永利皇宫下载app送18 > 永利皇宫下载app送18 >

甚低频十三塔伞形天线阵的电气性能-论文

  甚低频十三塔伞形天线阵的电气性能-论文_电力/水利_工程科技_专业资料。第2 6卷 第 4 期 海 军 工 程 大 学 学 报 Vo 1 . 2 6 NO . 4 Au g. 2 01 4 2 0 1 4年 8月 J OURNAL

  第2 6卷 第 4 期 海 军 工 程 大 学 学 报 Vo 1 . 2 6 NO . 4 Au g. 2 01 4 2 0 1 4年 8月 J OURNAL OF NAVAL UNI VE RS I TY OF ENGI NEE RI NG DOI : 1 0 . 7 4 9 5 / j . i s s n . 1 0 0 9 — 3 4 8 6 . 2 0 1 4 . 0 4 . 0 1 1 甚 低 频 十 三塔 伞 形 天 线 阵 的 电气 性 能 鲁 刚 ,王 付 修 。 ,陈 冰 ,周 亮 ( 1 . 海军装备部 , 北京 1 0 0 8 4 1 ; 2 . 南京理工大学 , 南京 2 1 0 0 9 4 ;3 . 海军 陆 战 学 院 , 广州 5 1 0 4 3 0 ; 4 . 海军工程大学 电子工程学院 , 武汉 4 3 0 0 3 3 ) 摘 要 :针 对 以 电 小 天 线 为主 体 的岸 基 甚 低 频 发 射 天线 辐 射 效 率 低 的 问题 , 构 建 了卡 特 勒 双 副 天 线 的 总体 架 构, 研 究 了天 线 之 间 耦 合 干 扰 对 天 线 电 气 性 能 的 影 响 , 提 出并 运 用 矩 量 法为 核 心 的 电磁 数 值 仿 真 软 件 对 两 副 天 线进 行 建 模 , 计算工作在不同状态下天线的电气参数, 得 出天 线 间距 与 天 线 耦 合 干扰 之 间 的 关 系。 验 证 结果 表 明: 该 方 法 仿 真 值 与 实际 测 量值 一 致 , 能 有 效 提 高天 线辐 射 效 率 , 由 此证 明 了该 方 法 的有 效性 和 实 用性 。 关键 词 :甚低 频发 射 天 线 ;耦 合 ;矩 量 法 中 图 分 类 号 :TN 9 5 文 献 标 志 码 :A 文章编号 : 1 0 0 9 —3 4 8 6 ( 2 0 1 4 ) O 4 —0 0 4 6 —0 4 An a l y s i s o f e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f mu l t i — VLF t h i r t e e n — t o we r u mb r e l l a a nt e nn a a r r a y LU Ga ng ,W A N G Fu — x i u 。 , CH EN Bi ng ,ZH O U Li a n g ( 1 . Na v a l De p t .o f Eq u i p me n t ,B e i j i n g 1 0 0 8 4 1,Ch i n a ;2 . Na n j i n g Un i v .o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y, Na n j i n g 2 1 0 0 9 4 ,Ch i n a .3 . Na v a l Ma r i n e Ac a d e my,Gu a n g z h o u 5 1 0 4 3 0 ,Ch i n a ;4 . Co l l e g e o f El e c t r on i c Eng i n e e r i n g,Na v a l Uni v .of En g i ne e r i ng,W uh a n 4 3 0 03 3,Ch i na ) Ab s t r a c t : Ai mi n g a t t he l o w r a di a t i o n e f f i c i e nc y o f t he e l e c t r i c a l l y s ma l l a nt e nn a us e d a s t he ma i n bo d y o f t h e s h o r e — b a s e d VLF t r a n s mi t t i n g a n t e n n a ,t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e