甚低频气球天线缆绳末端损耗及温升分析*

董 见 罗建新

(武汉船舶通信研究所 武汉 430205)



甚低频气球天线缆绳末端损耗及温升分析*

董 见 罗建新

(武汉船舶通信研究所 武汉 430205)

文章简要分析了甚低频气球天线缆绳末端在不同的绝缘保护套的电损耗和相应的温升。基于准静电(EQS)方法得到电损耗,以及基于传热学理论得到相应的温度场。使用CST的EM和MPS工作室进行仿真,通过仿真计算得到的温度场,为天线选择合适的绝缘材料提供仿真依据。

甚低频气球天线缆绳; 介质损耗; 温度场

Class Number TN92

1 引言

气球天线的车载甚低频对潜通信系统是移动式甚低频对潜通信系统的一种重要方式。车载甚低频台生存能力比固定岸台强,可相对机动灵活配置,效率高,占地面积小。气球天线缆绳一般工作于大电流、高电压,一般馈电电压为几十上百千伏(受限于电晕),馈电电流一般最高为100A[1～2](受限于大电流引起的馈电发热[3])。因为天线的高容抗,所以天线末端的电压要比输入电压高很多,此处电场极强,而电流几乎为零,工作频率也远远高于工频,所以天线缆绳末端的电损耗所引起的温升计算和仿真是很有必要的,本文利用CST的EM和MPS工作室对天线末端的电损耗和温升进行仿真计算。

2 理论分析

仿真计算首先要得到末端的电损耗(磁损耗很小,所以忽略),这个损耗就是热源,然后根据传热理论计算得到温度场。

(1)

称之为电准静态场。显然,在忽略随时间变化的磁场对电场作用的前提下,电准静态场具有与静电场类同的有源无旋性,因此,两种场的计算方法相同。与静电场相仿,电准静态场也可以用随时间变化的电位φ(t)的负梯度表示,即

(2)

因而与静电场相仿,从式可导出电位φ(t)满足泊松方程

(3)

与电准静电态场对应的时变磁场,基于麦克斯韦方程组,应遵从

(4)

热源是介质的电磁损耗,损耗功率为[7]

(5)

一般电介质给出的是介质的损耗角正切

(6)

式中,ε′为实介电常数ε′=εrε0。在没有磁损耗的情况下,由式(5)～式(6)可得

(7)

热量的传递主要依靠传导、对流和辐射三种形式传播。天线末端主要是传导形式。根据傅里叶定律和热力学第一定律式可得到其微分形式,如式(8)。左项表示∂t期间系统内能的增量,可由温度变化∂T计算,与系统密度ρ和比热容c相关。式中右一项代表热传导引起的热量转移,另一项Pl系统自身生热率[8]。

(8)

其中λ为导热系数,单位为W/K/m。高分子材料的导热系数一般很小。

当达到稳态时,式(8)中

∂T/∂t=0

(9)

损耗角正切是温度的函数,因此损耗和温度场的求解是一个耦合的过程,而本文主要研究几种材料在特定损耗角正切下的损耗和温升,所以忽略掉耦合,认为损耗角正切是常数。

3 仿真分析

本文采用CST的电磁工作室的低频求解器算出准静电情况下的天线末端的电损耗,然后导入到CST的多物理场工作室,利用稳态热求解器算出温度场[9]。

天线缆绳一般是复合结构,为了仿真的一般性,所以简化为铜棒加绝缘介质。馈电电压为100kV(rms),频率20kHz,铜棒半径8mm,绝缘介质厚2mm,如图1所示。

图1 末端横截面图

仿真中所用到的材料特性如表1[10],需要注意的是材料给出的是在50Hz下的损耗角正切,其中聚乙烯和交联聚乙烯是中性分子,它们的损耗角正切很小,随频率的变化较小,而聚氯乙烯和乙丙橡胶的损耗角正切较大,随频率变高而增加。

表1 电缆用导体和绝缘材料特性参数

由于天线末端在高空环境,所以把仿真的背景温度设为313.1K(40℃),以模仿极端的热环境。

聚乙烯是广泛的电缆绝缘材料,其损耗角正切很小,在高频下也可使用,仿真结果如图2。甚低频气球发射天线末端的电场达到106V/m,电损耗功率密度高达80kW/m3,但是由于电场非常的集中,损耗的体积非常的小,因此损耗的总功率只有0.16W(rms),最高温升只有1℃。

图2 聚乙烯仿真结果

聚氯乙烯的损耗角正切是0.07,是表1中最大的,仿真结果如图3,损耗功率达到了19W,由于聚氯乙烯的导热性能极差,所以靠近铜棒末端的温度到达了1067K(794℃),远远超过最大工作温度,实际上会早早的热击穿。

图3 聚氯乙烯仿真结果

乙丙橡胶也是常见的绝缘介质,其损耗角正切为0.003,仿真结果如图4,温升大约为20℃,此时介质最高温度为60℃,考虑到实际的20kHz下,损耗角正切会更大一些,高温下也会加大损耗,所以认为乙丙橡胶并不适合。

图4 乙丙橡胶仿真结果

由上面的三种材料的损耗和温度场仿真可以看到,损耗角正切为10-3的数量级时,天线末端已经有比较显著的温升了,所以甚低频气球缆绳天线的绝缘材料最好选用10-4数量级的,如聚乙烯、交联聚乙烯。从各项参数上看交联聚乙烯是比较理想的材料,其各项特性比聚乙烯还要好一些。

4 结语

通过对甚低频气球天线缆绳末端的电磁损耗极其温度场仿真,得到相应的温升。这对工程上选择适合的绝缘材料具有指导意义。

[1] 柳超,蒋华,黄金辉.甚低频通信[M].北京:海潮出版社,2008:35-39.

[2] Watt. VLF Radio Engineering[M]. Pergamon Press, Long,1967:51-68.

[3] HARRY C. KOONS, MITCHELL H. DAZEY. High-Power VLF Transmitter Facility Utilizing a Balloon Lofted Antenna[J]. IEEE,ap,1983:243-248.

[4] W. L. Stutzman, G. A. Thiele.天线理论设计[M].北京:人民邮电出版社,2006:18-21.

[5] 谢处方,饶克瑾.电磁场与电磁波[M].高等教育出版社,2006:40-41.

[6] 倪光正.工程电磁场原理[M].北京:高等教育出版社,2009:181-182.

[7] David M. Pozar.微波工程[M].北京:电子工业出版社,2014:8-9.

[8] 杨世铭.传热学基础[M].北京:高等教育出版社,2014:22-24.

[9] CST China.CST工程算例汇编[M].CST China,2014:1723-1761.

[10] 严璋,朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京:中国电力出版社,2009:192.

Analysis of VLF Balloon Antenna Cable Terminal Loss and Heating-up

DONG Jian LUO Jianxin

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430205)

This article briefly analyzes the electric loss and corresponding temperature rise of the VLF balloon antenna cable terminal with different electrical insulating protective jackets. The electric loss is obtained based on EQS method, and corresponding temperature field is got based on Heat Transfer Theory. With the simulating calculation in EM and MPS studio of CST to obtain the temperature field, the simulation basis of choosing appropriate isolating material is provided for the antenna.

VLF balloon antenna cable, dielectric loss, temperature field

2015年6月17日,

2015年8月3日

董见,男,硕士,研究方向:天线多物理场计算。罗建新,男,研究员,研究方向:舰船天线通信技术。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.044