基于积分方程方法和矩量法的线型天线建模和仿真计算设计.doc
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1、基于积分方程方法和矩量法的线型天线建模和仿真计算设计甚低频电磁波与较高频段的电磁波相比,能穿透海水、深入岩层、并具有传播稳定、损耗小的特点,在导航、地质探矿、地下通信、潜艇和远洋通信等方面得到广泛的应用。T形面型天线阵是一种常用的大功率甚低频发射天线,其结构庞大、架设困难,一旦架设完成就难以更改,设计失误将造成巨大损失。甚低频T形天线阵电气参数的精确计算一直是工程设计中的难题,传统的解析方法难以对实际天线作精确的模拟和计算,工程上一般需要通过制作缩比模型来进行设计,不但设计周期长、成本高,而且模型制作中的误差也会影响天线的设计性能。近年来,随着电磁场数值分析技术的发展和计算机性能的提高,大型甚
2、低频天线的数值建模和仿真分析成为可能。采用计算电磁学方法对复杂T形天线阵进行分析计算,不仅能缩短设计周期、减少开支,且能得到较准确的计算结果。本文运用三维全波电磁仿真软件对甚低频T形面型天线进行电磁建模和仿真分析计算,从而为该天线的工程设计提供参考。文中使用的仿真工具是商业电磁软件FEKO,FEKO是南非EMSS公司开发的一款基于积分方程方法和矩量法求解麦克斯韦方程组的三维电磁场仿真软件,特别适用于线型天线的建模和仿真计算。1 天线建模文中的VLF发射天线由两组T形天线组成,单组T形天线的顶负载是一个投影面积是1240 mx450 m的导线障,由11根顶容线和3根横向钢索构成,顶容线的间距为4
3、5 m。导线障距地面最低高度是165 m。每组顶容线与高压馈笼之间由5根下引线连接,高压馈笼离地高度10 m。天线地网的建模非常复杂,难于仿真计算。本文的目的在于分析天线的电容和有效高度,故在建模中将地面设置为无限大理想导电平面。由于没有涉及导线损耗和地损耗,所计算出来的输入电阻就是天线的辐射电阻。所建立的单组天线模型如图1所示。每段顶容线采用4根314m的折线近似,顶容线最低点取165 m,下引线由5根长约215 m的导线组成,导线间距90 m,高压馈笼由一根半径0.1 m的导线近似,铁塔采用05 m的导线近似,拉线采用与地面成45度角的直导线。天线模型置于地面上,馈电点在高压馈笼中点与地之
4、间,由电压源馈电。模型剖分线元长度取25 m。双组天线模型如图2所示。2组天线同时工作时,各自的输入阻抗与天线的激励情况是密切相关的。在电磁模型中难以计入调谐回路的影响,考虑到天线之间的互阻抗与激励情况无关,将两组天线设置为独立馈电,分析重点在于计算两组天线各自的自阻抗和天线之间的互阻抗。得到天线的自阻抗和互阻抗后,再结合实际调谐情况下2天线各自的输入电流,就可以确定实际工作情况下的天线输入阻抗。2 计算结果及分析利用FEKO对单组天线模型进行计算,得出天线输入阻抗,由阻抗可以进一步计算算出天线电容和有效高度。通过对不同铁塔形式时天线输入阻抗计算数据的对比,分析铁塔对天线性能的影响。对于双组天
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