a r c h i t e c t u r e o f t h e Cu t l e r d o u b l e a nt e n na a nd r e s e a r c he s t he i nf l ue nc e o f t h e c ou pl i ng i nt e r f e r e nc e b e t we e n t he a nt e nn a s on t he e l e c t r i c a l p r op e r t i e s o f a nt e nn a s . The me t ho d of mo me n t s a s t h e c or e of e l e c t r o ma gn e t i c nu me r i c a l s i mul a t i o n s of t wa r e i s p r op os e d t o c a l c u l a t e t he e l e c t r i c a l pa r a me t e r s o f t h e a n t e nna s wor ki ng u nd e r d i f f e r e nt c o n— d i t i o n s a n d d e t e r mi n e t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e a n t e n n a s p a c i n g a n d t h e a n t e n n a c o u p l i n g i n t e r f e — r e n c e . Th e r e s ul t s h o ws t h a t t h e pr o p os e d me t h od i s e f f e c t i v e a nd pr a c t i c a l be c a u s e i t s s i mu l a t i o n da t a a g r e e s we l l wi t h t he a c t ua l me a s ur e d v a l ue a n d i t e f f e c t i v e l y i mp r o ve s t he a n t e nna r a d i a t i on . Ke y wo r ds : VLF t r a ns mi t t e r a nt e nn a;c ou pl i n g;m e t ho d o f mo me n t s 目前 , 主要的岸 基甚低频 发信 台形式有 T 型、 峡谷 型 和伞 形 天 线 。其 中 , 伞 形 天 线 效 率 较 工作, 仅 一副 天线无 法满 足工 作要求 , 而 目前 国外 暂 没有公 开 的甚低 频十 三塔伞 形天 线 的文献技 术 高, 例 如 美 国 缅 因 州 的 卡 特 勒 天 线 %, 澳大 利亚 西 北 角 的 NWC天 线 效 率 更 是 资料 , 国内王 晓蓓 用 电磁 数 值 仿 真 软 件 n e c 一 2对 单 副甚低 频 十三塔 天线建 模做 过研 究L 5 ] 。文 中则 达到 了 8 2 . 4 , 远远 高 于国 内甚 低频 发 信 台 的效 率[ 】 ] 。 随 着 实 际 需 求 的 变化 , 天线 需 要 全 天 候 采 用 电磁数 值 计 算 软 件 F E KO 对 伞 形 天 线 阵 的 电气性 能进行 研究 。 收稿 日期 : 2 0 1 3 — 1 0 — 2 8 ; 修 回 日期 : 2 0 1 4 — 0 4 — 3 0 。 基金项 目: 国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目( 6 1 3 7 2 1 6 5 ) 。 作者简介 : 鲁 通信作者 : 鲁 刚( 1 9 7 0 一) , 男, 高级工程师 , 博士生 , 主 要 研 究 方 向为 装 备 保 障 性 研 究 。 刚, E ma i l : L G1 9 7 0 0 7 0 9 @1 2 6 . t o m。 第4 期 鲁 刚 等 : 甚低频 十 三塔伞 形 天线 阵的 电气性 能 .4 7. 法 。