加載對垂掛式長波天線電氣性能影響的研究*

宮 燁，翟 琦，蔣宇中

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

加載對垂掛式長波天線電氣性能影響的研究*

宮 燁，翟 琦，蔣宇中

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

在借鑒機載長波天線、氣球天線和COCO天線的基礎上，建立三種形式的垂掛式長波發信天線模型，然后就頂容性加載和電感加載兩個方面研究頂容線數量以及電感加載位置、加感量等對天線電氣性能的影響。仿真結果表明：頂容性加載和電感加載均能使天線的阻抗特性和輻射性能得到改善，且電感加載能夠間接縮短天線物理長度。這一研究結果對改善長波天線電氣性能、縮短天線物理長度等具有重要的指導意義。

垂掛式長波天線；容性加載；電感加載；電氣性能

0 引 言

長波電波憑借其傳輸距離遠﹑穿透海水能力強等優良特性被廣泛應用于遠洋通信﹑水下通信等領域[1]。結合波導理論和地面的鏡像作用分析可得，長波發信天線適合采用垂直于地面架設﹑輻射TM型波的直立天線形式[2]。岸基天線﹑固定翼機載天線和氣球天線是現有長波發信天線的主要形式[3]，但在輻射性能﹑頑存性和機動性上均或多或少存在一定的缺陷。因此，提出一種以直升機作為運載平臺的垂掛式長波發信天線，在借鑒現有天線形式的基礎上，建立三種形式的天線模型，然后就頂容性加載和電感加載對天線電氣性能的影響進行仿真研究。

1 垂掛式長波發信天線模型

機載長波天線由總長度為λ/2的一長一短兩根拖曳天線組成。天線電尺寸大﹑輻射效率高；輸入阻抗隨長﹑短拖曳天線長度的變化而改變，使得調諧簡便[4]。在借鑒機載長波天線的基礎上，建立半波不對稱雙極天線模型（模型一）。該模型主要由鐵質吊索﹑儀器吊艙﹑饋線和天線輻射體等組成，如圖1所示。儀器吊艙內置有除天線以外的發信系統的其他組成部分，可采用塑料材質或金屬材質。

圖1 模型一：半波不對稱雙極天線模型

模型一天線長度過長，對運載平臺的升高以及載重等要求較高。氣球天線的長度為λ/4，下端接地使地面對天線存在正鏡像作用，輻射效率較高[5]。海水在長波頻段內為良導體，若天線下端接入海水同樣對天線具有正鏡像作用。在借鑒氣球天線的基礎上，建立接地不對稱雙極天線模型（模型二），如圖2所示。模型二與模型一的主要區別，在于天線長度以及天線下端是否接入海水。

圖2 模型二：接地不對稱雙極天線模型

模型一﹑模型二均為不對稱雙極天線，具有輸入容抗大﹑Q值高﹑通信頻帶窄的缺陷。COCO天線表明，同軸線不僅可以作為饋線起傳輸作用，而且可以作為天線輻射體對外輻射電磁波[6]。在借鑒COCO天線特點的基礎上，建立以同軸線外導體作天線輻射體的同軸雙極天線模型（模型三），如圖3所示，主要由鐵質吊索﹑儀器吊艙和同軸線（兼作傳輸線和天線輻射體）等組成。

圖3 模型三：同軸雙極天線模型

采用基于矩量法（MoM）的FEKO軟件對天線建模。各部分建模方式及參數如下：工作頻率f=200 kHz；鐵質吊索直徑d1=5 mm；饋線采用同軸線形式，內芯直徑d2=2 mm，外導體厚度T1= 0.3 mm，總直徑d3=10 mm，饋線長度可調；模型一﹑模型二的天線輻射體為銅導線，直徑d4=10 mm；正方體鐵質金屬吊艙，體積V=1 m3，厚度T2=1 mm；非金屬塑料吊艙對天線的電磁輻射幾乎無影響，建模時不予考慮。

前期對天線輻射體傾斜﹑饋線長度﹑天線下端接入海水和天線電長度對天線電氣性能的影響進行了研究，結果表明：天線輻射體傾斜將使天線的輻射性能降低，故應盡量保證天線發信時處于垂直狀態；隨著饋線長度的增加，天線的輸入電阻﹑輻射電阻逐漸降低，輸入電抗在一定范圍內逐漸增加；天線下端接入海水能夠使模型二相對于模型一在天線長度縮短一半的情況下，天線諧振時的阻抗特性﹑輻射性能得到改善；模型三天線輸入阻抗隨天線電長度的變化曲線與直立天線一致，驗證了利用同軸線外導體作為天線輻射體輻射電磁波的可行性。

2 頂容性加載對天線電氣性能的影響

岸基長波天線通常為電小天線，輻射效率低，可采用在天線頂端添加頂容線構成天線帳的方法，改善天線上的電流分布﹑增大功率容量，進而提高天線的輻射能力[2]。為此，在上述垂掛式長波天線模型的基礎上，借助運載平臺對天線頂端進行不同數量的頂線加載，以研究添加頂線以及頂線數量對天線電氣性能的影響。

