T 型甚低频发信天线辐射效率分析

胡速谋，李 亮，丁作亚

（中国人民解放军91033 部队，山东 青岛 266000）

潜艇作为我国海军一支重要作战力量，在水下作战中具有隐蔽性和突击性的特点，因此保持其水下及时有效的通信，直接关系着潜艇威慑力、生存力和战斗力。甚低频通信是指工作频率在3～30 kHz 无线电磁波通信，在海水中衰减比较小、稳定性好、穿透能力强等特点，是各国海军目前实施对潜通信的重要手段。甚低频发信系统包括甚低频发信终端机、甚低频激励器、甚低频发信机和甚低频发信天线。其中甚低频发信天线是甚低频发信系统的重要组成部分，直接影响着甚低频信号的传播。岸基甚低频发信天线通常架设在两山山谷之间或者由铁塔支撑起的大型发射天线，采用都是Τ 型、Γ 型和伞型天线形式。如美国缅因州卡特勒天线采用的就是十三塔伞形天线的形式，天线辐射效率高达74.9%，澳大利亚西北角的NWC 天线效率更是达到82.4%。它们都是一种加顶的直立天线，相比于垂直架设地面的直立天线，加顶后的天线，天线辐射效率得到很大改善，基本满足潜艇水下通信的需求。本文以T 型天线为例，研究分析了影响天线辐射效率的几种因素和提高天线辐射效率办法，为后续甚低频发信系统的维护提供了理论支撑。

1 甚低频发信天线的形式和基本构成

甚低频无线电波波长在10～100 km 之间，由于天线架设高度不可能和波长相比拟，若采用水平悬挂天线，受地面负镜像作用，天线辐射能力很弱，水平天线激励水平极化波，当波沿地面传播时衰减很大。因此，要求甚低频发信天线采用垂直于地面架设的加顶直立天线形式，辐射垂直极化波，衰减较小。

以某台T 型天线为例（图1）。天线架设在200-400 m高的天线塔或几百米高的山峰上，由几组Τ 型天线阵列组成，天线顶端拉线（也称顶容线）长度超过1 km，天线顶端垂直下引线的高度超过200 m，下引线是天线的主要辐射体。天线体积庞大，占地面积广，有几平方公里到十几平方公里，天线正下方都铺设大规模地网，改善土壤电导率。尽管天线结构庞大，但它仍是电小天线，损耗电阻大，因此需要对天线输入信号进行调谐。信号经过调谐亭调谐后再经过高压馈笼发送到天线中。天线调谐设备庞大，常建有专门的调谐亭，调谐亭设备主要包括延长线圈、缩短电容、微调线圈和泄放阻流器等。

图1 某台T 型天线的天线幕和地网

2 影响甚低频发信天线辐射效率的因素

天线的效率是指天线辐射效率Pr 与天线输入功率Pai 之比。由于甚低频天线是个电小天线，与电尺寸大的天线不同，电小天线是和配谐电路紧密相连的，一个电小天线效率的高低不仅要看天线本身的损耗，也要考虑调谐电路的损耗。它的等效电路可以用集总参数的电感、电容和电阻表示，如图2 所示。

图2 甚低频发射系统等效电路

图中Re为发射机等效内阻，La为天线调谐电感，Ras为线圈损耗电阻，天线等效为静态电容Co、等效电感Lo及辐射电阻Rr相串联，Rg为天线的损耗。当发射机工作在载频时，由于天线系统调谐于载频，天线系统与发射机处于匹配状态，信号能量从发射机出去后，不会有能量返回。此时天线系统的效率可以表示为：

由上式可以得出，提高天线辐射效率的途径有：一是提高天线的辐射电阻Rr；二是减小天线调谐的损耗Ras；三是减小天线的损耗Rg。此外，甚低频发射天线辐射效率也与发射功率、自然天电噪声和周边电磁环境等因素有关。

3 提高天线辐射效率的途径

3.1 增加天线的有效高度h

甚低频天线的高度决定了天线辐射电阻Rr的大小。机载拖曳天线高度很高，其长度大概是甚低频波长的四分之一，辐射效率高。但由于岸基甚低频发信天线采用垂直于地面架设的直立天线形式。天线架设高度不可能与波长相比拟，天线高度架设通常在200 m 左右，由几组天线阵列组成，天线辐射电阻小，损耗电阻大，输入容抗大。要想不改变天线的几何高度条件下，增大辐射电阻，唯一的办法是提高天线的有效高度（图3）。直立天线上电流分布近似线性，天线顶端电流近似为零，其电高度约等于实际高度的一半。所以为了增大天线辐射效率，就要设法提高天线有效高度。通常采用的办法就是在直立天线顶部加一根或几根水平或倾斜的导线，形成天线帐，我们称之为顶容线。这样就构成了Τ 型、Γ 型和伞型天线，加顶后的天线使垂直线段的下引线电流的分布比较均匀，提高了天线的有效高度，改善了天线的性能。天线顶负载的主要作用如下：