基 函数 可 以分 为 整 域 基 和分 域 基 ; 权 函数 一 1 研 究 方 法 计算 甚低 频 十 三 塔伞 形 天 线 结 构 负 载 , 采 用 般 用点 匹配 法 、 伽略金 法 和最小 二乘 法 。 2 两 副甚 低 频 十三 塔 天 线 的建模 以卡特 勒天线 为研 究实 例, 天 线 的结 构 参 传 统 的模 型 法不 仅 计 算 结 果不 准 确 , 而且 耗 时 耗 力 。 目前 , 国 内外 均 采 用 电磁 数 值 仿 真 软件 来 研 究 甚低频 天 线 , 计 算 结 果 精 确 ] 。文 中采 用 电 磁 数值仿 真 软件 F E KO 对 甚 低 频 伞 形 天 线 阵 的 电气性 能进 行研 究 。 F E KO是 以矩 量 法 为核 心 , 集 多种 算 法 为一 体 的仿 真 软件 。如物 理 光 学 法 、 处 理 平 面 的一 致 性 绕射 法 , 对 于电小 尺寸 的天 线 , 采 用 的主要 是 完 全 矩量 法分 析 。 数 如 下 : 工作 频率 为 2 4 . 0 k Hz ; 静 态 电 容 为 1 2 3 . 9 n F; 自谐 振 频 率 为 4 0 . 2 k Hz ; 外 圈塔 高 度 为2 4 3 m; 内圈塔高度 为 2 6 6 m; 中 心 塔 高 度 为 2 9 8 m; 总 阻抗 为 0 . 2 6 4 9 一j 3 5 . 4 Q; 辐射 电阻 为 0 . 1 9 8 4 ±0 . 0 0 7 7 Q; 外 圈 塔 半径 为 9 3 5 m; 内圈 塔 半径 为 5 5 8 m。建 立 单 副甚 低 频 十三 塔 天 线 , 在建 模 过 程 中 , 考虑 天 线 的弧 垂 、 拉线、 导线 的 电 设 方程 为 L( 厂)一 h, ( 1 ) 导率 [ 9 1 1 ] 。单 副 天线所示 。 式 中: L 厂为未 知 待 求 的 函数 ; L为 线 性 算 子 ; h为 已知 函数 , 把- 厂在算 子 的定 义域 内用 已知 函数 族 - 厂 展开 , 可表 示 为 f 一∑口 , 。 n= 1 ( 2 ) 图 1 单 副 甚 低 频 十 三 塔 天 线 Si ng l e VI F t hi r t e e n t o we r a nt e n na 式中: , 为 基 数 或 展 开 函 数 ; a 为 待 求 的 系 数 。 规定 一个 适 当的 内积 < 厂, > , 在 L 的值域 内适 当地 选 择一 组 线 性无 关 的权 函数 或检 验 函数 k , k , k 。 , …, 并对 每个 k 取 式 ( 2 ) 的 内积 , 则 有 N 、 —1 在 单副 天线 的基 础上 , 将天 线复 制平移 , 设单 副天线 中心 塔 的坐标 为 ( 0 , 0 , O ) , 复制 平移 后 的另 一 n < k , L( f )> 一< k , g > 。 ( 3 ) n= 1 副 天线 , O ) , 两副 中 因为要 确定 N 个 未 知 函数 , 需 要 进 行 N 次 抽 样 检验 , 所 以式 中 m一1 , 2 , 3 , …, N。式 ( 3 ) 可 以表 示 为 f 口 一 g , 7 T t一 1, 2, … , N。 ( 4) 心塔 间距 为 1 6 2 3 m, 将 靠 南 边 的称 之 为南 阵 列 , 靠北 边 的称之 为北 阵列 ( 见图 2 ) 。 式 中: f 一 <志 , L( f 1 ) > <忌 1 , L( _ 厂 2 ) > … <是 , L( ) > <忌 , L( f 1 ) > <忌 z , L( f 2 ) > …<忌 z , L( ) > i ; 图 2 两 副甚 低 频 十三 塔 天 线 T wo VI F t h i r t e e n t o we r a nt e nna <愚 , L( f 1 ) > <忌 , L( f 2 ) > … <尼 , L( f o ) > < 尼1 , g> <忌 2, g> g 3 仿 真 结 果 及 分 析 3 . 1 天 线 不 同 工 作 状 态 下 的 仿 真 结 果 <忌 , g> 若z 是 非奇 异 的 , 则 - 厂可表示 为 f — 口 一 , T I - 1 g 。 ( 5 ) 仿线种 模 型 。模 型 1中 仅 有 一 副 天 线中有两 副天线 , 仅北 阵列 工作 , 南 阵列 计算结果是 否精确 , 主要取决 于权 函数 叫 与基 函数 , 的选 取 , 首先 这两个 函数 必 须是 无关 天线 不 工 作 。