长波悬挂天线电气性能研究

李开锋

湖南慈利县零阳镇零阳中路 26号，湖南 427200

摘要：长波发信天线主要依靠长导体作为辐射体，通过大跨越导线提高天线有效高度，实现对远距离水下目标的通信。长波悬挂天线有利于解决当前长波发信天线规模庞大、机动性差、抗毁能力弱等问题。本文提出两种长波悬挂天线模型，通过对模型电气性能的仿真分析，研究总结长波悬挂天线架设方式及匹配网络的设计方法，以及解决天线振动的措施，为悬挂天线的架设应用提供参考。

关键词：悬挂天线；电气性能；匹配网络；调谐

引言

长波主要以天波和地波方式传播，具有传播距离远、穿透能力强、传播稳定的特点，在无线电侧向、导航领、水下通信领域得到广泛应用。作为长波信号辐射主题的长波天线通常采取岸基固定天线、气球天线、机载拖拽天线等形式。岸基固定天线结构庞大，维护困难；气球天线受环境影响大，机动性能差；机载拖拽电线与固定翼飞机配合，受地面控制中心调遣，保障维护要求极高。针对长波天线建设使用中存在的实际问题，一种机动性能强、占地面积小、设备结构简单、不受环境影响的长波悬挂天线逐渐得到研究分析。

要提高天线的辐射效率，需要在天线和发射机中间加入调谐设备，解决电小天线输出容抗大的问题，使天线输入阻抗和发射机输出阻抗匹配，发信系统处于谐振状态。本文提出海洋环境下的两种长波悬挂天线模型，对其阻抗特性、电长度、倾斜角度、天线效率进行分析研究，并分析设计调谐匹配网络，为调谐算法的设计提供参考。

1. 两种天线模型的建立

基于小型平台的悬挂式长波天线要求结构简单、机动性强，能够在不同的环境下工作，因此提出两种长波悬挂天线模型：接地模型和非接地模型。两种天线均由单根天线和馈源构成，天线长度可调节，整体结构简单，两种长波悬挂天线模型的区别在于天线下端是否接地。由于天线应用于海洋环境，因此天线性能分析应当考虑海水的相对介电常数、导电率和相对磁导率等环境因素。

环境参数取值如下表：

海水的相对介电常数	导电率	相对磁导率
81	4s/m	1

1.1模型一：非接地型天线

非接地型天线模型主要由电长度为λ/4的天线和馈源组成。在天线的下端有供电、调谐和发信设备，下端的设备能使长波悬挂天线在恶劣环境下保持稳定。天线的上端是发信机，构成上辐射体，下端是吊舱外壳，构成下辐射体。

图1 模型一非接地型天线	图2 模型二接地型天线

1.2模型二：接地型天线

接地型天线模型由非接地型模型演变而来，将长波悬挂天线下端的馈源底端通过导线接入海水接地，天线形式由双极天线变为单极天线，模型2。

2. 仿真分析

2.1模型的建立

长波悬挂天线工作波长长，而天线有效高度远小于波长，因此天线辐射效率不高。通过对天线特抗阻性的分析研究，改变调谐网络的结构和参数设置，大幅提高天线的工作效率。根据实际需求，采用成熟应用于天线电气性能研究的分析软件FEKO对天线模型的阻抗特性和天线效率进行仿真计算，FEKO软件中建立的天线模型如图3所示。

图3 仿真软件中建立的模型

2.2 仿真结果

2.2.1阻抗特性

天线的输入阻抗Z为天线的输入端电压U与电流I之比,由输入电阻R和输入电抗X两部分组成，即：Z=U/I=R+jX

天线的输入电阻R包括辐射电阻r1和损耗电阻r2两部分。输入电抗X是长波悬挂天线的感抗和容抗两部分组成。电阻分量反映了天线向自由空间辐射的实功率，电抗分量是反映储存于天线的虚功率，减小电抗分量，能够大幅提高天线的辐射效率。天线的阻抗特性分析的目的，就是通过合适的阻抗匹配方式寻求天线电抗减小甚至归零的方法，使发信系统工作于谐振状态，提高天线的辐射效率。

在图3的天线模型中，取天线长度值为500米-1000米，天线最底端为馈源，与海平面的距离取值为1米，在工作频率为30kHz-300kHz范围内，天线电长度为0.06~0.6，仿真计算得到天线模型一的输入电抗随天线电长度变化关系如图4，天线模型二的输入电抗随天线电长度变化关系如图5，天线输入电阻随天线电长度的变化如图6所示。

图4 模型一输入电抗与电长度的关系	图5 模型二输入电抗与天线电长度的关系

图4表明，天线模型一的电抗值较大，且随着天线电长度的增大逐渐增大至峰值后迅速变小。其原因是模型一中的天线具有不对称性，属于不对称激励天线，可处理为单极天线叠加而成，天线的上臂与下臂长度相差较大，输入电抗到达最大值后急剧减小，且电抗值较大。

图5表明，天线模型二的电抗值也比较大，且随着天线电长度的增大而逐渐增大。当天线的变长度为0的时候，输入电抗为-2x10⁶Ω，天线的电长度0增大至0.2时，输入电抗也从-2x10⁶Ω到了-5x10⁵Ω，随着天线电长度的继续增大，天线输入电抗平缓地趋向于0。其原因是天线模型二底部的馈源接地，相当于天线上半部分是悬空的，导致了天线的电抗特性与对称阵子的电抗特性基本一致。

