地网对短波对数周期天线效率影响计算∗

陈水清 王健辉 马银珠

（1.中国人民解放军92665部队 张家界 427200）（2.外交部通信总台 北京 100016）（3.成都西成科技有限责任公司 成都 610031）

1 引言

短波电波频率较低（3MHz～30MHz），主要利用天波传播，具有不需中继站即可实现远距离通信、抗毁能力强、设备简单等优点，至今仍然被广泛应用。由于天波传播中存在各类衰减、损耗等，为了保证短波通信效果，通常采取两种方式：一种方式是提高短波发射机的输出功率；另一种方式是提高短波天线的辐射效率。目前，短波发射机的输出功率可达到30kW，在短期内很难大幅度提高，因此提高短波天线的辐射效率成了首要选择。短波天线辐射效率的定义为辐射电阻与输入电阻之比，其中辐射电阻是短波天线本身的一种特性，与其结构形式密切相关；输入电阻是辐射电阻与损耗电阻之和；也就是说，对于某一类型的短波天线，可以通过减小其损耗电阻，来提高辐射效率。

通过运用电磁场仿真分析软件FEKO对不同形状地网的短波对数周期天线进行仿真，研究地网形状对损耗电阻的影响并进行分析。基于建立的不同地网形状的短波对数周期天线模型，进一步计算出天线的辐射效率，根据计算数据对地网形状进行分组对比，从中筛选出性能优越的地网形状。

2 地网形状对短波天线效率的影响

短波天线的程式有很多种，如对数周期天线、双极天线、鞭状天线等，本文主要研究地网形状对短波对数周期天线辐射效率的影响。对数周期天线由若干振子，这些振子并不全部直接参与辐射，真正的辐射体只是其中的一小部分，其余振子起到加载和匹配的作用，改善振子上的电流分布，确保天线本身的电性能参数。

在短波对数周期天线振子数量和长度相同的条件下，计算出天线在不同地网形状上的损耗电阻、辐射电阻等参数，从而研究地网形状对短波对数周期天线辐射效率的影响，找到最优的地网形状。

2.1 辐射状地网对短波对数周期天线效率的影响

铺设不同角度间隔的辐射状地网，其主要结构参数见表1。使用FEKO软件建立短波对数周期天线和辐射状地网的仿真模型，其中天线的中心频率取15MHz，主要结构参数：高度20m、最长振子18m、振子总数18对、横梁长度15m。

表1 辐射状地网结构参数表

对上述的九类仿真模型分别进行仿真，计算出不同尺寸的辐射状地网对短波对数周期天线辐射效率的影响，主要仿真计算数据见表2。

表2 不同角度间隔辐射状地网对短波对数周期天线辐射效率的影响

绘制短波对数周期天线辐射效率与不同角度间隔辐射状地网之间的曲线图，研究分析辐射状地网角度间隔对天线辐射效率的影响。

通过仿真结果（表2、图1）可以看出，短波对数周期天线在理想地面上时，其辐射效率最高，并且远高于辐射状地网的最大辐射效率，但在实际中不存在理想地面。在仿真的八种角度间隔的辐射状地网中，当辐射状地网相邻两根导线的角度为2°时，短波对数周期天线的辐射效率最高，达到83.33%；当辐射状地网相邻两根导线的角度小于2°或大于2°时，短波对数周期天线的辐射效率逐渐减小。

图1 对数周期天线辐射效率与辐射状地网角度间隔的关系曲线

2.2 矩形状地网对短波对数周期天线效率的影响

铺设不同尺寸间隔的矩形状地网，矩形状地网的外形尺寸为48m×48m，相邻两根导线的间隔分别取4m、8m、12m、16m、20m，使用FEKO软件建立短波对数周期天线和矩形状地网的仿真模型，其中短波对数周期天线的模型与上述天线模型一致。

对上述的五类仿真模型分别进行仿真，计算出不同尺寸的矩形状地网对短波对数周期天线辐射效率的影响，主要仿真计算数据见表3。

表3 不同尺寸间隔矩形状地网对短波对数周期天线效率的影响

绘制短波对数周期天线辐射效率与不同尺寸间隔矩形状地网之间的曲线图，研究分析矩形状地网尺寸间隔对天线辐射效率的影响。

通过仿真结果（表3、图2）可以看出，短波对数周期天线在理想地面上时，其辐射效率最高，并且远远高于矩形状地网的最大辐射效率，但在实际中不存在理想地面。在仿真的五种尺寸间隔的矩形状地网中，短波对数周期天线的辐射效率比较稳定，最大辐射效率和最小辐射效率的差值不超过1%，但辐射效率普遍较低，最高的辐射效率也才18.04%；与外形尺寸相当的辐射状地网相比，短波对数周期天线在矩形状地网上的辐射效率，约为在辐射状地网上辐射效率的四分之一，因此铺设矩形状地网将严重制约短波对数周期天线的性能，带来不必要的损耗，矩形状地网方式不可取。

图2 对数周期天线辐射效率与矩形状地网尺寸间隔的关系曲线

2.3 辐射状地网增加回流环后对短波对数周期天线效率的影响

铺设角度间隔为4.5°、半径为20m的辐射状地网，在此基础上分别增加1个（半径20m）、2个（半径10m）、3个（半径6.7m）、4个（半径5m）回流环，使用FEKO软件建立短波对数周期天线和辐射状地网增加回流环的仿真模型，其中短波对数周期天线的模型与上述天线模型一致。

对上述的四类仿真模型分别进行仿真，计算出辐射状地网增加不同个数回流环后对短波对数周期天线辐射效率的影响，主要仿真计算数据见表4。

表4 辐射状地网增加回流环后对短波对数周期天线效率的影响

绘制短波对数周期天线辐射效率与辐射状地网增加回流环后的曲线图，研究分析辐射状地网增加回流环对天线辐射效率的影响。

通过仿真结果（表4、图3）可以看出，短波对数周期天线在理想地面上时，其辐射效率最高，并且远高于辐射状地网增加回流环方式的最大辐射效率，但在实际中不存在理想地面。在仿真的四种不同个数的回流环中，短波对数周期天线的辐射效率比较稳定；与同尺寸不加回流的辐射状地网相比，对数周期天线的辐射效率略有提高，但其提高的幅度不明显。

图3 对数周期天线效率与辐射状地网增加回流环后的关系曲线

3 结语

通过对三种形状地网的研究分析发现，短波对数周期天线的辐射效率按辐射状地网加回流环方式、辐射状地网方式、矩形状地网方式的顺序依次降低，其中短波对数周期天线在矩形状地网上的辐射效率最低（约18%），仅为在辐射状地网上辐射效率的四分之一左右，因此铺设矩形状地网的方法不可取。在辐射状地网上增加回流环的方式，使短波对数周期天线的辐射效率提高幅度不大，加之在工程实施时，增加回流环方式的施工难度相对较大，并且回流环的个数越多，其施工难度越大，因此可只考虑辐射状地网的方式。根据仿真结果，初步估计辐射状地网的最优角度间隔在2°左右时，可使对数周期天线的辐射效率最大，由于本文所取的辐射状地网角度间隔为0.5°，因此仍可采用夹逼法对最优角度间隔进一步的仿真。