模 型 3中有 两 副天 线 , 北 阵列 和 南 阵列 同 时工作 。 的 。当选择 的基 函数 等 于 权 函数 时 , 称 为伽 略金 在模 型 1 、 模型 2 、 模型 3 情 况下 , 天线. 海 军 工 程 大 学 学 报 第2 6 卷 不 同频率 时 , 天 线 的 电气 参数 如 表 1 ~3所 示 , 北 阵列 工作 在 2 4 k Hz , 南 阵 列 不 工作 时 , 天线 的输 时 的辐射 电阻 比单 副天 线 的辐射 电阻小 。 观察表 3中的 数据 可 知 , 南 北 两 副天 线 同时 工作 时 的输 入 阻抗 和辐 射 电阻相 同 。与 表 1和表 2对 比 , 南 北 两副天 线 同时工 作 时 , 南 阵列 和北 阵 列 的容抗 比南 阵 列 和 北 阵列 单 独 工 作 时 的容 抗 大, 辐 射 电阻要 比南 阵列 和 北 阵列 单 独 工作 时辐 入 阻抗及 辐 射 电 阻 实 测 量 值 分 别 为 0 . 2 2 2 Q 及 0 .1 7 7 Q。 表 1 模 型 1电气 参 数 Ta b. 1 El e c t r i c a l p ar a me t e r s mo d e l 1 工作频率/ k Hz 输 入 电 阻/ n 输入容抗/ n 辐 射 电 阻/ 0 射 电阻小 , 而且 随着工 作频率 的增 加 , 天 线 同时工 作 的辐射 电阻 与南北 阵列单 独工 作 的辐 射 电阻差 值越 来越 大 。这是 因为 南 北 阵列 同时 工作 时 , 两 副天 线都 在辐射 电磁 波 , 相 互 之 间 的耦 合 干扰 比 仅南 阵列 或仅北 阵列单 独工 作时 的干扰 大 。 表 2 模 型 2电气 参 数 Ta b. 2 El e c t r i c a l pa r a me t e r s mo d e l 2 3 . 2 天 线 间距 对天 线 电气 性能 的影 响 在非 理想 大地下 取大 地 电导 率 0 . 0 1 s / m, 并 给每 副天 线阵铺 上 辐 射状 地 网 , 两 副 地 网埋 深 均 为 0 . 3 m, 由于 两 副天 线 中心 塔 间距 为 1 6 2 3 m, 为 防止地 网线 的交叉 , 每 副地 网半径 均 为 8 0 0 m。 表 3 模 型 3电气 参 数 " l h b. 3 El e c t r i c a l p a r a me t e r s mo d e l 3 每 副地 网铺设 6 o根长 8 0 0 m 的铜线 , 相 邻地 网线 。 , 在离地 网中心 3 0 0 m、 6 0 0 m 及 8 0 0 m 处铺 设 三 圈汇 流 环 , 两 副 地 网 没 有 用 导 线 . 1 9 4 0 . 29 3 连接 在一 起 ( 见图3 ) 。 根据 文献 E 8 ] 中得到 的测 量数 据 , 当北 阵列 工 作、 南 阵列不工 作 时 , 天线 k Hz时辐 射 电阻为 0 . 1 9 8 4 Q, 容抗 值 为 3 5 . 4 Q, 与表 2中天 线 k Hz的 仿 真 值 相 比, 容 抗 值 的 相 对 误差 为 3 . 9 %, 辐 射 电阻 的相 对 误 差为 1 1 . 3 。 图 3 甚 低 频 天 线 阵 地 网 Fi g . 3 M ul t i p l e n e t wor k of VI F a nt e nn a 表 1中 当天线 k Hz 时, 天线 的容抗 值 接 近于 0 , 故 与 实 际 测 得 的谐 振 频 率 值 相 接 近 。 而 当天线 结构 一定 时 , 天 线 的谐 振频 率一 定 , 其 在 固定 工作 频率 下 的 辐射 电阻 和 容抗 值 也 一 定 , 因 此 天线 建 模正 确 。对 比表 1和表 2中 的数 据 , 可 当北 阵列 工 作 在 2 4 k Hz , 南 阵列 不 工 作 时 , 改 变两 副天线 及 地 网之 间 的距 离 , 分 别 计 算 两 中 心 塔 间距 离 是原 来 2倍 、 4倍 、 8倍 、 1 6倍 时 的 电 气参 数 ( 见表 4 ) 。 表 4 不 同间 距 天 线 电 气 参 数 Ta b. 4 El e c t r i c a l p ar a me t e r s o f di f f e r e nt a n t e n na s pa c i ng 以发 现 , 在相 同 的工 作频 率下 , 仅北 阵列工 作 时天 线 的辐射 电阻 比单 独一 副天线 工作 时 的辐 射 电阻 要 小 。