黃金輝，李 斌，柳 超，嚴(yán)亞龍

（1.海參信息通信局，北京 100841；2.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

甚低頻（VLF）無線通信的主要工作頻率范圍為15～30 kHz[1]。甚低頻發(fā)射天線盡管結(jié)構(gòu)龐大，但仍屬電小天線[2-3]，因此天線的輻射效率較低。為了進(jìn)一步提高天線的輻射性能，在單極子直立天線的頂端加一個(gè)（或數(shù)個(gè)）對稱或非對稱、水平終端開路的頂線[4]，以改善發(fā)射天線直立部分的電流分布，降低天線的輸入容抗，提高天線的輻射性能。一般來說，為了支撐帶有大型線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加頂甚低頻發(fā)射天線，往往需要采用支撐塔、拉線等結(jié)構(gòu)[5]。在天線輻射體與這些支撐結(jié)構(gòu)相連處（如頂容線末端與接地邊塔連接處），為了防止天線上的電流回流到地，通常需要使用絕緣子在這些連接點(diǎn)進(jìn)行絕緣處理[6]。因此，確定絕緣子的耐壓程度是甚低頻發(fā)射天線設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

實(shí)際甚低頻發(fā)射天線，除根部饋電點(diǎn)處的電壓相對易于計(jì)算和測量外，天線上其他部位的電壓既不易于計(jì)算也很難進(jìn)行測量?？梢哉f，目前還沒有一種行之有效的方法可對甚低頻發(fā)射天線的電壓分布進(jìn)行精確的測量和計(jì)算。本文擬提出一種利用縮比模型計(jì)算甚低頻天線電壓分布的方法，采用輔助導(dǎo)線和高阻負(fù)載獲取天線頂線和塔體上的電壓分布，旨在得出天線導(dǎo)線上的電壓分布規(guī)律，為設(shè)計(jì)實(shí)際甚低頻發(fā)射天線縮比模型天線導(dǎo)線和絕緣子的耐壓選擇提供依據(jù)。

1 電壓分布的求解方法

傳統(tǒng)求解天線電氣性能的電磁仿真軟件能直接給出天線的電流分布，但是無法給出電壓分布。因此，為了對傘形天線電壓分布規(guī)律進(jìn)行研究，本節(jié)討論一種天線電壓計(jì)算方法，以獲得該天線陣不同位置處的電壓。

1.1 計(jì)算方法分析

通過建立不同的計(jì)算模型，即在天線陣不同位置處添加負(fù)載，讀取負(fù)載上的電壓來實(shí)現(xiàn)天線上不同位置電壓的計(jì)算。具體地，利用輔助導(dǎo)線和高阻負(fù)載建立了三種不同的天線上預(yù)設(shè)計(jì)算點(diǎn)電壓的計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 三種直立天線電壓計(jì)算模型

模型一：如圖1（a）所示。設(shè)置縮比模型天線的高度為1.0 m，導(dǎo)線從距離天線根部0.4 m處的待測點(diǎn)引出并接地。根據(jù)該傘形天線的實(shí)際物理模型，接地點(diǎn)設(shè)置在距離天線0.3 m處。在平行于地面的導(dǎo)線中點(diǎn)創(chuàng)建計(jì)算端口，添加阻抗為1×1012 Ω的負(fù)載。因?yàn)閷?dǎo)線與天線的連接點(diǎn)同負(fù)載之間通過一條理想導(dǎo)體連接，可以近似認(rèn)為負(fù)載的電壓和待測點(diǎn)電壓相等。導(dǎo)線材質(zhì)設(shè)置為理想導(dǎo)體。

模型二：如圖1（b）所示。在垂直于地面的導(dǎo)線中點(diǎn)創(chuàng)建計(jì)算端口，其他條件同模型一。

模型三：如圖1（c）所示。在導(dǎo)線中點(diǎn)創(chuàng)建計(jì)算端口并添加負(fù)載，其他條件同模型一。

激勵(lì)源輸出電壓設(shè)定為10 V，工作頻率為8 MHz。對三種模型進(jìn)行仿真，得到的電壓值見表1。

表1 三種計(jì)算模型的天線電壓計(jì)算值對比

由表1可知，三種模型的端口計(jì)算電壓基本相同，說明不同的輔助導(dǎo)線連接方式對天線上電壓計(jì)算值影響不大。其中，采用模型三進(jìn)行天線電壓計(jì)算時(shí)，其計(jì)算值最小，更為簡便。本文后續(xù)仿真中均采用模型三所示的電壓計(jì)算模型。

英國遠(yuǎn)征軍1914年8月開赴法國時(shí)僅有827輛汽車（包括747輛征用的車）和25輛摩托車，到戰(zhàn)爭結(jié)束前幾個(gè)月，英國陸軍車輛達(dá)到了5.6萬輛卡車、2.3萬輛汽車、3.4萬輛摩托車和機(jī)動(dòng)腳踏車。此外，1917年4月，參戰(zhàn)的美國帶到法國5萬輛汽油驅(qū)動(dòng)車。這些車輛根據(jù)部隊(duì)的需要，將部隊(duì)和補(bǔ)給從一地迅速運(yùn)到另一地。而德國占據(jù)優(yōu)勢的火車因?yàn)槿狈C(jī)動(dòng)性，在戰(zhàn)爭中漸漸失去優(yōu)勢。

