甚低频伞形天线的电气性能研究*

孙胜利　李云红

(1.92325部队　大同　037000)(2.海军工程大学电子工程学院　武汉　430033)

甚低频伞形天线的电气性能研究*

孙胜利1李云红2

(1.92325部队大同037000)(2.海军工程大学电子工程学院武汉430033)

摘要论文通过运用电磁场仿真分析软件FEKO对甚低频伞形发信天线进行仿真，并对天线进行了一些电气特性的计算与分析。通过对伞形天线的顶臂向下偏折角度进行改变以创建新的模型，从而找出天线电气性能的变化规律。对仿真数据进行分析对比后发现：理想地网情况下，当甚低频伞形天线顶臂向下偏折的角度不断增加时，相当于减小了天线的有效长度，故天线的辐射电阻减小，输入电阻减小，天线系统效率也减小。

关键词甚低频; 伞形天线; FEKO仿真; 天线电气性能

Class NumberTN95

1引言

对水下潜艇进行通信时，主要采用的就是甚低频通信台站，甚低频通信采用的主要研究方式是传统的研究方法和数值计算的方法。传统的研究方法主要是在设计建造前先按照一定比例建立比实际天线尺寸小的天线模型，测量并计算出天线的有效高度、有效辐射电阻、静态电容、天线的系统效率等电气性能参数，通过不断地对天线结构参数进行调试与检测，最终达到最佳的性能指标。随着计算机技术的不断成熟，数值计算法也得到了深入的发展和广泛的应用。数值计算方法主要是通过计算机运用矩量法对实际的天线环境进行数值仿真计算从而得到天线的输入电阻、辐射电阻、方向图等相关电气性能参数[1]。FEKO就是一种基于矩量法的电磁仿真软件，本文就是利用该软件进行甚低频天线的建模仿真和计算分析。

2伞形天线顶臂向下偏折角度对天线电气性能的影响

因为大多数甚低频垂直天线的电高度都很小，所以天线顶端电流接近于零[2]，线上的垂直电流分布近似为直线分布，天线的有效高度只有实际高度的一半。一般需要对甚低频天线进行加载，直立天线加了顶负载后相当于增加了天线顶端与大地之间的电容，使垂直线段的电流分布比较均匀，天线顶端电流不再近似为零，从而提高了天线的有效高度。甚低频天线的顶容线就是甚低频天线的顶负载，通常情况下就是直立天线顶端的一根或数根水平导线，其中的一种形式就是伞形天线，基本结构如图1所示。

图1　伞形天线示意图

2.1伞形天线顶臂向下偏折角度对辐射电阻的影响

通过FEKO6.0软件，建立伞形天线的仿真模型[3～6]，天线高a分别为200m和300m，工作频率为f=20kHz,其顶负载为每10°一根，共36根，模拟理想地面情况[7～9]。表1、2为顶臂长b一定时，在改变该伞形天线顶臂向下偏折角度c的情况下仿真计算得出的天线辐射电阻。

表1　顶臂不同偏折角度情况下的辐射电阻

表2　顶臂不同偏折角度情况下的辐射电阻

由表1和表2可以看出，天线高度一定，顶臂长度一定时，伞形天线的辐射电阻随着天线顶臂向下偏折角度的增加而减小。同时由表1、表2也可以看出，在顶臂平行于地面时，若增加顶臂长度，天线辐射电阻相应增加；当顶臂向下偏折一定角度时，若天线顶臂长度增加，辐射电阻反而减小。

2.2伞形天线顶臂向下偏折角度对输入电阻的影响

通过FEKO软件，建立仿真模型，伞形天线高为200m，工作频率为f=20kHz,其顶负载为每10°一根，共36根，铺设每10°一根共36根半径为R=200+b的辐射状地网[10～11]，模型如图2所示。

图2　伞形天线加地网情况模型图

表3为该伞形天线顶臂长b一定时，在改变天线顶臂向下偏折角度c的情况下仿真计算得出的天线输入电阻。

表3　顶臂不同偏折角度情况下的输入电阻

由表3可以看出，当伞形天线高度与顶臂长度一定时，伞形天线的输入电阻随着天线顶臂向下偏折角度的增加而减小。

2.3伞形天线顶臂向下偏折角度对天线效率的影响

一般来说，在实际情况下，甚低频发信天线的损耗电阻包含地损耗电阻、天线等效串联介电电阻、天线导线损耗电阻以及支撑系统的等效串联损耗电阻，因此输入天线的实功率并不能全部地转换成电磁波能量。可以用天线效率来表示这种能量转换的有效程度。若要提高天线效率，必须尽可能地减小损耗电阻和提高辐射电阻。表4为伞形天线高度为200m，顶负载为每10°一根共36根，铺设每10度一根共36根的地网，地网半径R=b+200，伞形天线顶臂向下偏折不同角度情况下的天线效率。

