T 型甚低頻發(fā)信天線輻射效率分析

胡速謀，李 亮，丁作亞

（中國人民解放軍91033 部隊，山東 青島 266000）

潛艇作為我國海軍一支重要作戰(zhàn)力量，在水下作戰(zhàn)中具有隱蔽性和突擊性的特點，因此保持其水下及時有效的通信，直接關系著潛艇威懾力、生存力和戰(zhàn)斗力。甚低頻通信是指工作頻率在3～30 kHz 無線電磁波通信，在海水中衰減比較小、穩(wěn)定性好、穿透能力強等特點，是各國海軍目前實施對潛通信的重要手段。甚低頻發(fā)信系統(tǒng)包括甚低頻發(fā)信終端機、甚低頻激勵器、甚低頻發(fā)信機和甚低頻發(fā)信天線。其中甚低頻發(fā)信天線是甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響著甚低頻信號的傳播。岸基甚低頻發(fā)信天線通常架設在兩山山谷之間或者由鐵塔支撐起的大型發(fā)射天線，采用都是Τ 型、Γ 型和傘型天線形式。如美國緬因州卡特勒天線采用的就是十三塔傘形天線的形式，天線輻射效率高達74.9%，澳大利亞西北角的NWC 天線效率更是達到82.4%。它們都是一種加頂?shù)闹绷⑻炀€，相比于垂直架設地面的直立天線，加頂后的天線，天線輻射效率得到很大改善，基本滿足潛艇水下通信的需求。本文以T 型天線為例，研究分析了影響天線輻射效率的幾種因素和提高天線輻射效率辦法，為后續(xù)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的維護提供了理論支撐。

1 甚低頻發(fā)信天線的形式和基本構成

甚低頻無線電波波長在10～100 km 之間，由于天線架設高度不可能和波長相比擬，若采用水平懸掛天線，受地面負鏡像作用，天線輻射能力很弱，水平天線激勵水平極化波，當波沿地面?zhèn)鞑r衰減很大。因此，要求甚低頻發(fā)信天線采用垂直于地面架設的加頂直立天線形式，輻射垂直極化波，衰減較小。

以某臺T 型天線為例（圖1）。天線架設在200-400 m高的天線塔或幾百米高的山峰上，由幾組Τ 型天線陣列組成，天線頂端拉線（也稱頂容線）長度超過1 km，天線頂端垂直下引線的高度超過200 m，下引線是天線的主要輻射體。天線體積龐大，占地面積廣，有幾平方公里到十幾平方公里，天線正下方都鋪設大規(guī)模地網(wǎng)，改善土壤電導率。盡管天線結構龐大，但它仍是電小天線，損耗電阻大，因此需要對天線輸入信號進行調諧。信號經(jīng)過調諧亭調諧后再經(jīng)過高壓饋籠發(fā)送到天線中。天線調諧設備龐大，常建有專門的調諧亭，調諧亭設備主要包括延長線圈、縮短電容、微調線圈和泄放阻流器等。

圖1 某臺T 型天線的天線幕和地網(wǎng)

2 影響甚低頻發(fā)信天線輻射效率的因素

天線的效率是指天線輻射效率Pr 與天線輸入功率Pai 之比。由于甚低頻天線是個電小天線，與電尺寸大的天線不同，電小天線是和配諧電路緊密相連的，一個電小天線效率的高低不僅要看天線本身的損耗，也要考慮調諧電路的損耗。它的等效電路可以用集總參數(shù)的電感、電容和電阻表示，如圖2 所示。

圖2 甚低頻發(fā)射系統(tǒng)等效電路

圖中Re為發(fā)射機等效內阻，La為天線調諧電感，Ras為線圈損耗電阻，天線等效為靜態(tài)電容Co、等效電感Lo及輻射電阻Rr相串聯(lián)，Rg為天線的損耗。當發(fā)射機工作在載頻時，由于天線系統(tǒng)調諧于載頻，天線系統(tǒng)與發(fā)射機處于匹配狀態(tài)，信號能量從發(fā)射機出去后，不會有能量返回。此時天線系統(tǒng)的效率可以表示為：

由上式可以得出，提高天線輻射效率的途徑有：一是提高天線的輻射電阻Rr；二是減小天線調諧的損耗Ras；三是減小天線的損耗Rg。此外，甚低頻發(fā)射天線輻射效率也與發(fā)射功率、自然天電噪聲和周邊電磁環(huán)境等因素有關。

3 提高天線輻射效率的途徑

3.1 增加天線的有效高度h

甚低頻天線的高度決定了天線輻射電阻Rr的大小。機載拖曳天線高度很高，其長度大概是甚低頻波長的四分之一，輻射效率高。但由于岸基甚低頻發(fā)信天線采用垂直于地面架設的直立天線形式。天線架設高度不可能與波長相比擬，天線高度架設通常在200 m 左右，由幾組天線陣列組成，天線輻射電阻小，損耗電阻大，輸入容抗大。要想不改變天線的幾何高度條件下，增大輻射電阻，唯一的辦法是提高天線的有效高度（圖3）。直立天線上電流分布近似線性，天線頂端電流近似為零，其電高度約等于實際高度的一半。所以為了增大天線輻射效率，就要設法提高天線有效高度。通常采用的辦法就是在直立天線頂部加一根或幾根水平或傾斜的導線，形成天線帳，我們稱之為頂容線。這樣就構成了Τ 型、Γ 型和傘型天線，加頂后的天線使垂直線段的下引線電流的分布比較均勻，提高了天線的有效高度，改善了天線的性能。天線頂負載的主要作用如下：

