高壓輸電線路對中波導航臺無源干擾的研究

李程　王琴劍　劉又銘

摘 要： 航空中波無線電導航臺站的周邊建筑和電磁環境均有相關要求，隨著城市的發展，中波導航臺站周邊環境存在著較大的變化，經過前期的調研發現，中波導航臺站周邊存在的無源干擾中高壓輸電線路占據其中的主要部分。通過對電磁學計算方法的研究，選用矩量法作為研究的數值方法，建立高壓電輸電線路的無源干擾模型，通過FEKO軟件的仿真，分析高壓輸電線路的無源干擾影響，為中波無線電導航臺站的環境需求提供理論依據。

關鍵詞： 高壓輸電線路； 無源干擾； 矩量法； FEKO仿真

中圖分類號： TN972?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0079?04

Abstract： The surrounding buildings and electromagnetic environment of navigation station can affect on the medium wave radio station of aviation. With the development of the city， the surrounding environment of the medium wave navigation station has great changes. The preliminary investigation found that the surrounding passive interference from the high?voltage transmission line can effect on the medium wave navigation station. The calculation method of electromagnetism is studied， for which the moment method is chosen as the numerical method to establish the passive interference model of the high?voltage transmission line. The effect of passive interference from high?voltage transmission line is analyzed by means of the simulation of FEKO software， which provides the theoretical basis for the environmental requirement of medium wave radio navigation station.

Keywords： high?voltage transmission line； passive interference； moment method； FEKO simulation

為保證機場中波導航臺站工作的有效性，必須確保中波導航臺站周圍具有良好的電磁環境[1]。但是隨著我國城鎮化建設的發展，中波導航臺站周圍存在的無源干擾日益復雜，對于導航臺站周圍的電磁環境的評估成為與地方城鎮化建設進行協調的重要因素，而在這些無源干擾中，高壓輸電線路的無源干擾是其中最主要的組成部分。

研究分析此無源干擾就是討論分析在輸電線路存在的條件下導航臺發射天線方向圖的畸變情況[2]，為分析導航臺站周邊電磁兼容提供理論依據，同時可以將特高壓塔桿建設地點的選擇進行優化，既保證空間的充分利用，又能使導航臺站正常工作，不影響飛機的飛行。

1 電磁學計算方法

由于高壓輸電線路結構和實際地形經常是很復雜的，因此在分析其對中波發射臺站影響時，不適合用傳統的理論分析方法進行研究，在現有條件下采用計算機數值分析來解決問題被認為是合適的[3]。現行常用的電磁學計算方法主要有以下幾種：矩量法、物理光學繞射法、幾何光學繞射法等[4]。針對本文提到的問題，所用的頻率為1 035 kHz，此頻率屬于低頻范疇，且建立計算模型時并沒有把電磁波進行分類，而是作了統一處理。正因為此種模型符合矩量計算法的特性，本文選擇矩量法作為仿真方法。

此方程可以被認作未知數為[an]的線性方程組，將線性方程組解出來，把結果代入式（3），則[f]的近似解就得到解答。

在矩量法中，不僅僅函數可以選用不同的基函數展開，相應的權函數也有不同的選擇。它們之間不同的組合對于待求的場問題的解答有著相當大的影響。在所需解答的電磁兼容問題中，分析的電場都是靜電場。解決此類問題達成的共識是，采用脈沖函數作為基函數，采用最簡捷的點匹配法作為權函數選取標準。這種方法在靜電場中得到了充分應用[4]。

在使用矩量法的仿真軟件中，FEKO與EMC STUDIO是最常用的兩種軟件，他們共同的優點就是需要的計算機內存小且計算速度快，軟件界面友好，操作易上手。但是FEKO軟件可以進行簡單的CAD建模，對于模型可以進行翻轉、平移等簡單操作，而且可以和Matlab進行交互計算，使得其計算能力大大加強，正因為此，選擇FEKO軟件作為仿真軟件。

2 高壓電輸電線路模型的建立

高壓輸電線路的無源干擾是由導航臺發射天線的場在高壓輸電線路金屬結構上引起射頻感應電流引起的，這些感應電流再向空中輻射電磁波，從而形成二次輻射場。此二次輻射場將影響發射天線有效信號的幅值和相位，與發射天線輻射場相疊加后將會產生新的發射天線方向性圖[3]。