2.1 頂線加載對不對稱雙極天線電氣性能的影響

頂線加載的天線模型，即在原天線模型的基礎上借助運載平臺對天線頂端連接不同數量的頂線。建模時，頂線取為銅導線，長3 m，直徑2 mm。

對模型一采用塑料吊艙和連接金屬吊艙情形的天線頂端連接2﹑4﹑8根頂線，得到其輸入阻抗隨饋線長度的變化曲線，獲知兩者阻抗變化規律相同。以采用塑料吊艙情形為例，結果如圖4所示。

圖4 不同頂線數量下輸入阻抗隨饋線長度的變化曲線

對比圖4可知，天線頂端加載與否不改變天線的輸入阻抗隨饋線長度的變化趨勢。通過調節饋線長度使天線達到諧振狀態，表1為模型一各種形式天線諧振時的饋線長度和輻射電阻。

通過對比表1和圖4可得，對模型一天線進行頂線加載，能夠改善天線的阻抗特性和輻射性能，縮短諧振時對應的饋線長度，且隨著頂線數量的增加，效果愈發明顯。這是因為對天線頂端連接金屬頂線相當于進行頂容性加載，使電容增加﹑電抗曲線上移，從而使達到諧振狀態所需的饋線長度縮短；頂負載能改善天線上的電流分布，提升天線的有效高度﹑輻射電阻；頂線數量越多，對天線兩極間電容的增加和對天線上電流分布的改善效果越明顯。

對模型二采用塑料吊艙和連接金屬吊艙情形的天線頂端連接2﹑4﹑8根頂線，通過調節饋線長度使天線達到諧振狀態。表2為模型二各種形式天線諧振時的饋線長度和輻射電阻。

對比表2可知，添加頂線能夠使天線諧振時的饋線長度縮短﹑輻射電阻提高，且頂線數量越多效果越明顯，與模型一所得結論一致。

由于模型二與模型一的主要區別在于天線長度以及天線下端是否接入海水，因此通過對比表1﹑表2可得，模型二在天線長度縮短一半的基礎上，其諧振狀態的輻射電阻較模型一有所提高﹑饋線長度縮短一半以上。由此表明，天線下端接入海水可使在天線長度縮短的情況下，天線諧振時的阻抗特性和輻射性能得到改善，且連接金屬吊艙及進行頂線加載可使天線性能進一步提高。

2.2 頂線加載對同軸雙極天線電氣性能的影響

由于連接金屬吊艙能夠使模型三天線在諧振時的天線電長度降低且能夠提高天線的輻射性能，故對模型三僅考慮連接金屬吊艙情形進行頂線加載的研究。于是，得到輸入阻抗隨天線電長度的變化曲線，如圖5所示。

表1 模型一不同形式天線諧振狀態的電參數

表2 模型二不同形式天線諧振狀態的電參數

圖5 不同頂線數量下輸入阻抗隨天線電長度的變化曲線

由圖5可知，添加頂線不改變天線輸入阻抗隨天線電長度變化的趨勢。添加頂線使輸入電阻最大值提高，但到達諧振點后將低于未加載情況；輸入電抗在諧振點前高于未加載情況，諧振點附近迅速下降并低于未加載情況，到達最低點后則增加并高于未加載情況。此外，頂線數量越多，效果越明顯。這主要是因為天線頂端連接頂線在增加天線輸入電阻的同時，相當于對天線進行頂容性加載，且能夠改善天線上的電流分布，提高天線的有效高度，從而使天線諧振對應的電長度降低，相當于天線的輸入阻抗曲線向左上方移動。

3 電感加載對天線電氣性能的影響

由于長波天線的物理尺寸較大，若能夠使天線系統的效率在天線長度縮短的情況下不降低，則可以實現天線物理長度的縮短[7]。電感加載是常見的用于天線小型化的方法，因為電感加載不僅能夠改善加載點以下天線的電流分布，而且能夠減小電小天線的輸入容抗，從而提高天線系統的效率[8]。研究電感加載能否使天線長度縮短，可以變換思路，即首先將上述模型的天線尺寸降低為原尺寸的一半，然后對天線進行電感加載，分析加載后天線的輻射特性參數（以輻射電阻為例）對應的未加載情況下天線的幾何尺寸。

3.1 加載位置的選擇

長波天線通常為電小天線，天線上的電流分布近似為三角形，即天線底部的電流最大，頂端電流為零。文獻[9]對三種高度相同而加感位置分別為底部﹑中部﹑上部的天線電流分布進行研究，表明天線的最佳加感位置為天線的上部。對模型一采用塑料吊艙頂部連接8根頂線的天線，分別在距離天線底端1%﹑10%和99%處進行電感加載，改變天線長度為λ/4，得到不同加載位置下天線的輻射電阻隨加感量的變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同加載位置下輻射電阻隨加感量的變化曲線