这是 因为在 模型 2中 , 当北 阵列工 作 时 , 对 外 辐射 电磁波 传 到 南 阵列 时 , 会 在 南 阵 列天 线 上 产 生感应 电压 , 相 当于 给南 阵列一个 电压 激励 ; 南 阵列 天线 上变 化 的电压 会 使 其 对外 辐 射 电磁 波 , 而辐射 的 电磁波 反 过 来 又会 作 用 于北 阵列 天 线 , 与 北 阵列 的激 励 叠加在 一起 , 作用 于北 阵列 , 如此 循 环往 复 , 逐渐减弱; 由于 电压叠 加 相位 不 同 , 产 由表 4 可知 , 当甚低 频 双 伞 天线 间距 离 增 大 到 原来 的 2 倍时 , 天 线 的辐 射 电阻 比原 间距 下 的 生 的叠 加效果 不 同 , 因此仅 南 阵列 或北 阵列 工 作 辐 射 电阻增大 了 7 . 5 %, 容抗 比原来 增 大 0 . 4 3 , 第4 期 鲁 刚 等 : 甚低 频 十三塔 伞形 天线 阵 的电 气性 能 .4 9. 地 损耗 电阻基 本不 变 , 天 线 的辐 射 效 率 则 提 高 了 4 . 5 % 。而 随着 天线 之 间的距 离继 续增 大 , 天线 的 J I ANG Yu e - mi n g . Di s c u s s i o n o n t h e s u b ma r i n e c o mmu n i c a t i o n s y s t e m a n d i t s d e v e l o p me n t[ J ] . Ra d i o En g i n e e r i n g,2 0 0 3 ( 9 ): 2 1 — 2 3 .( i n Ch i n e s e ) 辐 射 电阻 和地 损耗 电 阻基 本 不 变 , 因此 天 线 的辐 射 效 率 也基 本 没 变 , 与单 副 天 线 ) 的 电气 参 数 接近 。这 是 因 为 随着 天线 距 离 的 增 大 , 天线 辐射 的 电磁场 传到 另外 一副 天线 时 的强度 减小 了 许多 , 对 另外 一副 天线 的作用 也小 了很 多 , 使得 天 WAI T A D .甚 低 频 无 线 电 工 程 l - M] . 甚 低 频 无 线 电工程翻译组 译. 北京 : 国防 工 业 出 版 社 , 1 9 7 3 . 梁高权. 甚 低 频 波 和超 低 频 波 的 辐 射 与 传 播 [ M] . 南京 : 海军 工程 大学 电子 工程 学 院 , 2 0 0 2 . LAW REN CE D C. CCI R Re p or t 32 2 Noi s e Va r i a — 线工 作性 能 接 近 于单 副 天 线 的工作 性 能 。因此 , 甚低 频 十三塔 伞形 天线 间 的耦合 干扰 对天 线 电气 性能 的影 响 随天 线 间距 离 的增 大 而 减 小 , 而 后 慢 t i o n P a r a me t e r s[ R ] .S a n D i e g o :Na v a l C o mma n d a nd Co nt r ol a n d Oc e a n S ur ve i l l a n c e Ce n t e r,19 7 2. 王 晓蓓 , 柳 超. 甚 低 频 十 三 塔 天 线 的 特 点 与 分 析 慢趋 于稳 定 。但 在 工 程 实 际 中 , 甚 低 频 天 线 结 构 庞大、 占地面 积较 大 , 而 大地 电导 率对 天线 地损 耗 电 阻有较 大影 响] 。 因此 , 在 甚 低 频 天 线 阵 的 设 计过 程 中 , 应 选择 合适 的地 理位 置 , 在 兼顾 大地 电 导率 高 的情况 下 , 使天 线 阵之 间有合适 的间距 , 以 ] [ 2 ] 3 ] [ 4 ] 5 此减 小 天线 问 的 耦[ 合 干扰 对天线 [ 电气 性 能 的 影 ] [ 6 [ J ] . 舰 船 电子 工 程 , 2 0 0 9 , 1 8 5 ( 1 1 ) : 8 7 — 8 9 . W A NG Xi a o p e i , LI U Ch a o. Ch a r a c t e r s t i c s a nd a — n a l y s i s o f V L F t h i r t e e n t o we r a n t e n n a[ J ] .E l e c — t r o ni c Engi ne e r i ng Boa t Po s i t i o n, 2 00 9, 1 85(1 1): 87 — 89 .