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      地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線效率影響計(jì)算?

      2021-11-11 14:23:04陳水清王健輝馬銀珠
      艦船電子工程 2021年10期
      關(guān)鍵詞:輻射效率振子短波

      陳水清 王健輝 馬銀珠

      (1.中國人民解放軍92665部隊(duì) 張家界 427200)(2.外交部通信總臺 北京 100016)(3.成都西成科技有限責(zé)任公司 成都 610031)

      1 引言

      短波電波頻率較低(3MHz~30MHz),主要利用天波傳播,具有不需中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信、抗毀能力強(qiáng)、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn),至今仍然被廣泛應(yīng)用。由于天波傳播中存在各類衰減、損耗等,為了保證短波通信效果,通常采取兩種方式:一種方式是提高短波發(fā)射機(jī)的輸出功率;另一種方式是提高短波天線的輻射效率。目前,短波發(fā)射機(jī)的輸出功率可達(dá)到30kW,在短期內(nèi)很難大幅度提高,因此提高短波天線的輻射效率成了首要選擇。短波天線輻射效率的定義為輻射電阻與輸入電阻之比,其中輻射電阻是短波天線本身的一種特性,與其結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān);輸入電阻是輻射電阻與損耗電阻之和;也就是說,對于某一類型的短波天線,可以通過減小其損耗電阻,來提高輻射效率。

      通過運(yùn)用電磁場仿真分析軟件FEKO對不同形狀地網(wǎng)的短波對數(shù)周期天線進(jìn)行仿真,研究地網(wǎng)形狀對損耗電阻的影響并進(jìn)行分析?;诮⒌牟煌鼐W(wǎng)形狀的短波對數(shù)周期天線模型,進(jìn)一步計(jì)算出天線的輻射效率,根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)對地網(wǎng)形狀進(jìn)行分組對比,從中篩選出性能優(yōu)越的地網(wǎng)形狀。

      2 地網(wǎng)形狀對短波天線效率的影響

      短波天線的程式有很多種,如對數(shù)周期天線、雙極天線、鞭狀天線等,本文主要研究地網(wǎng)形狀對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響。對數(shù)周期天線由若干振子,這些振子并不全部直接參與輻射,真正的輻射體只是其中的一小部分,其余振子起到加載和匹配的作用,改善振子上的電流分布,確保天線本身的電性能參數(shù)。

      在短波對數(shù)周期天線振子數(shù)量和長度相同的條件下,計(jì)算出天線在不同地網(wǎng)形狀上的損耗電阻、輻射電阻等參數(shù),從而研究地網(wǎng)形狀對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響,找到最優(yōu)的地網(wǎng)形狀。

      2.1 輻射狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線效率的影響

      鋪設(shè)不同角度間隔的輻射狀地網(wǎng),其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。使用FEKO軟件建立短波對數(shù)周期天線和輻射狀地網(wǎng)的仿真模型,其中天線的中心頻率取15MHz,主要結(jié)構(gòu)參數(shù):高度20m、最長振子18m、振子總數(shù)18對、橫梁長度15m。

      表1 輻射狀地網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

      對上述的九類仿真模型分別進(jìn)行仿真,計(jì)算出不同尺寸的輻射狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響,主要仿真計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

      表2 不同角度間隔輻射狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響

      繪制短波對數(shù)周期天線輻射效率與不同角度間隔輻射狀地網(wǎng)之間的曲線圖,研究分析輻射狀地網(wǎng)角度間隔對天線輻射效率的影響。

      通過仿真結(jié)果(表2、圖1)可以看出,短波對數(shù)周期天線在理想地面上時,其輻射效率最高,并且遠(yuǎn)高于輻射狀地網(wǎng)的最大輻射效率,但在實(shí)際中不存在理想地面。在仿真的八種角度間隔的輻射狀地網(wǎng)中,當(dāng)輻射狀地網(wǎng)相鄰兩根導(dǎo)線的角度為2°時,短波對數(shù)周期天線的輻射效率最高,達(dá)到83.33%;當(dāng)輻射狀地網(wǎng)相鄰兩根導(dǎo)線的角度小于2°或大于2°時,短波對數(shù)周期天線的輻射效率逐漸減小。

      圖1 對數(shù)周期天線輻射效率與輻射狀地網(wǎng)角度間隔的關(guān)系曲線

      2.2 矩形狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線效率的影響

      鋪設(shè)不同尺寸間隔的矩形狀地網(wǎng),矩形狀地網(wǎng)的外形尺寸為48m×48m,相鄰兩根導(dǎo)線的間隔分別取4m、8m、12m、16m、20m,使用FEKO軟件建立短波對數(shù)周期天線和矩形狀地網(wǎng)的仿真模型,其中短波對數(shù)周期天線的模型與上述天線模型一致。

