甚低頻氣球天線纜繩末端損耗及溫升分析*

董 見 羅建新

(武漢船舶通信研究所 武漢 430205)

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甚低頻氣球天線纜繩末端損耗及溫升分析*

董 見 羅建新

(武漢船舶通信研究所 武漢 430205)

文章簡要分析了甚低頻氣球天線纜繩末端在不同的絕緣保護套的電損耗和相應的溫升。基于準靜電(EQS)方法得到電損耗,以及基于傳熱學理論得到相應的溫度場。使用CST的EM和MPS工作室進行仿真,通過仿真計算得到的溫度場,為天線選擇合適的絕緣材料提供仿真依據。

甚低頻氣球天線纜繩; 介質損耗; 溫度場

Class Number TN92

1 引言

氣球天線的車載甚低頻對潛通信系統是移動式甚低頻對潛通信系統的一種重要方式。車載甚低頻臺生存能力比固定岸臺強,可相對機動靈活配置,效率高,占地面積小。氣球天線纜繩一般工作于大電流、高電壓,一般饋電電壓為幾十上百千伏(受限于電暈),饋電電流一般最高為100A[1～2](受限于大電流引起的饋電發熱[3])。因為天線的高容抗,所以天線末端的電壓要比輸入電壓高很多,此處電場極強,而電流幾乎為零,工作頻率也遠遠高于工頻,所以天線纜繩末端的電損耗所引起的溫升計算和仿真是很有必要的,本文利用CST的EM和MPS工作室對天線末端的電損耗和溫升進行仿真計算。

2 理論分析

仿真計算首先要得到末端的電損耗(磁損耗很小,所以忽略),這個損耗就是熱源,然后根據傳熱理論計算得到溫度場。

(1)

稱之為電準靜態場。顯然,在忽略隨時間變化的磁場對電場作用的前提下,電準靜態場具有與靜電場類同的有源無旋性,因此,兩種場的計算方法相同。與靜電場相仿,電準靜態場也可以用隨時間變化的電位φ(t)的負梯度表示,即

(2)

因而與靜電場相仿,從式可導出電位φ(t)滿足泊松方程

(3)

與電準靜電態場對應的時變磁場,基于麥克斯韋方程組,應遵從

(4)

熱源是介質的電磁損耗,損耗功率為[7]

(5)

一般電介質給出的是介質的損耗角正切

(6)

式中,ε′為實介電常數ε′=εrε0。在沒有磁損耗的情況下,由式(5)～式(6)可得

(7)

熱量的傳遞主要依靠傳導、對流和輻射三種形式傳播。天線末端主要是傳導形式。根據傅里葉定律和熱力學第一定律式可得到其微分形式,如式(8)。左項表示?t期間系統內能的增量,可由溫度變化?T計算,與系統密度ρ和比熱容c相關。式中右一項代表熱傳導引起的熱量轉移,另一項Pl系統自身生熱率[8]。

(8)

其中λ為導熱系數,單位為W/K/m。高分子材料的導熱系數一般很小。

當達到穩態時,式(8)中

?T/?t=0

(9)

損耗角正切是溫度的函數,因此損耗和溫度場的求解是一個耦合的過程,而本文主要研究幾種材料在特定損耗角正切下的損耗和溫升,所以忽略掉耦合,認為損耗角正切是常數。

3 仿真分析

本文采用CST的電磁工作室的低頻求解器算出準靜電情況下的天線末端的電損耗,然后導入到CST的多物理場工作室,利用穩態熱求解器算出溫度場[9]。

天線纜繩一般是復合結構,為了仿真的一般性,所以簡化為銅棒加絕緣介質。饋電電壓為100kV(rms),頻率20kHz,銅棒半徑8mm,絕緣介質厚2mm,如圖1所示。

圖1 末端橫截面圖

仿真中所用到的材料特性如表1[10],需要注意的是材料給出的是在50Hz下的損耗角正切,其中聚乙烯和交聯聚乙烯是中性分子,它們的損耗角正切很小,隨頻率的變化較小,而聚氯乙烯和乙丙橡膠的損耗角正切較大,隨頻率變高而增加。

表1 電纜用導體和絕緣材料特性參數

由于天線末端在高空環境,所以把仿真的背景溫度設為313.1K(40℃),以模仿極端的熱環境。

聚乙烯是廣泛的電纜絕緣材料,其損耗角正切很小,在高頻下也可使用,仿真結果如圖2。甚低頻氣球發射天線末端的電場達到106V/m,電損耗功率密度高達80kW/m3,但是由于電場非常的集中,損耗的體積非常的小,因此損耗的總功率只有0.16W(rms),最高溫升只有1℃。

圖2 聚乙烯仿真結果

聚氯乙烯的損耗角正切是0.07,是表1中最大的,仿真結果如圖3,損耗功率達到了19W,由于聚氯乙烯的導熱性能極差,所以靠近銅棒末端的溫度到達了1067K(794℃),遠遠超過最大工作溫度,實際上會早早的熱擊穿。

圖3 聚氯乙烯仿真結果

乙丙橡膠也是常見的絕緣介質,其損耗角正切為0.003,仿真結果如圖4,溫升大約為20℃,此時介質最高溫度為60℃,考慮到實際的20kHz下,損耗角正切會更大一些,高溫下也會加大損耗,所以認為乙丙橡膠并不適合。

圖4 乙丙橡膠仿真結果

由上面的三種材料的損耗和溫度場仿真可以看到,損耗角正切為10-3的數量級時,天線末端已經有比較顯著的溫升了,所以甚低頻氣球纜繩天線的絕緣材料最好選用10-4數量級的,如聚乙烯、交聯聚乙烯。從各項參數上看交聯聚乙烯是比較理想的材料,其各項特性比聚乙烯還要好一些。

4 結語

通過對甚低頻氣球天線纜繩末端的電磁損耗極其溫度場仿真,得到相應的溫升。這對工程上選擇適合的絕緣材料具有指導意義。

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Analysis of VLF Balloon Antenna Cable Terminal Loss and Heating-up

DONG Jian LUO Jianxin

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430205)

This article briefly analyzes the electric loss and corresponding temperature rise of the VLF balloon antenna cable terminal with different electrical insulating protective jackets. The electric loss is obtained based on EQS method, and corresponding temperature field is got based on Heat Transfer Theory. With the simulating calculation in EM and MPS studio of CST to obtain the temperature field, the simulation basis of choosing appropriate isolating material is provided for the antenna.

VLF balloon antenna cable, dielectric loss, temperature field

2015年6月17日,

2015年8月3日

董見,男,碩士,研究方向:天線多物理場計算。羅建新,男,研究員,研究方向:艦船天線通信技術。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.044