圖3 加頂后的天線有效高度

（1）提高了輻射電阻，降低了調諧線圈的損耗電阻，因而提高了天線系統(tǒng)的效率。

（2）降低了天線的輸入容抗，從而降低了天線回路的Q 值，提高了天線系統(tǒng)的帶寬。

（3）降低了天線的輸入容抗，從而使天線上的電壓降低了，增大了天線的功率容量。

3.2 減小地面損耗Rg

天線的損耗，主要來自地損耗Rg。地損耗一般認為是位移電流從天線經(jīng)地面流入地線系統(tǒng)時產(chǎn)生的電流損耗和垂直下引線電流在近區(qū)切向磁場在地面感應的朝天線下引線方向流動的電流產(chǎn)生的磁場損耗之和。為了減小地面損耗，提高天線的輻射效率，最有效的辦法就是在天線正下方鋪設接地導線的地網(wǎng)，改善地面的電導率。如表1 為不同土壤電導率時低損耗電阻。。

表1 不同土壤電導率時地損耗電阻（f=20 kHz，h′=0.3 m，d=10 m，h=200 m）

地網(wǎng)敷設依據(jù)地形，采取埋地或者架空方中心向外輻射或者平行輻射銅線，地網(wǎng)敷設應覆蓋整個天線的輻射區(qū)。天線地網(wǎng)系統(tǒng)通常由三個部分組成：高壓饋籠地網(wǎng)區(qū)、調諧亭輻狀地網(wǎng)區(qū)和頂容線地網(wǎng)區(qū)。因大地電流主要集中在地面附近，因此地網(wǎng)埋地深度不需太深，大概在0.2～0.5 m 之間，導線直徑約為3 mm，長度約為半個波長。地網(wǎng)區(qū)內所有導線焊接應保持良好的電氣接觸，對埋地地網(wǎng)焊接部位還應涂覆瀝青進行防腐。為了使大地電流匯流到地網(wǎng)中去，在調諧亭附近，地網(wǎng)密集區(qū)以及地網(wǎng)邊緣匯流母線附近通常還設置接地井。接地井內設有接地體，接地體就近與地網(wǎng)相連。為提高接地體周圍土壤電導率，接地井需采取填充長效降阻劑等人工處理措施，在無降阻劑，一般都以木炭、煤渣和食鹽為材料，降低了地的損耗電阻。

3.3 減小天線的調諧損耗Ras

在甚低頻頻段，天線高度由于受到限制，甚低頻發(fā)信天線是電小天線，天線主要損耗除了來自地損耗Rg外，還存在調諧損耗Ras。電小天線的輻射電阻小，輸入容抗大，損耗電阻很大，天線要進行調諧必須用電感元件，而電感元件會引入較大的損耗。一個性能優(yōu)良的調諧電感Q 值一般為1 500 左右，因此該天線調諧線圈的損耗電阻約為Rl=8.12 Ω，遠遠大于天線的輻射電阻Rr=0.18 Ω。而天線的頂負載降低了天線的輸入容抗，從而使天線回路所需的調諧電感量減少，在電感Q 值一定的情況下，使電感線圈的損耗減少，因此提高了天線的輻射效率。

在甚低頻發(fā)信系統(tǒng)中，為使甚低頻天線回路在整個波段內均可調諧，通常得引入電感和電容來平衡天線的靜電容（靜電感），使天線獲得足夠大的輸出功率，減小天線的調諧損耗Ras。而調諧亭的作用就在于此。調諧亭設備龐大，主要包括可延長線圈、縮短電容、泄放阻流器和天線微調線圈等設備組成。調諧亭的整個內壁采用紫銅體等良導體屏蔽，屏蔽殼接縫處焊接良好，以減少屏蔽殼中產(chǎn)生的渦流在線圈中引起的反射電阻損耗。為了避免磁通過分集中，調諧亭內線圈與屏蔽外殼之間的間隙至少要等于線圈的直徑，從而保證線圈的電感量和Q 值不會減少很多，以達到天線匹配要求。

4 結束語

勝由信息通。甚低頻通信對我國海軍對潛通信具有獨特的重要作用，甚低頻發(fā)信天線作為甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響水下潛艇能否穩(wěn)定可靠的接收信息，關系著潛艇作戰(zhàn)的成敗。但是由于岸基甚低頻發(fā)信天線高度無法與天線波長相比擬，因此通常采用加頂直立天線形式、鋪設大規(guī)模地網(wǎng)，改善土壤電導率、引入電容電感調諧等措施提高天線的輻射效率。文章分析了影響天線輻射效率的幾種因素，對提高天線輻射效率方法進行了介紹，為后續(xù)甚低頻發(fā)信系統(tǒng)維護提供了有力的理論支撐。當然，甚低頻天線輻射效率還受到自然界雷暴活動產(chǎn)生的電磁輻射及周邊地形地貌和電磁環(huán)境等因素影響，這也是我們在甚低頻發(fā)信中應該考慮的問題。