甚低频伞形天线地网性能研究*

张　静　李云红

(海军工程大学电子工程学院通信工程系　武汉　430033)



甚低频伞形天线地网性能研究*

张静李云红

(海军工程大学电子工程学院通信工程系武汉430033)

论文通过运用电磁场仿真分析软件FEKO对不同形式地网的甚低频发信天线进行仿真，研究地网形式对损耗电阻的影响并进行分析。基于建立的不同地网形式的天线模型，进一步计算出天线效率，根据计算数据对地网进行分组对比，从中筛选出性能优越的地网形式。对伞形天线而言，辐射状地网的天线效率最高在80%以上，效果明显；而矩形地网则效果不佳；如果对辐射状地网加回流环，效果不是很明显。

甚低频;伞形天线;FEKO仿真;地网

Class NumberTN820

1　引言

甚低频电波频率较低(3kHz～30kHz),在地球-电离层波导中传播较稳定，衰减较小，在远洋和对潜通信中得到广泛的应用[1]。电磁波在水下衰减很大，这在很大程度上限制了潜艇的通信深度，因此要想提高潜艇的通信能力，使潜艇在更深的水域收信，那么只有提高天线的辐射功率。实现此目标，有两种方法：一种是提高发信机的功率，另一种是提高天线系统的效率。由于甚低频发信机的功率已经做到足够大了，所以短期内很难在这一方面进行突破，那么只能从提高天线系统的效率方面入手，进而提高潜艇的收信深度。天线的效率是辐射电阻与输入电阻之比[2～3]，辐射电阻是天线的一种特性，与天线本身有关，输入电阻是辐射电阻与损耗电阻之和，这样来讲，可从损耗电阻入手，地损耗电阻的改变也是一方面，通过改变地网形式的方式来优化地网结构，以此来达到减小损耗电阻，提高天线效率，提升通信能力的目的。

2　地网形式对甚低频发信天线损耗电阻的影响

甚低频发信天线的形式有很多种，如T形天线Γ型天线和伞形天线等，这些顶叫做顶负载，无论是山谷天线，还是铁塔天线都带有这样一个顶负载，称之为顶容线，通常顶容线并不直接参与辐射，真正的辐射体是下引线，顶容线对天线起到加载作用，以改善下引线上的电流分布[4]，从而提高天线的辐射效率。本文研究在顶负载确定的情况下，通过改变地网的形式来观察损耗电阻的变化情况，从而可得知当地网形式改变时，天线效率的变化趋势，从而找出最优化的地网形式。

2.1地网形式对甚低频伞形发信天线损耗电阻的影响

表1为地网形式对照表，总长均为300km，铺设形式均为辐射状[5]。根据表1所示的地网形式对照表，通过FEKO软件，建立伞形天线的仿真模型[6～7]，天线高300m，工作频率为f=15kHz,天线半径为800m，共72根。

表1　地网形式对照表

利用建立的仿真模型计算辐射状地网对甚低频伞形发信天线损耗电阻的影响[8～11]，部分仿真计算数据列于表2中。

表2　辐射状地网对甚低频伞形发信天线损耗电阻的影响

把仿真计算数据中的天线效率与地网形式之间的关系画成如下所示的折线图，以便更好地观察天线效率随辐射状地网形式改变的变化趋势。

图1　天线效率与地网形式之间的关系曲线

从表2及图1可以看出，仿真实验选定的所有地网角度间隔中，当角度间隔为2°时，天线效率达到仿真结果中的最高值83.11%，同时地网面积为8.73km2，是天线面积的四倍。另外，天线效率随地网角度间隔的变化趋势是非线性的，地网间隔变化范围是1°～4.5°，且递增变化，而天线效率的变化趋势是非单调变化的，是先增后减，增大到83.11%时，出现下降趋势，近似为抛物线。

因为在进行地网形式改变的过程中，只保证了地网总长不变，而半径、面积是不断增大的,半径越大处，地网间隔就越大，地网会越来越疏。在间隔为1°～2°范围内增大时天线的损耗电阻变小，天线效率逐渐升高，主要是由地网的面积增大引起的；而在2°～4.5°范围内的损耗电阻是增加的，因而天线效率逐渐减小。