仿真计算结果表明，两种天线模型的输入电阻随天线电长度的变化趋势基本一致，如图6。输入电阻随着电长度的增大而逐步增大至峰值后迅速减小， 表明天线长度处于半波长时天线呈现并联谐振状态。

图6 模型一输入电阻与天线电长度的关系

2.2.2 天线姿态

考虑到天线工作中会受自然天气的影响而产生移动，因而对长波悬挂天线性能与倾斜角度的关系进行分析计算。设定天线的长度为600米，电长度为λ/4，倾斜角度变化范围为0-75°。仿真计算表明，天线阻抗特随着倾斜角度的变化而变化。

对于天线模型一，电阻分量随倾角的增大逐渐减小，天线第一谐振点位置改变。天线倾角的增大时，其电阻特性变化不大，但电抗特性变化很大。计算表明，双极天线（模型一）在垂直状态下（倾角为0），其电抗分量是79.23%，当倾斜角度30°时，其电抗分量为99.53%。当天线的倾斜角度为0~20度时，输入电阻为140~120，当天线的倾斜角度为20~40度时，输入电阻为120Ω~90Ω，当天线的倾斜角度为40~60度时，输入电阻从90急剧下降到40Ω，当天线的倾斜角度达到80度的时候，输入电阻为0。

对于天线模型二，其电抗随着天线倾斜角度的增大而变大，阻抗特性曲线前移，天线的工作效率降低。计算表明，单极天线（模型二）在垂直状态下（即倾角为0度），它的电阻分量为79.1%，在倾斜角度为30°时，电阻分量为60.9%。当天线的倾斜角度为0~20度时，输入电阻从40Ω降至35Ω，当天线的倾斜角度为20~40度时，输入电阻从35Ω降至25Ω，几乎为水平下降，当天线的倾斜角度从40度增加到60度的时候，输入电阻从25Ω下降到13Ω，当天线的倾斜角度为80度的时候，输入电阻为0。

因此为提高天线的工作效率，在架设天线时，尽量保持天线处于垂直状态。

2.2.3天线效率

对于电小天线，其辐射效率与电长度密切相关。选定天线电长度为0.06—0.6，通过仿真计算，分析天线的辐射效率的变化情况。对于天线模型一，随着天线电长度的增大，天线效率逐渐增大，但是到电长度为0.3的时候，天线效率逐渐不再变化，当天线的电长度达到0.5往后，天线效率反而渐渐下降。对于天线模型二，随着天线电长度的增加，天线效率稳定在40%，当天线电长度达0.45时，天线效率急剧上升，天线电长度增至0.5时，天线效率达到峰值，天线电长度继续增加，天线效率反而会下降。分析表明，长波悬挂天线效率的高低取决于电长度，因此选择合适的天线模型十分重要。

2.5仿真结论

长波悬挂天线主要应用于海洋环境下，因此选择阻抗特性小、电抗分量小、倾角影响小、效率相对较高的单极天线更加具有优势，考虑到实际工作情况，天线的电长度控制在1/4左右较为合理，此时天线呈阻抗容性，便于匹配网络的设计。天线架设时，应尽量保持垂直状态。

3. 调谐匹配网络设计

对天线进行调谐匹配，是为了是天线阻抗呈现纯阻性。由于长波悬挂天线呈容性，因此宜采用串联电感的方式匹配天线阻抗。对天线的感应线圈，可利用变压器，使天线的电压与调谐电压相匹配，采用混联方式，降低天线的容抗，再进行调谐，达到匹配的目的。

图7 一种调谐匹配网络

单极悬挂天线的电长度在1/4时，天线的呈容性的频率范围为22.92Hz—2.2KHz。图7时一种适用于长波悬挂天线的调谐匹配网络，根据计算机仿真软件的数据分析，在30Hz-300Hz范围内，天线的阻抗容易实现匹配。

4. 长波悬挂天线的振动

天线受风力影响时，会产生振动。研究表明，气压对天线形成的冲击频率与导线的固有频率呈现以下关系：F=s*(v/d)。其中F为冲击频率，f为导线固有频率， v为风速，d为天线线径。假设天线质量均匀分布，即张力恒定，且阻尼为零，天线在风力的作用下，振动呈现出一定的规律，随着导线长度的变化，振动的幅度和频率也产生变化，呈现正弦变化规律。

天线的振动与长度和悬挂点高度有关，根据国际统一标准，天线振动角小于5度时是安全的。实际上，天线出现少数大振动时，不会对造成危害，只有在天线连续不断的振动时，才会产生疲劳破坏。天线悬挂于高空，本身的运行张力会增加振动强度，降低疲劳极限，产生极大危害性。由于阻尼作用的存在，天线振动时会持续消耗动能量，随着时间的延长，存在断裂的可能，影响天线安全。同时天线绝缘子链在天线振动时连接部位会产生弯曲，造成材料的疲劳损伤。

5. 小结

通过对海洋环境下运行的两种长波悬挂天线的模型的阻抗特性、电长度、倾斜角度、天线效率的仿真计算和对比分析，提出了更为合理的接地型长波悬挂天线模型和对应的调谐匹配网络，解决了普通长波天线机动性差和保障要求高，在海上运行不可靠的问题，同时通过总结长波悬挂天线导线振动的规律及危害，为实际的应用提供参考。

6. 参考文献

［1］郑玉琪．架空输电线微风振动［M］．北京: 北京水利水电出版社，2018．

［2］张会韬．架空输电线路微风振动危害的实例及现场测振的重要性［J］．电力建设，2018．