( i n Chi n e s e ) ] [ 7 柳超 , 蒋华 , 黄金 辉. 甚低频 通信 E M] . 北京: 海 潮 ] [ 8 ] [ 9 “ [ 妇 [ 一 l 出版 社 , 2 0 0 8 . B URKE G J ,POGG1 0 A J . N u me r i c a l El e c t r o — 响, 提高 天线 的辐 射效 能 。 ma g n e t i c s C o d e ( N E C ) — — Me t h o d o f Mo me n t s E R ] . 4 结 束 语 因甚低 频 十三 塔 伞 形 天 线 的效 率 较 高 , 文 中 CA :L a wr e n c e L i v e r mo r e La b o r a t o r y,1 9 8 1 . HANS EN P,CH AVEZ J .VLF Cu l t e r S e p t e mp e r [ R] .S a n D i e g o :R AD HA Z a n d F i e l d S t r e n g t h Me a s u r e me nt ,S pa c e a n d N a v a l W a r f a r e Sy s t e ms Ce n t e r,19 97 . 以 国外 天线 为研 究 实 例 , 建 立 了单 副 甚 低 频 十 三 塔 伞形 天线 并 与 实 际测 量 值 进 行 了 比对 , 结 果 表 明天 线 建 模 正 确 。在 单 副 伞 形 天 线 建 模 的基 础 上, 建 立 了两副 甚低 频 十三塔 伞形 天线 , 计 算 了南 张 永超 , 郑龙 根. 甚 低 频 伞 形 天 线 电 气 性 能 仿 真 I - D] . 武汉 : 海军工程大学 , 2 0 0 8 . PI N U ZZI M A . CCI R f or Co m pl e x a nd Un c e r t a i n 北天 线工 作在 不 同状 态下 的 电气 参 数 , 结 果 表 明 天线 间 的耦合 干 扰 对 天线 电气 性 能 有 较 大 影 响 。 E n v i r o n me n t s[ R] .K a n s a s :US Ar my C o mm a n d a nd Ge n e r a l St a f f Co l l a ge,2 007 . 研究 了天线 的 电气 参 数 随 天线 间距 的变 化 , 得 到 了天线 间耦合 干 扰对 天线 电气性 能 影响 随天 线 间 柳超 , 梁玉军 , 刘其 中, 等. 甚 低 频 T形 天 线 阵 地 网 损 耗 电 阻 的 分 析 与计 算 E J ] . 西 安 电子 科 技 大 学 学 报: 自然 科 学 版 , 2 0 0 8 , 1 2 ( 6 ) : 1 0 2 6 — 1 0 3 0 . L I U Ch a o ,LI ANG Yu - j u n,LI U Qi — z h o n g ,e t a 1 . An a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n o f g r o u n d l o s s r e s i s t a n c e 距 变化 的关 系 , 该结 果 为 国 内 以后 建立 多 副甚 长 波伞 形 天线 提供 了技 术参 考 。 参 考 文献 ( Re f e r e n c e s ) : [ 1] 江 月 明 . 对潜通 信 系统及 其发展 探讨 E J ] . 无线 . f o r a V LFT- t yp e a nt e n na a r r a y wi t h t he g r o un d s c r e e n[ J ] . J o u r n a l o f X i d i a n U n i v e r s i t y : Na t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ,2 0 0 8, 1 2 ( 6 ) : 1 0 2 6 — 1 0 3 0 .( i n Ch i n e s e )