基于左手傳輸線理論的水平低架天線方向圖控制?

侯文博 章志廣 劉 歡

（1.91404部隊 秦皇島 066000）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

基于左手傳輸線理論的水平低架天線方向圖控制?

侯文博1章志廣2劉 歡2

（1.91404部隊 秦皇島 066000）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

水平低架天線具有低剖面、寬頻帶、易于修復(fù)等優(yōu)點，是新一代甚低頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。端點饋電的水平低架天線具有單向輻射性，給工程應(yīng)用帶來了限制。論文提出一種基于左傳輸線理論的水平低架天線方向圖控制方法，通過沿天線加載串聯(lián)電容和并聯(lián)電感，實現(xiàn)對沿天線傳播的電磁波傳播常數(shù)進行調(diào)制，以改變天線的最大輻射方向。研究結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)募虞d，可以在天線上實現(xiàn)左手傳輸線特性，即電磁波能量傳播和相位傳播反向，從而實現(xiàn)天線最大輻射方向從前向的端射方向向后向的轉(zhuǎn)變。

甚低頻；水平低架天線；左手傳輸線

1 引言

甚低頻（VLF）發(fā)射天線［1～3］一般采用帶有頂負載的垂直單極子形式，由多座200m～300m高的鐵塔支撐，頂部架設(shè)大面積的頂負載，天線下方鋪設(shè)大面積的地網(wǎng)，以提高輻射效率。根據(jù)電磁理論，靠近有耗地面的垂直電振子、水平磁振子（即垂直環(huán)天線）和水平電振子均可激勵出垂直極化波。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，試圖從水平磁振子和水平電振子方面尋找可替代高聳鐵塔的天線形式。在垂直環(huán)天線方面，新西蘭科研人員利用山體和隧道建造的一套山體環(huán)天線［3］，天線全長3.3km。場強測試結(jié)果表明：當(dāng)工作頻率為10kHz，天線最大方向上的等效輻射效率為0.015%。水平電振子方面，最典型的就是水平低架天線，在甚/極低頻無線電工程中具有廣泛的應(yīng)用［4～9］，早期主要用作低頻電磁波的接收，例如著名的Beverage天線就是一種電流為行波分布的水平低架天線。與垂直電振子和垂直環(huán)天線相比，水平低架天線具有成本低，架設(shè)方便，維護簡單的優(yōu)勢，而且天線長度可以做到與波長相當(dāng)，以獲得較寬的頻帶。美國海軍武備中心科羅納研究所和斯坦福大學(xué)均開展了VLF水平低架天線研究，其中科羅納研究所在夏威夷火山熔巖架設(shè)了5根6km長的水平低架試驗天線［7］，斯坦福大學(xué)先后在南極洲建立了21.2km和7km長的水平低架天線［8］。在國內(nèi)，722研究所的甚低頻天線研究團隊在國防預(yù)研基金項目的支持下，對水平低架天線進行了深入的研究，基于矩量法和分層媒質(zhì)格林函數(shù)建立了水平低架天線的數(shù)值計算模型，搭建試驗條件進行了水平低架天線輻射性能摸底試驗［10～13］。

由于地面的負鏡像作用，水平低架天線的輻射效率很低，這是制約其應(yīng)用于甚低頻發(fā)信系統(tǒng)的關(guān)鍵。水平低架天線與大地構(gòu)成一副開放式的TEM波傳輸線，其傳播常數(shù)中的相位常數(shù)大于空氣中的相位常數(shù)，因而沿天線電磁波的相速度低于空氣中的相速，為一慢波結(jié)構(gòu)。根據(jù)電磁場理論，慢波結(jié)構(gòu)只能在不連續(xù)處輻射電磁波。為了提高水平低架天線的輻射效率，可以在天線上人為制造出一些不連續(xù)點，或者提高沿線電磁波相速度。美國科羅納研究所的E.W.Seeley［7］指出通過電容加載的方式可以在天線上激勵出快波，改善天線的輻射效率。

水平低架天線具有方向性，對于中點饋電的水平低架天線，其方向圖呈∞字形，最大方向在天線的延長線上；對于端點饋電或者靠近端點饋電的水平低架天線，其方向圖在首尾方向并不對稱，呈單向輻射特點，類似于端射天線，最大輻射方向在從饋電點指向天線末端的方向上。水平低架天線輻射的方向性是工程設(shè)計中必須考慮的問題，在某些架設(shè)場地，受地形地貌條件制約，難以將天線路徑對準(zhǔn)通信對象，甚至?xí)霈F(xiàn)天線走向與通信方向相反的情形。在這種情況下必須研究天線方向性的調(diào)控技術(shù)，將天線的最大輻射方向調(diào)整到通信目標(biāo)所在的方向。