本文主要研究的是頻率為1 035 kHz的中波發射天線，當然由于實際環境比較復雜，需要對特高壓輸電線路的模型進行簡化處理。

通過對電磁波的學習可知，絕緣材料對電磁波傳播主要起阻擋作用，而特高壓輸電線路塔桿采用的是鏤空結構，阻擋作用極小，可以忽略不計。需要考慮的是導體部分對于電磁波的影響，查詢國家電網所頒布的國家標準，特高壓輸電線路的導體部分分為三個部分：塔桿、相線和地線。而對中波發射天線的無源干擾大小的主要因素包括：塔身、塔高、檔距（特高壓輸電線路相鄰塔桿間的距離）、特高壓線路的走向、防護間距（特高壓輸電線路與短波發射天線的水平距離）、相線和地線等[5]。

經過簡化與處理，將金屬塔桿等效為直塔，材料為金屬材料；相線與地線均簡化為理想的金屬導線。查閱資料《國家電網公司輸變電工程典型設計》，國家標準金屬塔桿的高度定于60～80 m，本文建模時，采用70 m的金屬塔桿方案；金屬塔桿的間距為40 m，大地采用理想的導電平面，在仿真的網格劃分中，將金屬塔桿與大地連接處的網格劃分要密一些。

3 仿真結果及分析

3.1 只有中波天線存在時的天線方向圖

（1） 當僅僅存在一副116 m的中波發射天線時，地面為理想導電無限大平面，其建模情況如圖1所示。

通過方向圖可以發現，當兩副天線共存時，天線的水平方向圖在0°和180°方向上，發生了明顯的畸變，說明兩者存在著較大的影響，所以根據無線電管理的規律，兩個導航臺站要間隔足夠的距離。所以在后面仿真時，僅僅考慮存在一副天線的情況。

3.2 單個高壓輸電塔桿與中波天線共存時天線方向圖

當塔桿與中波天線相距[λ4]時，塔桿高度為70 m，天線高度為168 m，地面為理想導電的無限大平面，其建模仿真圖如圖7所示，其方向圖仿真結果見圖8，圖9。

由仿真圖可以發現，在0°，90°，180°，270°四個方向上，方向圖凹陷比較嚴重，而在60°，150°，240°，300°四個方向上增益仍然非常大，幾乎沒有影響，而與[λ4]比較發現，雖然存在衰減，但是衰減不及[λ4]時大，所以加大防護距離仍然是導航臺站消除影響的主要途徑。

3.3 多個高壓輸電塔桿與中波天線共存時天線方向圖

查詢中國電網的規定，高壓塔桿的間距為40～200 m，本文在建模時將塔桿距離定位40 m，塔桿距天線[λ4]時，仿真對方向圖的影響，建模圖像如圖12所示。

對比仿真結果可知，當塔桿間距變大時，方向圖變化并不明顯，但是其凹陷部分沒有像圖14一樣尖銳，說明增加間距對于減少無源干擾有一定的作用但不是非常明顯，在實際中，此方法并不是最優解決方案。

4 結 語

本文首先介紹了FEKO軟件進行電磁計算的理論基礎——矩量法，并說明仿真實驗時使用FEKO軟件的原因，然后建立了中波導航天線與特高壓天線塔桿實際仿真時的簡化模型，最后利用模型導入FEKO軟件，給出限定條件，將高壓塔桿對中波天線的無源干擾的幾種情景進行了仿真，觀察了無源干擾的影響大小，為防護中波天線周邊環境無源干擾影響提供了依據。

參考文獻

[1] 涂奔，王英翔，鄭柳剛，等.高壓架空輸電線路對短波監測站無源干擾的實證研究[J].中國無線電，2011（11）：78?81.

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[3] 王冠.110 kV高壓輸電線路對中波調幅廣播發射臺站無源干擾研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[4] 呂英華.計算電磁學的數值方法[M].北京：清華大學出版社，2006：1?5.

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[9] 中國人民解放軍無線電管理委員會.GB13613?92對海中遠程無線電導航臺站電磁環境要求[S].北京：國家技術監督局，1992.