用于雷電測向的三磁環天線設計和研究

胡 淼 張子石 章越峰 許蒙蒙 周雪芳 沈成竹

①(杭州電子科技大學通信工程學院 杭州 310018)

②(中國移動通信集團浙江有限公司杭州分公司 杭州 310018)

1 引言

雷電是一種發生在大氣中的天氣現象，發生時會產生瞬態大電流、高電壓和強電磁脈沖輻射等[1]。根據衛星監測和氣象部門的數據統計，全球每秒大約有2000 多個雷電發生[2]。近年來，由于電子、通信設備發展迅速，導致雷電災害由以往的森林火災和人員傷亡形式逐漸轉向對電子設備以及大型通訊網絡設備的干擾與破壞，對軍事、鐵路、航天航空等領域造成嚴重影響。因此開展雷電探測研究，提供雷電預警，對防雷減災的工作具有十分重要的指導意義[3–6]。直至今日，人類對雷電探測技術的研究已經發展了200多年，從20世紀20年代起，美國開始研究利用磁環天線來對雷電位置進行精確探測，成為雷電探測技術發展史上的一個里程碑，代表了雷電探測技術逐漸走向成熟[7–11]。

目前雷電定位系統(Lightning Location System，LLS)主要采用正交磁環天線(Orthogonal Magnetic Loop Antenna， OMLA)作為核心探測器件[12]。為提高測向精度，以往對OMLA的研究多注重于減小其測向角度誤差，如對由雷電回擊通道和地面不垂直造成的極化誤差研究[13]、由雷電測向設備附近地形地勢造成的場地誤差研究[14]、由天線磁環非正交性造成的誤差研究[15]以及OMLA自身結構誤差的研究等[16]，而對采用新型磁環天線結構設計提高天線測向精度的研究則相對較少。隨著LLS探測精度要求的不斷提高，采用正交磁環天線探測雷電方向的測量精度達到瓶頸。具體而言，在排除外界條件造成天線的測角誤差后，雖然可以通過引入修正矩陣來降低磁環的非正交性誤差[15]，或引入補償系數來矯正正交磁環天線的一致性誤差[16]，在一定程度上提高測向精度，但經矯正后的正交磁環天線仍存在一定的結構誤差角，導致測角誤差隨雷電方向角呈波浪形變化。即當雷電信號方向平行于其中一個磁環時，測角誤差達到最大，最大值約等于天線結構誤差角的值。因此研究如何設計新型磁環天線結構以減輕結構誤差角對測角的影響，對于提升雷電測向精度具有一定的意義。

本文提出一種由3個磁環兩兩呈60°組成的新型三環天線，由于其特殊結構，可以有效降低結構誤差角對測角的影響，提高天線測向精度。首先根據三磁環天線特殊結構推導了低頻信號情況下三環天線的測角公式，建立了結構誤差角與測角誤差的仿真模型；然后通過實驗比對三環天線與同尺寸正交磁環天線測角精度。本文最后部分給出分析結論。

2 三磁環天線結構及測向原理

雷電與地面的回擊通道可以被看作一個垂直的電偶極子，當地面為理想導體時，雷電電磁脈沖僅激發橫磁波[17]。三磁環天線結構如圖1所示，假設H為垂直地面的閃電回擊通道，3個磁環兩兩呈60°組成天線來進行雷電源方位角的探測，中軸線O與回擊通道H平行。

圖1 三磁環天線結構示意圖

3 三磁環天線測角誤差仿真

為驗證三磁環天線結構誤差角對測角誤差的影響，建立測角誤差關于結構誤差角的仿真模型。結構誤差角由天線磁環夾角不理想造成，理論上天線的3個磁環保持兩兩呈60°，但實際情況下由于加工、磁環扭曲等問題，使得磁環間存在等效結構誤差角σ。首先推導只有單個磁環存在結構誤差角的特殊情況時測角誤差計算式，進而拓展到一般情況。如圖2所示，設A環準確東西擺放，角度自西向東逆時針由–180°～180°遞進。C環準確朝向120°，B環與理想方向60°之間的夾角σ即為等效結構誤差角。式(3)

圖2 單磁環結構誤差角示意圖

定得義到雷的電計來算向角與度正為東θ′。方根向據實幾際何夾關角系為，θ，理通想

過情況下B環感應電動勢EB′與實際情況下感應電動勢EB的比值為

圖3 三磁環天線測角誤差趨勢圖

圖4 兩磁環結構誤差角示意圖

圖5 三磁環天線測角誤差趨勢圖

4 三磁環天線測向誤差實驗

以下通過對照實驗對比三磁環天線與同尺寸正交磁環天線測角精度。實驗選取半徑為7.5 cm的磁環，根據關于雷電測向的正交磁環天線的接特性研究[18]，可確定該磁環天線在最佳接收效益時的線圈匝數為60匝。設計參數如表1所示的三磁環天線，實物如圖7所示。

圖7 三磁環天線實物圖

表1 磁環天線參數

利用信號發生器產生200 kHz的正弦信號，示波器連接信號發射線圈，發射線圈匝數為30匝，半徑為40 cm，面積遠大于天線線圈。將天線固定在位于發射線圈正前方10 cm的轉臺上，通過轉動天線來改變信號方向角。將天線3個磁環分別接入終端阻抗為1 MΩ、耦合方式為直流的MDO-3052型數字示波器的3個通道，記錄天線各磁環的響應電壓。

圖6 正交磁環天線測角誤差趨勢圖

由圖8可知，相比于正交磁環天線，采用三磁環天線對信號源進行方位角探測的測角誤差顯著降低，整體誤差降低約50%。進一步分析，正交磁環天線測角誤差峰值分布在 ±90°附近，誤差峰值約為3°；三磁環天線的誤差角度峰值分布在 ±120°和±60°附近，誤差峰值約為1°，結合第3節仿真可知三磁環天線兩結構誤差角σ1，σ2為異號，測角誤差變化趨勢與仿真結果基本相符。

圖8 兩種天線測角誤差對比圖

5 結論

本文分析了正交磁環天線由于結構誤差角造成的測角誤差較大的問題，提出一種改進的三磁環天線，該天線通過兩兩呈60°的磁環進行測向。通過建立測角誤差仿真模型分析了三磁環天線測角誤差優化效果，對比實驗表明，在同等制作工藝下，相較于正交磁環天線，三磁環天線測角誤差整體降低約50%，提高了測向精度。