(huì )影響天線(xiàn)的設計性能。
近年來(lái)，隨著(zhù)電磁場(chǎng)數值分析技術(shù)的發(fā)展和計算機性能的提高，大型甚低頻天線(xiàn)的數值建模和仿真分析成為可能。采用計算電磁學(xué)方法對復雜T形天線(xiàn)陣進(jìn)行分析計算，不僅能縮短設計周期、減少開(kāi)支，且能得到較準確的計算結果。本文運用三維全波電磁仿真軟件對甚低頻T形面型天線(xiàn)進(jìn)行電磁建模和仿真分析計算，從而為該天線(xiàn)的工程設計提供參考。
文中使用的仿真工具是商業(yè)電磁軟件FEKO，FEKO是南非EMSS公司開(kāi)發(fā)的一款基于積分方程方法和矩量法求解麥克斯韋方程組的三維電磁場(chǎng)仿真軟件，特別適用于線(xiàn)型天線(xiàn)的建模和仿真計算。

1 天線(xiàn)建模
文中的VLF發(fā)射天線(xiàn)由兩組T形天線(xiàn)組成，單組T形天線(xiàn)的頂負載是一個(gè)投影面積是1240 mx450 m的導線(xiàn)障，由11根頂容線(xiàn)和3根橫向鋼索構成，頂容線(xiàn)的間距為45 m。導線(xiàn)障距地面最低高度是165 m。每組頂容線(xiàn)與高壓饋籠之間由5根下引線(xiàn)連接，高壓饋籠離地高度10 m。
天線(xiàn)地網(wǎng)的建模非常復雜，難于仿真計算。本文的目的在于分析天線(xiàn)的電容和有效高度，故在建模中將地面設置為無(wú)限大理想導電平面。由于沒(méi)有涉及導線(xiàn)損耗和地損耗，所計算出來(lái)的輸入電阻就是天線(xiàn)的輻射電阻。
所建立的單組天線(xiàn)模型如圖1所示。每段頂容線(xiàn)采用4根314m的折線(xiàn)近似，頂容線(xiàn)最低點(diǎn)取165 m，下引線(xiàn)由5根長(cháng)約215 m的導線(xiàn)組成，導線(xiàn)間距90 m，高壓饋籠由一根半徑0.1 m的導線(xiàn)近似，鐵塔采用0．5 m的導線(xiàn)近似，拉線(xiàn)采用與地面成45度角的直導線(xiàn)。天線(xiàn)模型置于地面上，饋電點(diǎn)在高壓饋籠中點(diǎn)與地之間，由電壓源饋電。模型剖分線(xiàn)元長(cháng)度取25 m。

雙組天線(xiàn)模型如圖2所示。2組天線(xiàn)同時(shí)工作時(shí)，各自的輸入阻抗與天線(xiàn)的激勵情況是密切相關(guān)的。在電磁模型中難以計入調諧回路的影響，考慮到天線(xiàn)之間的互阻抗與激勵情況無(wú)關(guān)，將兩組天線(xiàn)設置為獨立饋電，分析重點(diǎn)在于計算兩組天線(xiàn)各自的自阻抗和天線(xiàn)之間的互阻抗。得到天線(xiàn)的自阻抗和互阻抗后，再結合實(shí)際調諧情況下2天線(xiàn)各自的輸入電流，就可以確定實(shí)際工作情況下的天線(xiàn)輸入阻抗。

2 計算結果及分析
利用FEKO對單組天線(xiàn)模型進(jìn)行計算，得出天線(xiàn)輸入阻抗，由阻抗可以進(jìn)一步計算算出天線(xiàn)電容和有效高度。通過(guò)對不同鐵塔形式時(shí)天線(xiàn)輸入阻抗計算數據的對比，分析鐵塔對天線(xiàn)性能的影響。
對于雙組天線(xiàn)，分別計算出一組天線(xiàn)饋電另一組開(kāi)路；一組天線(xiàn)饋電另一組短路兩種狀態(tài)下饋電天線(xiàn)的輸入阻抗，并通過(guò)計算兩組天線(xiàn)同時(shí)饋電時(shí)的散射參數推算出兩天線(xiàn)間的互阻抗。
1)單組天線(xiàn)輸入阻抗、靜態(tài)電容及有效高度
由FEKO計算出天線(xiàn)的輸入阻抗，并根據天線(xiàn)的輸入阻抗計算出了天線(xiàn)的靜態(tài)電容及有效高度。由于所建模型中地面是無(wú)限大理想電平面，且未考慮導線(xiàn)損耗，故天線(xiàn)的輸入電阻即可作為輻射電阻Rr，由此可以推算出天線(xiàn)的有效高度he。
由輻射電阻計算公式

對于工作頻率遠低于自然諧振點(diǎn)的VLF天線(xiàn)，通過(guò)給定工作頻率下的電抗X即可求出天線(xiàn)的靜態(tài)電容C。將天線(xiàn)近似等效為電阻R、電感L、電容C串聯(lián)電路，則在頻率f1和f2上天線(xiàn)的抗值分別為：

