用于雷电测向的三磁环天线设计和研究

胡 淼 张子石 章越峰 许蒙蒙 周雪芳 沈成竹

①(杭州电子科技大学通信工程学院 杭州 310018)

②(中国移动通信集团浙江有限公司杭州分公司 杭州 310018)

1 引言

雷电是一种发生在大气中的天气现象，发生时会产生瞬态大电流、高电压和强电磁脉冲辐射等[1]。根据卫星监测和气象部门的数据统计，全球每秒大约有2000 多个雷电发生[2]。近年来，由于电子、通信设备发展迅速，导致雷电灾害由以往的森林火灾和人员伤亡形式逐渐转向对电子设备以及大型通讯网络设备的干扰与破坏，对军事、铁路、航天航空等领域造成严重影响。因此开展雷电探测研究，提供雷电预警，对防雷减灾的工作具有十分重要的指导意义[3–6]。直至今日，人类对雷电探测技术的研究已经发展了200多年，从20世纪20年代起，美国开始研究利用磁环天线来对雷电位置进行精确探测，成为雷电探测技术发展史上的一个里程碑，代表了雷电探测技术逐渐走向成熟[7–11]。

目前雷电定位系统(Lightning Location System，LLS)主要采用正交磁环天线(Orthogonal Magnetic Loop Antenna， OMLA)作为核心探测器件[12]。为提高测向精度，以往对OMLA的研究多注重于减小其测向角度误差，如对由雷电回击通道和地面不垂直造成的极化误差研究[13]、由雷电测向设备附近地形地势造成的场地误差研究[14]、由天线磁环非正交性造成的误差研究[15]以及OMLA自身结构误差的研究等[16]，而对采用新型磁环天线结构设计提高天线测向精度的研究则相对较少。随着LLS探测精度要求的不断提高，采用正交磁环天线探测雷电方向的测量精度达到瓶颈。具体而言，在排除外界条件造成天线的测角误差后，虽然可以通过引入修正矩阵来降低磁环的非正交性误差[15]，或引入补偿系数来矫正正交磁环天线的一致性误差[16]，在一定程度上提高测向精度，但经矫正后的正交磁环天线仍存在一定的结构误差角，导致测角误差随雷电方向角呈波浪形变化。即当雷电信号方向平行于其中一个磁环时，测角误差达到最大，最大值约等于天线结构误差角的值。因此研究如何设计新型磁环天线结构以减轻结构误差角对测角的影响，对于提升雷电测向精度具有一定的意义。

本文提出一种由3个磁环两两呈60°组成的新型三环天线，由于其特殊结构，可以有效降低结构误差角对测角的影响，提高天线测向精度。首先根据三磁环天线特殊结构推导了低频信号情况下三环天线的测角公式，建立了结构误差角与测角误差的仿真模型；然后通过实验比对三环天线与同尺寸正交磁环天线测角精度。本文最后部分给出分析结论。

2 三磁环天线结构及测向原理

雷电与地面的回击通道可以被看作一个垂直的电偶极子，当地面为理想导体时，雷电电磁脉冲仅激发横磁波[17]。三磁环天线结构如图1所示，假设H为垂直地面的闪电回击通道，3个磁环两两呈60°组成天线来进行雷电源方位角的探测，中轴线O与回击通道H平行。

图1 三磁环天线结构示意图

3 三磁环天线测角误差仿真

为验证三磁环天线结构误差角对测角误差的影响，建立测角误差关于结构误差角的仿真模型。结构误差角由天线磁环夹角不理想造成，理论上天线的3个磁环保持两两呈60°，但实际情况下由于加工、磁环扭曲等问题，使得磁环间存在等效结构误差角σ。首先推导只有单个磁环存在结构误差角的特殊情况时测角误差计算式，进而拓展到一般情况。如图2所示，设A环准确东西摆放，角度自西向东逆时针由–180°～180°递进。C环准确朝向120°，B环与理想方向60°之间的夹角σ即为等效结构误差角。式(3)

图2 单磁环结构误差角示意图

定得义到雷的电计来算向角与度正为东θ′。方根向据实几际何夹关角系为，θ，理通想

过情况下B环感应电动势EB′与实际情况下感应电动势EB的比值为

图3 三磁环天线测角误差趋势图

图4 两磁环结构误差角示意图

图5 三磁环天线测角误差趋势图

4 三磁环天线测向误差实验

以下通过对照实验对比三磁环天线与同尺寸正交磁环天线测角精度。实验选取半径为7.5 cm的磁环，根据关于雷电测向的正交磁环天线的接特性研究[18]，可确定该磁环天线在最佳接收效益时的线圈匝数为60匝。设计参数如表1所示的三磁环天线，实物如图7所示。

图7 三磁环天线实物图

表1 磁环天线参数

利用信号发生器产生200 kHz的正弦信号，示波器连接信号发射线圈，发射线圈匝数为30匝，半径为40 cm，面积远大于天线线圈。将天线固定在位于发射线圈正前方10 cm的转台上，通过转动天线来改变信号方向角。将天线3个磁环分别接入终端阻抗为1 MΩ、耦合方式为直流的MDO-3052型数字示波器的3个通道，记录天线各磁环的响应电压。

图6 正交磁环天线测角误差趋势图

由图8可知，相比于正交磁环天线，采用三磁环天线对信号源进行方位角探测的测角误差显著降低，整体误差降低约50%。进一步分析，正交磁环天线测角误差峰值分布在 ±90°附近，误差峰值约为3°；三磁环天线的误差角度峰值分布在 ±120°和±60°附近，误差峰值约为1°，结合第3节仿真可知三磁环天线两结构误差角σ1，σ2为异号，测角误差变化趋势与仿真结果基本相符。

图8 两种天线测角误差对比图

5 结论

本文分析了正交磁环天线由于结构误差角造成的测角误差较大的问题，提出一种改进的三磁环天线，该天线通过两两呈60°的磁环进行测向。通过建立测角误差仿真模型分析了三磁环天线测角误差优化效果，对比实验表明，在同等制作工艺下，相较于正交磁环天线，三磁环天线测角误差整体降低约50%，提高了测向精度。