2.2矩形地网对甚低频伞形发信天线损耗电阻的影响

表3为地网形式对照表，总长均为300km，铺设形式为矩形。根据表3所示的地网形式对照表，通过FEKO软件，建立伞形天线的仿真模型。

表3　地网形式对照表

利用建立的仿真模型计算矩形地网对甚低频伞形发信天线损耗电阻的影响，仿真计算数据列于表4中。

表4　矩形地网对甚低频伞形发信天线损耗电阻的影响

绘制天线效率与地网形式之间的关系曲线图如图2所示。

图2　天线效率与不同的矩形地网形式之间的关系曲线

表4所反映的地网间隔由10m增加到30m时，天线效率在逐渐降低，从18.09%降至17.19%，尽管天线效率的变化幅度不大，但其效率值比较低，仿真结果显示最高为18.09%，不及辐射状地网的四分之一，说明铺设矩形地网对伞形天线来讲，天线系统产生了较大的损耗电阻，严重降低天线效率。

从图2可以看出，天线效率的变化不是单调的，在18m～30m之间出现波动，间隔变化的同时引起地网长度和面积的共同变化，两者共同作用导致天线效率出现波动，因而天线的性能存在不稳定因素；仿真结果进一步证明了对伞形天线铺设矩形地网是不可行的，效率因素严重制约了天线的正常工作，会造成不必要的电磁能量损耗，故应选择其它形式的地网。

2.3辐射状加回流环地网对甚低频伞形发信天线损耗电阻的影响

表5为地网形式对照表，总长均为300km，角度间隔为5°，共72根，铺设形式为圆环+辐射状。根据表5所示的地网形式对照表，通过FEKO软件，建立伞形天线的仿真模型。

表5　地网形式对照表

利用建立的仿真模型计算地网对甚低频伞形发信天线损耗电阻的影响，仿真计算数据列于表6中。

表6　辐射状加回流环地网对甚低频伞形天线损耗电阻的影响

绘制天线效率与地网形式之间的关系曲线图如图3所示。

图3　天线效率与不同地网形式之间的关系曲线

由图3可以发现，加了回流环的辐射状地网对伞形天线的效率影响是比较小的，回流环的作用不明显，达不到仿真设计想要的效果；在设计施工中，考虑到施工复杂度和难度，加回流环是没有必要的，所以不建议对辐射状地网加回流环，建议改变辐射状地网的角度间隔来改善天线效率。

3　结语

比较不同的甚低频伞形天线的地网形式，辐射状地网的性能明显要优于矩形地网的性能，辐射状地网的天线效率最高可达83.11%，而矩形地网的天线效率最高才到18.09%，两者差距甚大，所以对伞形天线来说，铺设矩形地网是不可行的，应该优先考虑辐射状地网。在辐射状地网的角度间隔为2°时，天线效率达到最高值，具体最优角度间隔的确定可用夹逼法进一步仿真，初步估计在2°附近。如果对辐射状地网加回流环，效果不是很明显，在实际工程中不必作为重点考虑对象，必要时可在提高天线效率上作为参考。

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Ground Net Characteristics of VLF Umbrella Antenna

ZHANG JingLI Yunhong

(Department of Communication Engineering,Electronic Institute,Naval University of Engineering,Wuhan430033)

In this paper,different forms of ground net of VLF transmitting antennas are simulated by electromagnetic software FEKO to study and analyze the influence of various ground net on loss resistance.The efficiency of the antennas are calculated based on various antenna models established.The ground nets are divided into groups and contrasted according to the data obtained,then the best one can be found.For VLF umbrella antenna,the efficiency of the radial pattern of ground net is more than eighty percent,it is efficient.However,rectangular ground net is not so good.Compared to the radial pattern of ground net,the efficiency of the radial pattern of ground net with return rings is not higher.

svery low frequency,umbrella antenna,FEKO simulation,ground net

2016年3月1日,

2016年4月19日

张静,男,讲师,研究方向：天线理论与技术。李云红,男,硕士研究生,研究方向：天线理论与技术。

TN820DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.012