      對上述的五類仿真模型分別進(jìn)行仿真,計(jì)算出不同尺寸的矩形狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響,主要仿真計(jì)算數(shù)據(jù)見表3。

      表3 不同尺寸間隔矩形狀地網(wǎng)對短波對數(shù)周期天線效率的影響

      繪制短波對數(shù)周期天線輻射效率與不同尺寸間隔矩形狀地網(wǎng)之間的曲線圖,研究分析矩形狀地網(wǎng)尺寸間隔對天線輻射效率的影響。

      通過仿真結(jié)果(表3、圖2)可以看出,短波對數(shù)周期天線在理想地面上時,其輻射效率最高,并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于矩形狀地網(wǎng)的最大輻射效率,但在實(shí)際中不存在理想地面。在仿真的五種尺寸間隔的矩形狀地網(wǎng)中,短波對數(shù)周期天線的輻射效率比較穩(wěn)定,最大輻射效率和最小輻射效率的差值不超過1%,但輻射效率普遍較低,最高的輻射效率也才18.04%;與外形尺寸相當(dāng)?shù)妮椛錉畹鼐W(wǎng)相比,短波對數(shù)周期天線在矩形狀地網(wǎng)上的輻射效率,約為在輻射狀地網(wǎng)上輻射效率的四分之一,因此鋪設(shè)矩形狀地網(wǎng)將嚴(yán)重制約短波對數(shù)周期天線的性能,帶來不必要的損耗,矩形狀地網(wǎng)方式不可取。

      圖2 對數(shù)周期天線輻射效率與矩形狀地網(wǎng)尺寸間隔的關(guān)系曲線

      2.3 輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)后對短波對數(shù)周期天線效率的影響

      鋪設(shè)角度間隔為4.5°、半徑為20m的輻射狀地網(wǎng),在此基礎(chǔ)上分別增加1個(半徑20m)、2個(半徑10m)、3個(半徑6.7m)、4個(半徑5m)回流環(huán),使用FEKO軟件建立短波對數(shù)周期天線和輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)的仿真模型,其中短波對數(shù)周期天線的模型與上述天線模型一致。

      對上述的四類仿真模型分別進(jìn)行仿真,計(jì)算出輻射狀地網(wǎng)增加不同個數(shù)回流環(huán)后對短波對數(shù)周期天線輻射效率的影響,主要仿真計(jì)算數(shù)據(jù)見表4。

      表4 輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)后對短波對數(shù)周期天線效率的影響

      繪制短波對數(shù)周期天線輻射效率與輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)后的曲線圖,研究分析輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)對天線輻射效率的影響。

      通過仿真結(jié)果(表4、圖3)可以看出,短波對數(shù)周期天線在理想地面上時,其輻射效率最高,并且遠(yuǎn)高于輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)方式的最大輻射效率,但在實(shí)際中不存在理想地面。在仿真的四種不同個數(shù)的回流環(huán)中,短波對數(shù)周期天線的輻射效率比較穩(wěn)定;與同尺寸不加回流的輻射狀地網(wǎng)相比,對數(shù)周期天線的輻射效率略有提高,但其提高的幅度不明顯。

      圖3 對數(shù)周期天線效率與輻射狀地網(wǎng)增加回流環(huán)后的關(guān)系曲線

      3 結(jié)語

      通過對三種形狀地網(wǎng)的研究分析發(fā)現(xiàn),短波對數(shù)周期天線的輻射效率按輻射狀地網(wǎng)加回流環(huán)方式、輻射狀地網(wǎng)方式、矩形狀地網(wǎng)方式的順序依次降低,其中短波對數(shù)周期天線在矩形狀地網(wǎng)上的輻射效率最低(約18%),僅為在輻射狀地網(wǎng)上輻射效率的四分之一左右,因此鋪設(shè)矩形狀地網(wǎng)的方法不可取。在輻射狀地網(wǎng)上增加回流環(huán)的方式,使短波對數(shù)周期天線的輻射效率提高幅度不大,加之在工程實(shí)施時,增加回流環(huán)方式的施工難度相對較大,并且回流環(huán)的個數(shù)越多,其施工難度越大,因此可只考慮輻射狀地網(wǎng)的方式。根據(jù)仿真結(jié)果,初步估計(jì)輻射狀地網(wǎng)的最優(yōu)角度間隔在2°左右時,可使對數(shù)周期天線的輻射效率最大,由于本文所取的輻射狀地網(wǎng)角度間隔為0.5°,因此仍可采用夾逼法對最優(yōu)角度間隔進(jìn)一步的仿真。

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