基于矩量法对不同高度甚低频天线电气性能研究*

江　海　刘志艳　周　亮

(1.91919部队20分队　黄冈　438000)(2.海军工程大学兵器工程系　武汉　430033)

基于矩量法对不同高度甚低频天线电气性能研究*

江海1刘志艳1周亮2

(1.91919部队20分队黄冈438000)(2.海军工程大学兵器工程系武汉430033)

摘要针对天线架设高度对甚低频天线电气性能具有重要影响的特点，文章基于矩量法理论，采用FEKO软件对甚低频十三塔天线进行建模。计算了在一定地网分布密度下，不同天线高度下天线的电气性能参数，并分析不同天线高度下的电气性能结果，计算结果与实际情况相符，可为工程上甚低频天线架构参考。

关键词甚低频; FEKO; 十三塔; 天线高度

Class NumberE917；TJ07

1引言

潜艇是我国重要的战略武器，而甚低频天线是岸对潜通信的主要方式[1～3]。由于甚低频天线波长，而天线架设高度受工程技术限制，甚低频天线波长长度比高度高出许多，因此甚低频天线属电小天线[4～8]。提高甚低频天线有多种途径，如合理布局天线顶容线、地网密度等，而将天线架设一定高度是提高天线效率的重要途径之一[9～10]。在目前天线高度架设技术有限及成本随高度剧烈增加的条件下，摸清天线电气性能随高度变化情况，对选择合适高度使天线电气性能最大化具有重要的意义。

本文以甚低频十三塔天线为研究对象，基于矩量法理论，采用电磁仿真软件FEKO对甚低频十三塔天线进行建模，计算了地网分布密度一定的条件下，不同天线高度下的天线电气参数，计算结果表明：天线辐射效率的增加随天线高度增加越来越慢。针对目前天线架设技术有限的情况下，应选择合适高度。

2矩量法

矩量法(MOM)是电磁学领域中最有效的数值分析方法之一，也是求解线性算子方程的一种普遍方法[11]。其基本思想是利用离散化方法将一般的算子方程转化为矩阵方程，然后利用计算机求解矩阵方程，从而得到算子方程的数值解。

FEKO是南非EMSS公司研发的一款基于积分方程方法求解麦克斯韦方程组的任意结构通用的三维电磁仿真软件，以矩量法为核心，融合了特别适合处理非均匀介质的有限元法(FEM),同时结合了高效快速的求解算法多层快速多级子(MLFMM)。另外FEKO还支持能快速处理无限大平面的物理光学法(PO)[11]。

3基于矩量法的甚低频十三塔天线建模

3.1天线参数

十三塔甚低频天线由一个中心塔、六个内圈塔、六个外圈塔组成，天线铁塔参数如表1所示，天线模型建成后的俯视图如图1所示。

表1　天线铁塔参数

图1　甚低频十三塔伞形天线结构俯视

3.2地网参数

用FEKO中的GF卡定义均匀大地，取大地电导率为4s/m，铺设均匀辐射状地网。

图2　天线地网

在从中心到第二圈汇流环(从地网中心往外数的第二个圆圈)以内铺设120根长为200m长铜线，相邻地网线之间的夹角为3°；从第二圈汇流环到第四圈汇流环铺设240根长200m的铜线，相邻地网线之间的夹角为1.5°。从第四圈汇流环到最外层汇流环铺设480根长800m的铜线，相邻地网线间的夹角为0.75°，埋深0.3m，其总长度为500km,如图2所示。

4高度变化对天线电气性能的影响

在上述地网铺设模式下，顶容线结构不变，下引线和支撑塔整体提高或降低，改变天线的高度。下面仿真计算天线工作在24kHz时，不同高度下天线的电气性能。由于卡特勒支撑塔和下引线高度各不相同，因此以天线主塔高度为参考。

在不同高度下，工作在24kHz时天线电气的参数如表2所示。

表2　不同高度下实验天线的电气参数

表2中可以得知，天线的辐射电阻随天线高度的增加而变大，这是由于天线的高度增加，天线下引线上的电流分布较之前均匀，天线的有效高度增加，故辐射电阻变大。但当天线超过一定高度后，天线的效率增长缓慢。