表4　顶臂不同偏折角度情况下的天线效率

由表4可看出，当伞形天线高度与顶臂长度一定时，伞形天线的效率随着顶臂向下偏折角度的增加而减小。

2.4伞形天线顶臂向下偏折角度对天线系统效率的影响

由于伞形天线是电小天线，呈容性，因此需要加电感对其调谐。因为所加电感数值较大，因此电感带来的调谐损耗电阻不能忽略。表5、表6为伞形天线高度分别为200m和300m时，顶负载为每10度一根共36根，铺设每10度一根共36根地网，地网半径R=b+200，当伞形天线顶臂向下偏折不同角度情况下的输入电抗，通过计算转换成等效阻值。

表5　顶臂不同偏折角度情况下的输入电抗

表6　顶臂不同偏折角度情况下的输入电抗

由表5可知，当伞形天线高200m，顶臂长度为200m～600m时，随着顶臂向下偏折角度的增加，天线的输入电抗逐渐减小；由表6可知，当伞形天线高300m，顶臂长度为200m时，随着顶臂向下偏折角度的增加，天线的输入电抗逐渐增加；顶臂长300m时，天线输入阻抗有最大值，顶臂长为400m、500m、600m时，天线的输入电抗随着顶臂向下偏折角度的增加而逐渐减小。带入公式得到伞形天线顶臂向下偏折不同角度情况下天线系统的效率，如表7、表8所示。

由表7、表8可得出，当伞形天线高200m，天线顶臂长200m时，随着顶臂向下偏折角度从0°增加到10°，天线系统效率从23.38%减小到20.53%，其余高度类似；天线高300m时，天线系统效率也随着顶臂向下偏折角度的增加而减小。总之，在相同条件下，伞形天线的系统效率随着顶臂向下偏折角度的增加而减小；另外，综合两表可知，在相同条件下伞形天线高300m时的天线系统效率比200m时要高。

表7　顶臂不同偏折角度情况下的天线系统效率

表8　顶臂不同偏折角度情况下的天线系统效率

2.5伞形天线顶臂加长对天线效率的影响

甚低频天线的效率是衡量天线系统优劣的一个直观的重要指标，表9就是当伞形天线顶臂平行于地面时，在地网为每10°一根共36根和地网加密一倍，每5°一根共72根两种地网情况下，增加顶臂的长度计算得到的天线效率。

表9　两种地网情况下不同顶臂长度的天线效率(%)

由表9可以看出，当伞形天线顶臂与地面平行，地网情况相同时，随着顶臂长度的增加，天线效率先增大后减小，有最大值出现；另外，相同情况下地网加密一倍时，天线效率将提高。

3结语

通过对数据的分析与处理发现，在其他条件相同的情况下，增加伞形天线顶臂向下偏折的角度，相当于抵消了一部分天线的高度，天线的有效高度减小，故天线的辐射电阻与输入电阻均减小，天线效率与天线系统效率均降低。另外，如果想提高天线效率，并不是一味的增加伞形天线顶臂的长度就可以的，要考虑地网的半径，等效地电导率等情况，找到最佳顶臂长度才能得到最大的天线效率；而相同情况下加密了地网，相当于等效地电导率增加，损耗电阻减小，天线效率就提高了。

参 考 文 献

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Electrical Characteristics of VLF Umbrella Antenna

SUN Shengli1LI Yunhong2

(1.No. 92325 Troops of PLA, Datong037000)(2.Electronic Institute, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractIn this paper, the electrical characteristics of VLF umbrella antenna is analyzed and calculated by using the electromagnetic simulation software FEKO .Some new models are created by changing the angle of deflection of the top arms of VLF umbrella antenna, then the regulation of the electrical performance of the antenna is found.The simulated data under different models and conditions are analyzed and compared.The results show that in the uniform grid condition, when the angle of deflection of the top arms of the umbrella antenna is increased,the effective height of the antenna is equivalent to be reduced ,the radiation resistance of the antenna decreased,the input resistance of the antenna decreases and the efficiency of antenna system also decreases.

Key Wordsvery low frequency, umbrella antenna, FEKO simulation, electrical performance of antenna

*收稿日期：2015年12月9日,修回日期：2016年1月27日

作者简介：孙胜利,男,高级工程师,研究方向：无线通信。李云红,男,硕士研究生,研究方向：天线理论与技术。

中图分类号TN95

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.016