图3 加顶后的天线有效高度

（1）提高了辐射电阻，降低了调谐线圈的损耗电阻，因而提高了天线系统的效率。

（2）降低了天线的输入容抗，从而降低了天线回路的Q 值，提高了天线系统的带宽。

（3）降低了天线的输入容抗，从而使天线上的电压降低了，增大了天线的功率容量。

3.2 减小地面损耗Rg

天线的损耗，主要来自地损耗Rg。地损耗一般认为是位移电流从天线经地面流入地线系统时产生的电流损耗和垂直下引线电流在近区切向磁场在地面感应的朝天线下引线方向流动的电流产生的磁场损耗之和。为了减小地面损耗，提高天线的辐射效率，最有效的办法就是在天线正下方铺设接地导线的地网，改善地面的电导率。如表1 为不同土壤电导率时低损耗电阻。。

表1 不同土壤电导率时地损耗电阻（f=20 kHz，h′=0.3 m，d=10 m，h=200 m）

地网敷设依据地形，采取埋地或者架空方中心向外辐射或者平行辐射铜线，地网敷设应覆盖整个天线的辐射区。天线地网系统通常由三个部分组成：高压馈笼地网区、调谐亭辐状地网区和顶容线地网区。因大地电流主要集中在地面附近，因此地网埋地深度不需太深，大概在0.2～0.5 m 之间，导线直径约为3 mm，长度约为半个波长。地网区内所有导线焊接应保持良好的电气接触，对埋地地网焊接部位还应涂覆沥青进行防腐。为了使大地电流汇流到地网中去，在调谐亭附近，地网密集区以及地网边缘汇流母线附近通常还设置接地井。接地井内设有接地体，接地体就近与地网相连。为提高接地体周围土壤电导率，接地井需采取填充长效降阻剂等人工处理措施，在无降阻剂，一般都以木炭、煤渣和食盐为材料，降低了地的损耗电阻。

3.3 减小天线的调谐损耗Ras

在甚低频频段，天线高度由于受到限制，甚低频发信天线是电小天线，天线主要损耗除了来自地损耗Rg外，还存在调谐损耗Ras。电小天线的辐射电阻小，输入容抗大，损耗电阻很大，天线要进行调谐必须用电感元件，而电感元件会引入较大的损耗。一个性能优良的调谐电感Q 值一般为1 500 左右，因此该天线调谐线圈的损耗电阻约为Rl=8.12 Ω，远远大于天线的辐射电阻Rr=0.18 Ω。而天线的顶负载降低了天线的输入容抗，从而使天线回路所需的调谐电感量减少，在电感Q 值一定的情况下，使电感线圈的损耗减少，因此提高了天线的辐射效率。

在甚低频发信系统中，为使甚低频天线回路在整个波段内均可调谐，通常得引入电感和电容来平衡天线的静电容（静电感），使天线获得足够大的输出功率，减小天线的调谐损耗Ras。而调谐亭的作用就在于此。调谐亭设备庞大，主要包括可延长线圈、缩短电容、泄放阻流器和天线微调线圈等设备组成。调谐亭的整个内壁采用紫铜体等良导体屏蔽，屏蔽壳接缝处焊接良好，以减少屏蔽壳中产生的涡流在线圈中引起的反射电阻损耗。为了避免磁通过分集中，调谐亭内线圈与屏蔽外壳之间的间隙至少要等于线圈的直径，从而保证线圈的电感量和Q 值不会减少很多，以达到天线匹配要求。

4 结束语

胜由信息通。甚低频通信对我国海军对潜通信具有独特的重要作用，甚低频发信天线作为甚低频发信系统的重要组成部分，直接影响水下潜艇能否稳定可靠的接收信息，关系着潜艇作战的成败。但是由于岸基甚低频发信天线高度无法与天线波长相比拟，因此通常采用加顶直立天线形式、铺设大规模地网，改善土壤电导率、引入电容电感调谐等措施提高天线的辐射效率。文章分析了影响天线辐射效率的几种因素，对提高天线辐射效率方法进行了介绍，为后续甚低频发信系统维护提供了有力的理论支撑。当然，甚低频天线辐射效率还受到自然界雷暴活动产生的电磁辐射及周边地形地貌和电磁环境等因素影响，这也是我们在甚低频发信中应该考虑的问题。