随着天线高度的增高，天线的地损耗电阻不断增大，这是因为：当天线变高时，天线下引线上的电流变大，下引线附近的磁场强度变大；在天线顶负载结构不变时，尽管天线顶负载在大地中由镜像电流引起的地损随着天线高度的增加而变小，但在天线地损耗中，顶负载在地中镜像电流引起的损耗远小于下引线切向磁场引起的地损耗，又下引线附近的磁场强度变大。因此当天线高度增加时，天线的地损耗电阻逐渐变大，但增加的幅度与辐射电阻增加的幅度相比要小，因此当天线高度的增加时，天线的效率也增加。

分析表2中天线效率变化趋势，当天线高度从300m变到450m时，天线的辐射效率提高了18%，且实验天线的效率随着天线高度的增加，增长的幅度要比慢慢降低，如图3和图4，因此在目前天线架高度有限的条件下，设计出良好的顶负载对提高天线辐射效率具有重要意义。

图3　不同高度下天线辐射效率

图4　不同高度下天线容抗值

图5　天线的顶负载和下引线

从表2中得知，天线的容抗均随天线的高度增加先变大后变小，如图4所示。这是因为：没有调谐的天线系统主要由顶负载和下引线的电抗之和构成，在顶负载不变的情况下，随着天线高度的增加，顶负载与大地之间的电容变小，容抗变大，而下引线的电感随天线的增高变大，电抗也随之变大，当增加的容抗比电抗大时，天线的容抗增加，反之则变小。

5结语

本文基于矩量法，采用了FEKO软件对甚低频十三塔天线及地网进行了建模。研究了天线高度变化对天线电气性能的影响。从计算结果可以得出：

1)天线的辐射效率随天线高度增加，先增长比较快，后随天线高度增加效率慢慢放缓。

2)天线容抗随天线高度先变大，后变小。

参 考 文 献

[1] Wait A D.甚低频无线电工程[M].甚低频无线电工程翻译组译.北京：国防工业出版社，1973：87-122.

[2] 梁高权.甚低频波和超低频波的辐射与传播[M].南京：海军工程大学电子工程学院，2002：120.

[3] 周亮,柳超,董颖辉,等.甚低频十三塔伞形天线电气性能的研究[J].通信技术,2013,2013(9):9-11.

[4] 柳超,梁玉军,刘其中,等.甚低频T形天线阵地损耗电阻的分析与计算[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2008,12(6)：1026-1030.

[5] 江月明.对潜通信系统及其发展探讨 [J].无线电工程,2003(9)：21-23.

[6] 天线与电磁散射研究所.慈利VLF发信台发信天线更新改造工程电气参数计算报告[R].西安：西安电子科技大学，2002：19.

[7] 焦其祥,王道东.电磁场理论(第一版)[M].北京：北京邮电出版社，1994，231.

[8] 周朝栋,杨恩耀.电小天线[M].西安：西安电子科技大学出版社，1990：9-10.

[9] 尹亚兰,张志刚.复杂线天线的一种矩量法算法[J].海军工程大学学报,2003,15(3)：98-101.

[10] 周良明.线天线与电小天线[M].西安：西北电讯工程学院，1986.

[11] 肖运辉,李奕.FEKO在航天航空天线仿真中的应用[J].系统仿真技术,2008,4(3)：203-207.

VLF Antenna’s Electrical Performance of Different Heights Based on Method of Moment

JIANG Hai1LIU Zhiyan1ZHOU Liang2

(1.Unit 20, No. 91919 Troops of the PLA, Huanggang438000)(2.Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractFor the characteristics that theerection height of VLF antenna has an important influence on antenna electrical performance, the VLF trideco antenna model is established through FEKO software based on the theory of moment’s method. In the grid density distribution condition, the electrical performance of the antenna parameters under different antenna heights is calculated, and the antenna electrical performance results in different height of antenna are analyzed. The calculation result is consistent with the actual situation, which can guide the construction of VLF antenna.

Key WordsVLF, FEKO, thirteen towers, height

*收稿日期：2015年12月14日,修回日期：2016年1月27日

作者简介：江海,男,硕士,工程师,研究方向：甚低频通信。刘志艳，男，助理工程师，研究方向：有线传输。周亮,男,博士研究生,研究方向：甚低频通信，装备综合。

中图分类号E917；TJ07

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.037