由頻率f1和f2上天線(xiàn)電抗的計算值，求解方程(3)和(4)即可得到天線(xiàn)的靜電容。
單組天線(xiàn)輸入阻抗、有效高度及電容的計算結果如表1所示。

2)鐵塔對天線(xiàn)性能影響
T形面型天線(xiàn)一般采用鐵塔支撐，由于大型鐵塔絕緣難度大，T形面型天線(xiàn)一般采用接地鐵塔。鐵塔和拉線(xiàn)在電磁場(chǎng)的作用下將感應出電流，這一電流會(huì )使天線(xiàn)的有效高度降低。甚低頻發(fā)射天線(xiàn)實(shí)際效率常常比設計效率低很多，鐵塔和拉線(xiàn)的影響是原因之一。
為了定量分析鐵塔對天線(xiàn)性能的影響，文中分別計算有無(wú)鐵塔、鐵塔有無(wú)拉線(xiàn)及拉線(xiàn)是否絕緣時(shí)單組天線(xiàn)的輸入阻抗、靜電容和有效高度，由于前面章節已列舉天線(xiàn)輸入阻抗值，在此不再贅述，僅給出靜電容及有效高度的計算結果，如表2、表3所示。

從對數據的分析，可見(jiàn)鐵塔及拉線(xiàn)的存在使得天線(xiàn)靜電容略微增大，但導致天線(xiàn)輻射電阻和有效高度明顯降低，從而使得天線(xiàn)的輻射效率降低。
3)2組天線(xiàn)自阻抗和互阻抗的計算
在2組天線(xiàn)同時(shí)存在的情況下，分別計算了僅一組天線(xiàn)工作時(shí)天線(xiàn)的自阻抗，以及兩組天線(xiàn)同時(shí)工作時(shí)天線(xiàn)之間的互阻抗。
①僅一組天線(xiàn)饋電
僅對一組天線(xiàn)進(jìn)行饋電，另外一組天線(xiàn)接地時(shí)，饋電天線(xiàn)的輸入阻抗的計算結果，如表4所示。

由表4可見(jiàn)，雙組天線(xiàn)僅一組天線(xiàn)工作時(shí)，天線(xiàn)的電抗與單組天線(xiàn)的結果基本一致，即天線(xiàn)的靜電容基本相同。而且工作組天線(xiàn)的輸入電阻小于天線(xiàn)單獨存在時(shí)的輸入電阻，這是因為非工作組天線(xiàn)上產(chǎn)生了反向感應電流，從而使得工作組天線(xiàn)的輻射電阻降低。這意味著(zhù)兩組天線(xiàn)中，當只有一組天線(xiàn)工作時(shí)，其有效高度將低于單組天線(xiàn)孤立存在時(shí)的有效高度，而且當非工作組天線(xiàn)接地時(shí)，其對工作組天線(xiàn)有效高度的負面影響更為明顯。
②2組天線(xiàn)同時(shí)饋電
當2組天線(xiàn)同時(shí)饋電時(shí)，可將其看作是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò )，從而可以得到兩組天線(xiàn)各自的輸入阻抗和散射參數。由散射參數可以推算出其歸一化的互阻抗參數：

用歸一化的互阻抗參數乘以激勵源的特性阻抗，即可得到天線(xiàn)的互阻抗，如表5所示。文中在計算天線(xiàn)饋電端口的散射參量時(shí)，激勵源的特性阻抗取為50 Ω(該阻抗值只影響散射參量的計算結果，不影響最終的互阻抗)。

與表1結果對比可知，兩組天線(xiàn)之間的互電阻近似等于天線(xiàn)單獨存在時(shí)的輻射電阻。因此當兩組天線(xiàn)同時(shí)工作、且電流等幅同相時(shí)，單組天線(xiàn)的輻射電阻將增大一倍；而歸算到總輸入電流的天線(xiàn)陣總的輻射電阻，則與單組天線(xiàn)基本相同。也就是說(shuō)，采用多組天線(xiàn)工作的方式不會(huì )提高總輻射電阻。

3 結論
采用三維全波電磁仿真軟件FEKO對T形面型天線(xiàn)的電性能進(jìn)行了仿真計算。對于單組T形天線(xiàn)，得到了天線(xiàn)的輸入阻抗，并由此推算出天線(xiàn)靜態(tài)電容和有效高度。對于兩組天線(xiàn)，計算了單組天線(xiàn)工作時(shí)的阻抗、靜電容、有效高度以及兩組天線(xiàn)同時(shí)工作時(shí)的輸入阻抗。為定量分析鐵塔和拉線(xiàn)帶來(lái)的影響，計算了有無(wú)鐵塔以及采用不同拉線(xiàn)結構時(shí)，天線(xiàn)的輸入阻抗、有效高度和靜態(tài)電容，計算結果表明，由于鐵塔和拉線(xiàn)的影響，天線(xiàn)的有效高度有所降低。