甚低频发射天线多调谐模式研究

李开锋，王 拓

（1 中国人民解放军92665 部队，张家界 427200；2 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

甚低频天线工作频率低、波长长，天线规模比较庞大，但天线尺寸与工作波长相比仍属于电小天线。同时为了满足远距离的通信要求，天线系统需要承受兆瓦级的功率，因此在设计天线方案时，首先要考虑的是天线要有足够大的功率容量。为了天线有足够大的功率容量，同时提升其工作的灵活性，整个天线往往需要多组可调谐天线来实现，因此，需要对多组天线同时工作时的多调谐进行研究，保证其各组天线的幅度相位一致性，提高其辐射效率，尽可能扩大其覆盖范围[1-2]。

1 多调谐模式分析

多调谐天线的工作方式可根据实际需要采用一主多辅多调谐或者并联多调谐。一主多辅多调谐工作模式是发射机输出功率馈入主天线，并进行调谐，其它组天线通过高压馈线与主天线连接，并通过调谐亭对地调谐，如图1所示。并联多调谐工作模式是发射机输出功率后，通过低压馈线将功率分为多路，分别对多个天线进行激励，并通过天线各自底部的调谐亭进行独立调谐，如图2所示。

图1 一主多辅多调谐工作模式示意图

图2 并联多调谐工作模式示意图

目前已建成使用的大型甚低频发射天线系统多采用主、辅亭相结合的多调谐模式，即发射机功率输送至一个主亭，其余辅亭为对地调谐的工作方法，从考虑系统调试的成熟度考虑，首选传统主、辅亭结合的多调谐工作模式，下面主要对这种多调谐方式进行分析研究。

1.1 多调谐互耦影响分析

由于多调谐天线相距较近，天线上的电流分布将互相受到影响，从而改变它们的输入阻抗，此时输入阻抗将包括自阻抗与互阻抗两部分，设有天线1 与天线2，如图3所示，天线1 上的电流I1（z′）在天线2 输入端感应的开路电压为：

式中，EZ21是天线1 辐射到天线2 处而天线2 不存在时的电场Z分量；I2（z）是天线2 上的电流；I2是天线2 输入端的电流。天线1 上的电流在天线2 的输入端引起的互阻抗为：

式中，I1为天线1 输入端电流。

图3 天线的互耦合

天线孤立存在时的输入阻抗即自阻抗。天线周围存在其他天线时的输入阻抗等于自阻抗加互阻抗，就两组天线的情况而言：

式中，Z11，Z22是自阻抗，Z12，Z21是互阻抗。

天线1 的输入阻抗为：

天线2 的输入阻抗为：

式中，Z12=Z21。天线1 馈电而天线2 不馈电时，即U2=0，则有：

I2与I1反相，两天线在远区的场强是相抵消的，因而不能用这种方式工作。由于甚低频天线是电小天线，天线输入端一般均串入调谐电感线圈。若天线2 不馈电而是通过调谐线圈L2接地，则：

式中，ω为工作角频率。

将式（10）带入式（5）可得：

此处假设阻抗的实部远小于虚部，以及天线之间的对称性使Z11=Z22。式（13）说明当ωL2=-x11-x12时，两天线电流之幅度相等；而当ωL2减小到ωL2=-x11时，式（10）右边之分母达最小，因而最大。

1.2 一主一辅双调谐方法

通常多调谐天线的调谐过程较单调谐复杂一些，但实际中通常只有天线1 馈电，其他天线通过调谐线圈接地，则调谐相对简单，下面以一主一辅双调谐天线为例进行说明，其连接方式如图4所示。

图4 一主一辅双调谐工作模式示意图

双组天线同时调谐的目标是使两天线同时辐射相同的功率，即两天线根部电流幅度与相位近似相同。下面简要说明一主一辅双调谐的过程：

（1）将调谐亭2 的电感值调整到最大值位置；

（2）在天线1 总端口将发射机与天线阵进行调谐和匹配；

（3）观察两天线输入端之电流I1和I2；

2 一主一辅多调谐天线数值计算

理论公式的解析方法可以得到天线的变化规律，但具体实际的参数还需要数值仿真计算进行验证细化，下面采用一个简化的山谷型天线为例，分别计算单组单调谐天线与双组一主一辅多调谐天线的具体参数，并通过仿真模拟不同电抗加载量的情况下，计算出两组天线的电流分布状态，以验证其调谐过程，如图5所示。

图5 山谷型天线简化模型

使用FEKO 建立计算模型，模型由两组天线组成，每组天线均由两个Γ 型天线组成，天线安装在两座山之间，山体设置为土壤介质，土壤下铺设有地网线，在此情况下对各种状态进行计算。首先，计算单组天线的调谐状态，在计算时，另一组天线接地，可以得到两组天线的输入阻抗分别为1.35-j398 和1.73-j390；辐射效率分别为23.41%和18.25%，静态电容为15.4 nF 和15.7 nF。其次，对双调谐天线进行计算，根据前述的双调谐的过程，首先改变天线2 上的加载电抗，并对总端口进行匹配，监测天线2 与天线1 上的电流幅度比及相位差，同时监测天线1 与天线2 之间的高压馈线上的电流与天线1 上的电流幅度比，如图6～图8所示。

从图6～图8计算结果可以看出，仿真加载过程与上一节中理论分析的过程一致，且数值计算考虑了实际场地的情况，可作为实际调谐发射的参考。双调谐天线的输入阻抗为3.7-j403，辐射效率为35.48 %，静态电容为28.0 nF。

长波发射天线系统功率容量的计算公式为：

式中，Vt为天线顶端电晕电压（V）；Ca为天线静态电容（F）；he为天线的有效高度（m）；f为工作频率（Hz）；asη为天线系统效率（%）。

由于单组天线与两组双调谐天线的工作频率一致，有效高度基本一样；同时，处于同样的环境条件且顶容线线径一致的情况下，其电晕电压一致，因此其功率容量的差别主要在于静态电容和效率的差别。通过上面计算得到的结果可以得到，单组天线与双组双调谐天线的功率容量比为1：1.91。

图6 电流I2/I1 幅度比随加载电抗变化

图7 电流I2/I1 相位差随加载电抗变化

图8 高压馈线电流与天线1 电流幅度比随加载电抗变化

3 总结

本文介绍了多调谐模式常见的两种方式，并对多调谐天线的互耦效应进行了理论分析，提出多调谐天线的调谐思路，通过数值仿真计算对一主一辅的多调谐天线模型进行了调谐过程的分析计算，结果与理论分析相符合。研究表明文中提出的多调谐天线的调谐思路正确，同时增加天线组数有利于大幅提升天线功率容量，增大通信距离，为后续深入研究更复杂的多调谐做好了基础，并提供了方法及思路。