由圖6可知，當加載位置為1%處時，相當于對天線頂端進行加載，隨著電感量的增加，輻射電阻增加不明顯，這是因為天線頂端電流很小；當加載位置為99%處時，相當于對天線底端進行加載，隨著電感量的增加，輻射電阻逐漸降低，這是因為天線底端電流很大，作用在電感線圈上的損耗較大；當加載位置為10%處時，相當于在天線上部進行加載，隨著電感量的增加，一定范圍內輻射電阻逐漸增加，輻射性能提高。所以，后續仿真中，電感加載位置取距離天線底端10%處。

3.2 電感加載對模型一天線電氣性能的影響

對采用塑料吊艙的天線模型就饋線長度d=70 m 和d=118.5 m兩種情況進行研究。在模型一原有天線模型的基礎上改變天線電長度，得到未加感情況下天線輻射電阻隨天線電長度的變化曲線，如圖7所示。

圖7 模型一未加感時輻射電阻隨天線電長度的變化曲線

圖8為電長度l/λ=0.25﹑加感位置距離天線下端10%處，模型一采用塑料吊艙情形的天線在饋線長度分別為d=70 m和d=118.5 m情況下天線的輻射電阻隨加感量的變化曲線。

圖8 模型一加感時輻射電阻隨加感量的變化曲線

對比圖7﹑圖8和仿真數據可得，針對饋線長度d=70 m和d=118.5 m兩種情況，分別對電長度l/λ=0.25的天線進行5 mH和6 mH的電感加載。結果顯示，天線的輻射電阻近似等于未加感情況下電長度l/λ=0.425和l/λ=0.448的天線的輻射電阻，且兩種情況下天線的輸入容抗也分別由-649.63 Ω增長至-348.92 Ω﹑由-373.41 Ω增長至-295.11 Ω。結果表明：對天線進行電感加載，天線的輻射電阻﹑有效高度在一定范圍內將隨電感量的增加而逐漸增加；天線的輸入電抗呈容性，其絕對值將隨著電感量的增加而逐漸減小，可使調諧電路的損耗降低﹑調諧效率增加。此外，電感加載對模型一連接金屬吊艙情形的影響與所得結論一致。

3.3 電感加載對模型二天線電氣性能的影響

在模型二原有天線模型的基礎上改變天線電長度，得到未加感情況下天線輻射電阻隨天線電長度的變化曲線，如圖9所示。其中，采用非金屬吊艙時饋線長度d=50.1 m，連接金屬吊艙時饋線長度d=47.43 m。

圖9 模型二未加感時輻射電阻隨天線電長度的變化曲線

圖10為電長度l/λ=0.125﹑加感位置距離天線下端10%處，模型二分別采用塑料吊艙和連接金屬吊艙情形下天線的輻射電阻隨加感量的變化曲線。

圖10 模型二加感時輻射電阻隨加感量的變化曲線

對比圖9﹑圖10和仿真數據可得，針對模型二采用塑料吊艙和連接金屬吊艙兩種情況，對電長度l/λ=0.125﹑天線下端接入海水的天線模型進行0.6 mH的電感加載，天線的輻射電阻相當于未加載情況下電長度l/λ=0.177的輻射電阻，且輸入電抗也分別由-785.73 Ω增長至-215.00 Ω﹑由-802.35 Ω增長至-163.92 Ω。結果表明：電感加載不僅可以增加天線的輻射電阻﹑有效高度，而且能夠降低調諧損耗，進而增加天線系統的效率。

4 結 語

在借鑒現有天線形式的基礎上，建立了三種垂掛式長波發信天線模型，研究了頂容性加載以及電感加載對天線電氣性能的影響。仿真結果表明：對天線進行頂線加載，能夠改善天線的阻抗特性﹑輻射性能，且隨著頂線數量的增加，效果愈發明顯；電感最佳加載位置為天線上部，電感加載能夠使天線在物理長度縮短的情況下不降低輻射性能，而且能夠降低調諧電路的損耗，進而增加天線系統的效率。綜上所述，上述研究結果將對改善天線阻抗特性﹑輻射性能以及縮短天線物理長度具有重要的指導意義。

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Electrical Performance Influence of Loading on Inverted Long-wave Antenna

GONG Ye, ZHAI Qi, JIANG Yu-zhong

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

Based on the airborne long-wave antenna, kptoon and COCO antenna. The three types of inverted long-wave antenna model are established. The influence of capacitive loading and inductance loading, particularly of the top-line number, inductance loading position and quantity on antenna electrical performance, is fairly studied. Simulation shows that the capacitive loading and inductance loading could improve impedance characteristic and radiation property of the antenna, while the inductance loading shortening the physical length of antenna. This research result has a guiding significance in electrical performance improvement and physical length shortening of the antenna.

inverted long-wave antenna; capacitive loading; inductance loading; electrical performance

TN911

A

1002-0802(2016)-11-1466-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.010

宮 燁（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向為天線理論與技術；

翟 琦（1977—），男，碩士，講師，主要研究方向為天線理論與技術；

蔣宇中（1963—），男，博士，教授，主要研究方向為通信信號處理。

2016-07-07；

2016-10-05 Received date:2016-07-07;Revised date:2016-10-05