本文在E.W.Seeley的電容快波加載研究基礎(chǔ)之上，提出在天線上進行串聯(lián)電容和并聯(lián)電感的周期加載，控制沿天線的電磁波傳播常數(shù)，使其相位常數(shù)為負，實現(xiàn)電磁能量從饋電點向末端傳播的同時，電磁波相位卻向相反方向傳播，符合所謂左手傳輸線的概念［14］。由于天線電流相位傳播方向與天線走向相反，也就實現(xiàn)了天線最大輻射方向從端射方向往后向的轉(zhuǎn)變。

2 左手傳輸線原理及實現(xiàn)方式

水平低架天線與其鏡像構(gòu)成一副TEM波傳輸線。電磁波沿天線向前傳播時，電場矢量、磁場矢量與等相位波前的傳播方向構(gòu)成右手螺旋關(guān)系，因而稱之為右手傳輸線。其特點是相位傳播方向與能量傳播方向一致，隨著電磁波的向前傳播。相位依次滯后。左手傳輸線是左手媒質(zhì)的一維形式。在左手媒質(zhì)中，電場矢量、磁場矢量與等相位波前的傳播方向構(gòu)成左手螺旋關(guān)系，相位傳播常數(shù)為負數(shù)，相位傳播方向與能量傳播方向相反，隨著電磁波的向前傳播，相位依次超前。

自然界中目前并未發(fā)現(xiàn)左手媒質(zhì)，也就不存在相應(yīng)的左手傳輸線，但通過對右手傳輸線進行電抗加載，可以在一定的頻率范圍內(nèi)獲得等效的左手傳輸線效應(yīng)［14］。如圖1所示，在普通右手傳輸線上周期性的加載串聯(lián)電容和并聯(lián)電感，可以抵消傳輸線自身存在的并聯(lián)分布電感和串聯(lián)分布電容，從而改變傳輸線的相位傳播特性，直至出現(xiàn)負的相位傳播常數(shù)，即左手特性。

加載后的傳輸線傳播特性可以用周期性加載傳輸線理論進行分析。設(shè)未加載時天線的初始傳播常數(shù)為β，加載后天線的傳播常數(shù)為γ，加載周期為d，每一個加載周期中，加載電容為C，加載電感為L，損耗電阻為R。對于圖1所示的一個周期段，d/2段傳輸線的ABCD傳輸矩陣為

串聯(lián)加載電容的ABCD矩陣為

并聯(lián)加載電感的ABCD矩陣為

從圖1所示的P1點到P2點，一個周期段總的ABCD矩陣為

為滿足周期條件，導(dǎo)出如下的本征值方程［8］：

對于長10km，架高為10m的水平低架天線，取加載周期為1km，設(shè)大地電阻率為1500Ω·m，天線等效半徑為0.4m，計算了不同加載參數(shù)下，天線在20kHz頻率的傳播常數(shù)。圖2為傳播常數(shù)相對于空氣中傳播常數(shù)歸一化之后的偽彩圖，其中圖2中上圖為相位常數(shù)的偽彩圖，藍色區(qū)域的相位常數(shù)為負，為左手傳輸特性區(qū)域；圖2中下圖為衰減常數(shù)圖的偽彩圖中，深藍色代表衰減常數(shù)較大的區(qū)域，電磁波將處于截止?fàn)顟B(tài)。圖3為圖2的局部等位線圖，圖中藍色為歸一化相位常數(shù)的等位線，紅色歸一化衰減常數(shù)的等位線。根據(jù)圖3可由期望獲得的相位常數(shù)和衰減常數(shù)選取對應(yīng)的加載電容和加載電感值。

3 加載水平低架天線的輻射效率

采用FEKO仿真軟件，建立水平低架天線輻射效率的評估模型。由FEKO軟件仿真得到天線在中等距離遠處（地波傳播公式適用范圍）的輻射場，然后將該輻射場與地波傳播公式的結(jié)果進行對比，從而得到天線的輻射功率，進而得到天線的輻射效率。該效率評估模型與工程上通用的低頻天線輻射效率測量方法一致，唯一的差別是用輻射場強的仿真數(shù)據(jù)來取代實際的場強測量數(shù)據(jù)。FEKO軟件對有耗半空間線天線的輻射問題有較高的求解精度，基于該軟件進行天線效率仿真評估的結(jié)果是可信的，其有效性已經(jīng)通過計算垂直偶極子場強并與地波傳播公式進行對比得到了驗證。需要注意的是FEKO仿真給出的是場強的峰值，而地波傳播公式給出的是有效值，兩者相差3dB。

為了將水平低架天線的最大輻射方向由端射方向調(diào)整到后向，天線傳播常數(shù)中的相位常數(shù)kL應(yīng)接近-k0，k0為空氣中波數(shù)。分別取天線相位常數(shù)kL為-1.2k0、-1.1k0、-1.0k0、-0.95k0、-0.9k0，計算得到 5組加載電容量和加載電感量的組合，如圖4所示。