1.2 模型三的計(jì)算方法優(yōu)化

根據(jù)圖2，當(dāng)負(fù)載連接在輔助導(dǎo)線的中部時(shí)，導(dǎo)線前段的電流依然較大，對天線依然存在較大的影響。因此，提出了一種改進(jìn)模型如圖3所示，其電流分布如圖4所示。

相對于模型三，改進(jìn)后的模型中，輔助導(dǎo)線上整段電流都非常小，故對天線的影響也減小。利用此模型更改待算點(diǎn)與高阻負(fù)載連接點(diǎn)的位置，并讀取該負(fù)載上的電壓得到傘形天線上各處的電壓值，從而得到天線陣的電壓分布規(guī)律。

圖2 模型三的電流分布

圖3 模型三的改進(jìn)

圖4 模型三改進(jìn)的電流分布

2 電壓分布的仿真計(jì)算

參考傳輸線的電壓分布理論，分別研究頂容線、地網(wǎng)、拉線及邊塔對傘形天線電壓分布的影響，并對甚低頻十三塔傘形天線進(jìn)行建模，仿真該天線中心塔、頂線、圍線以及拉線絕緣子上的電壓分布。

2.1 傳輸線上的電壓分布理論

目前，公開發(fā)表的關(guān)于復(fù)雜線網(wǎng)結(jié)構(gòu)天線電壓分布研究的文獻(xiàn)幾乎沒有。國外O.ZINKET于1953年基于傳輸線理論提出了對稱振子天線電壓分布的計(jì)算方法[8]，并給出了一個(gè)電壓分布計(jì)算公式[9]：

式中，L為天線長度的一半；lv為端板等效的等效長度；z為位置變量，表示沿天線表面離開天線對稱面的距離；λ為工作波長；Rr為天線輻射電阻；Z0為天線特性阻抗，Z0=120 Ω。

設(shè)置頻率為10 MHz，天線長為7.5 m（即1/4波長），得到電壓分布計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 1/4波長傳輸線的電壓分布情況

由圖5可以看出，在1/4波長范圍內(nèi)，天線的電壓是逐漸增大的。然而，實(shí)際情況中，甚低頻發(fā)射天線結(jié)構(gòu)不同于傳輸線，且會(huì)受到地面、支撐塔和拉線等因素的影響。因此，甚低頻發(fā)射天線的電壓分布并不能簡單按照表達(dá)式（1）計(jì)算。

2.2 傘形天線縮比模型的電壓分布

參照美國卡特勒傘形天線的結(jié)構(gòu)[10]，建立1:400縮比模型天線仿真計(jì)算模型，如圖6所示。該天線由1座高為0.725 m的中心塔、12座邊塔、6片菱形天線幕以及地網(wǎng)系統(tǒng)組成。統(tǒng)一設(shè)置饋源激勵(lì)電壓10 V，工作頻率7.2 MHz，分別對天線模型的中心塔、頂線、圍線上的電壓分布進(jìn)行計(jì)算。

圖6 十三塔傘形天線縮比模型

2.2.1 天線中心塔電壓分布規(guī)律

該傘形天線的模型天線中心塔電壓分布的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。可以看出，除饋電點(diǎn)附近外（0～0.1 m），隨著天線離地高度的升高，各點(diǎn)處的電壓也會(huì)升高。

圖7 傘形天線中心塔電壓分布

2.2.2 天線頂線電壓分布規(guī)律

在天線幕上選取兩根頂容線，一根最長的頂線B1和一根最短的頂線D3。在每一根頂容線上由內(nèi)向外側(cè)取均勻分布的20個(gè)點(diǎn)（依次編號為1至20號)計(jì)算電壓，得到頂容線的電壓分布如圖8所示。

圖8 傘形天線頂容線電壓分布

由圖8可以看出，越靠近外端，頂線上的電壓越高；且長頂線的電壓高于短頂線的電壓，這是由于長頂線位于三角形天線幕的邊緣。

2.2.3 天線圍線電壓分布規(guī)律

分別選取長度最長和最短的兩條頂線所連接的兩條圍線W2和W4，在每條圍線上取均勻分布的25個(gè)點(diǎn)計(jì)算電壓，計(jì)算得到圍線電壓分布如圖9所示?？梢钥闯觯瑖€末端的電壓分布明顯高于圍線中間的電壓分布。由于圍線末端通常通過絕緣子與接地邊塔相連，因此圍線末端電壓的計(jì)算對天線圍線絕緣子的耐壓設(shè)計(jì)具有重要意義。

圖9 傘形天線幕圍線電壓分布

3 結(jié) 語

本文以甚低頻傘形天線為主要研究對象，利用基于矩量法的電磁場數(shù)值計(jì)算軟件FEKO對其1:400縮比模型天線進(jìn)行建模仿真。首先對天線模型電壓分析的計(jì)算方法進(jìn)行對比及改進(jìn)，其次對建立的七塔傘形天線模型進(jìn)行電壓分布計(jì)算，最后分析該天線的電壓分布規(guī)律。結(jié)果表明：在中心塔上，除饋電點(diǎn)附近外，隨測量位置高度的升高，電壓也升高；頂線上，越靠近外端，頂線上的電壓越高，且長頂線的電壓高于短頂線的電壓；在一條圍線上，其末端的電壓分布明顯高于中間的電壓分布。