基于FEM的机载VLF单/双拖曳天线电磁辐射特性仿真

国家无线电监测中心频谱管理研究处 陈佳佳

一、引言

甚低频无线电一般用于对潜通信，通信的频率范围为3kHz～30kHz。机载甚低频（VLF）天线系统中，主要依靠拖曳天线发射信号。拖曳天线分为单拖曳天线和双拖曳天线，单拖曳天线由一条长天线组成，总长度为波长的一半；双拖曳天线（DTWA）由一条短天线（STWA）和一条长天线（LTWA）共同组成，长天线与发射机相连，短天线与机尾相连，长短天线总长度为波长的一半。发射机的功率在200kW。

国外Lennart Marin和J.Philip Castilio采用路的方法对机载VLF/LF双拖曳天线的宽带响应进行了分析；Bakry等人考虑了双拖曳天线的形状对天线阻抗变化影响和阻抗变换对高功率发射天线耦合能力的影响；D.Roger Kilgore和Dr.Samerh A.Mitry利用海军海洋系统中心（NOSC）的微数值电磁码（Mini-NEC）程序及麦克斯韦尔场方程的矩量法求解对传递函数进行了估算；国内海军工程大学的魏亮、柳超，海军702厂的吴笛等先后开展过基于MoM的双拖曳天线辐射特性的数值计算；目前还未见基于FEM的机载VLF单/双拖曳天线电磁特性仿真研究。因此，这方面的研究是有意义的。

二、机载甚低频单/双拖曳天线模型

本文考虑在自由空间简单飞行状态，即飞机作匀速直线运动，则长天线呈现斜线状态。为了使拖曳天线较好的发射信号，应保持长天线70%左右的垂直度。本文假设长天线的垂直度为67%，即长天线与水平面的夹角为60°（本文忽略天线的力学模型，不考虑天线的拉力等因素）。天线模型采用Bickel等人提供的一个拖曳天线模型，总长度为6438m，中心频率为23.3kHz，双拖曳天线中长天线为0.44λ，短天线为0.06λ。在仿真过程中适当加粗天线半径不影响天线的辐射特性。

1. 飞机模型

载机平台采用中型飞机模型总长40m左右。机头用锥形柱近似，机身用圆柱近似，机腹用锥形柱近似，机尾用细圆柱近似（见图1）。

图1 飞机模型

2. 机载甚低频单拖曳天线模型

采用单拖曳天线总长为6 4 3 8 m，中心频率f=23.3kHz，波长λ=12.876km。单拖曳天线与发射机相连，安装在机腹处。对于天线的建模采用人为的将天线截成64段，每段100m长，第65段为38m（见图2、图3）。

图2 机载VLF单拖曳天线模型

图3 机载VLF单拖曳天线模型侧视图

3. 机载甚低频双拖曳天线模型

采用双拖曳天线总长为6438m，长天线ll=0.44λ=5657m，短天线ls=0.06λ=781m，波长λ=12.876km，频率f=23.3kHz。长天线与发射机相连，呈斜线状态，安装在机腹处；短天线与机尾相连，呈水平状态。人为将长天线截成56段，每段100m长，第57段长57m，短天线截成7段，每段100m长，第8段81m（见图4、图5）。

图4 机载VLF双拖曳天线模型

图5 机载VLF双拖曳天线模型侧视图

三、仿真结果

在HFSS建立以上模型，发射机发射功率为200kW，仿真结果如下（见图6～图11）：

1. 机载VLF单拖曳天线电磁辐射特性

图6 机身网格剖分

图7 机身场强分布

图8 天线平面场强分布

图9 3D方向图

图10 水平平面方向图

图11 垂直平面方向图

机载单拖曳天线系统在未匹配条件下得到：

输入阻抗Z1=539.52-j5050.5 ；在23.3kHz下，天线的损耗电阻为51.4，因此天线的辐射效率η10=90.5%。

反射系数S1=0.99791＜-1.12，则发射机的输入效率为η1=1-|S1|2=0.02=2%

2. 机载VLF双拖曳天线电磁辐射特性

图12 机身网格剖分

图13 机身场强分布

图14 天线平面场强分布

图15 3D方向图

图16 水平平面方向图

图17 垂直平面方向图

机载双拖曳天线系统在未匹配条件下得到（见图12～图17）：

输入阻抗Z2=608.75-j206.71 ；在23.3kHz下，天线的损耗电阻为51.4，因此天线的辐射效率η20=91.6%。

反射系数S2=0.8629 -2.88，，则发射机的输入效率为η2=1-|S2|2=25.5%

四、结束语

从仿真结果看，机载双拖曳天线模型输入阻抗值|Z2|远小于机载单拖曳天线模型输入阻抗|Z1|，使得机载双拖曳天线在相同发射功率条件下能更好的向外辐射能量。在机载单拖曳天线模型中，反射系数S1≈0.99，发射机的输入效率（2%）很低；机载双拖曳天线模型中，反射系数S2≈0.86，发射机的输入效率（25.5%）有所提高。机载双拖曳天线模型优于机载单拖曳天线模型。但是机载双拖曳天线模型中，反射系数仍很高，使得发射机输入效率低，因此必须在发射机与天线之间建立良好的匹配，提高输入效率。因机载双拖曳天线模型输入阻抗值|Z2|远小于机载单拖曳天线模型输入阻抗|Z1|，机载双拖曳天线的匹配网络比机载单拖曳天线的匹配网络更容易建立。

见www.dcw.org.cn