用FEKO軟件對周期加載水平低架天線建模，設(shè)天線輸入功率為1kW，仿真計算距天線饋電點后向120km遠處的場強值。在此基礎(chǔ)上通過FEKO軟件中的優(yōu)化模塊搜索每一組加載電容量和電感量組合下使場強值達到最大的最優(yōu)值。仿真計算數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出在（-1.2k0，-0.9k0）的相位常數(shù)變化范圍內(nèi)，經(jīng)過優(yōu)化后的場強值基本相當(dāng)，其中相位常數(shù)在-1.0k0到-0.95k0時，輻射場強達到最高值。與之對應(yīng)的加載電容量和電感量的最優(yōu)組合數(shù)值變化不大，這說明選擇這一區(qū)域的傳播常數(shù)進行設(shè)計時，加載電容量和電感量并不是十分敏感的參數(shù)，可以允許有一定的偏差，這給工程設(shè)計帶來了便利性。

4 周期加載水平低架天線的方向圖

水平低架天線輻射的方向性可以由行波天線原理來解釋。根據(jù)天線原理，行波電流的最大輻射方向總是指向相位滯后的方向。無加載情況下，水平低架天線的電流自饋電點向末端傳輸，到達末端后再反射回來。正向和反向電流的疊加在天線上形成行駐波分布。由于水平低架天線沿線的衰減特性，天線越長，衰減越大、末端的反射電流就越小，天線更接近行波分布。行波電流的存在使得端點饋電的水平低架天線呈端射特性，最大輻射方向位于從饋電點指向天線末端的方向。如果在天線上獲得左手傳輸線特性，電流相位隨著傳播方向依次超前，則可以將端射方向圖變?yōu)楹笙蜉椛涞姆较驁D。

表1 最優(yōu)加載電容量和電感量組合

以前文討論過的10km長水平低架天線為例，饋電點位于端點，另一端懸空。在未進行電感電容加載的情況下，通過FEKO仿真軟件計算得到的天線輻射方向圖如圖5所示，其中觀察點距離天線饋電點120km，x軸正向為自饋電點指向天線末端的方向。從計算結(jié)果可以看出天線的方向圖呈不對稱的∞字形，最大輻射方向在天線的端射方向上。進一步的仿真分析表明，當(dāng)天線長度增加時，天線輻射的單向性將更加明顯。

選取表1所示的一組加載參數(shù)L=1.382mH，C=0.0385μH，此時沿天線傳播電磁波的相位常數(shù)為-k0，正好與空氣中的波數(shù)反號。通過FEKO仿真軟件計算得到的天線輻射方向圖如圖6所示。與圖5的結(jié)果相比，通過加載后，天線的最大輻射方向已從端射方向變換到后向，且前后比也提高到10dB以上。

5 結(jié)語

與垂直天線相比，甚低頻水平低架天線的輻射具有方向性。這種方向性對于工程設(shè)計而言是一把雙刃劍，在減少了無關(guān)方向輻射的同時，也限制了天線的覆蓋范圍，這在一定程度上成為甚低頻水平低架天線走向工程實用的制約因素。本文基于左手傳輸線理念，研究了在天線上周期性地加載電感和電容，通過調(diào)節(jié)電磁波沿天線傳播的相位常數(shù)來控制天線的方向圖。理論分析和FEKO仿真結(jié)果表明，選取適當(dāng)?shù)募虞d參數(shù)，可以在天線上激勵出具有負的相位傳播常數(shù)的電流模式，此時天線表現(xiàn)為左手傳輸特性，其最大輻射方向由端射方向轉(zhuǎn)變?yōu)楹笙蜉椛浞较颉?/p>

本文僅討論了水平低架天線的方向圖最大方向從前向到后向的調(diào)整，這僅是最簡單的情形。在實際工程中，受地形地貌條件的制約，水平低架天線的走向也可能與通信目標(biāo)方向不在一條直線上，此時還需要解決天線方向圖的任意指向性的調(diào)節(jié)控制，這將是下一步需要繼續(xù)深入研究的課題。

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Pattern Adjustment for the Horizontal Antenna Based on Left-Hand Transmission Line Theory

HOU Wenbo1ZHANG Zhiguang2LIU Huan2
（1.No.91404 Troops of PLA，Qinhuangdao 066000）（2.Wuhan Maritime Communication Research Institute，Wuhan 430079）

An pattern adjustment method based on left-hand transmission line theory is proposed in this paper to modify the radiation direction for the VLF low-construct horizontal antenna.In this adjustment process，electromagnetic wave number along the antenna is modulated by capacitive and inductive loading.It is shown that the left-hand transmission can be achieved，and the maxi?mum radiation direction will be transformed from end-fire to backward.

VLF，horizontal antenna，left-hand transmission line

TN82

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.017

Class Number TN82

2017年5月7日，

2017年6月17日

侯文博，男，碩士，研究方向：電子對抗、無線通信。章志廣，男，碩士，工程師，研究方向：無線通信。劉歡，女，碩士，工程師，研究方向：無線通信。