海库天线建模及电气性能分析

　　一、引言
　　甚低频电磁波（VLF：3kHz～30kHz）由于其波长较长，穿透海水能力强，传播距离远，衰减小的特点，广泛应用于授时、导航、探测、地下通信和远洋通信等领域。由于甚低频波长较长，意味着为取得一定的发射效率需要建设很长的天线，又因是工作在高压大电流大功率的环境下，导致天线的规模十分庞大。现有固定台甚低频发射天线[1]～[4]基本都是垂直单极子电小天线形式，因建设条件及技术限制，利用在地面上架设铁塔的方式建设的VLF发射天线的高度有限，因此人们试图利用现有地理高度条件（例如山谷）来架设发射天线，如此一方面可以提高天线的架设高度，另一方面可以减少建设成本。其缺点是会牺牲一定的天线辐射特性。
　　本文基于山谷天线[5][6]的一个典型案例：海库天线[1]来研究山谷对天线特性的影响。用传统的解析方法计算山谷天线的问题时，周边山谷对天线的影响不好分析，天线的辐射阻抗不易计算。本文使用电磁仿真软件FEKO进行计算，通过简化山谷模型，利用MoM法对山谷以及天线进行有效的剖分，可以在一定的精度要求下得到天线的电流分布、辐射阻抗和有效高度等参数，为研究甚低频山谷发射天线提供了很大的参考价值。
　　二、海库天线建模
　　根据文献[1]介绍，海库长波台位于夏威夷瓦胡（Oahu）岛，其甚低频天线架设在夏威夷群岛瓦胡岛东边的一个死火山口上，天线有四条长的悬链组成，其跨度约为2200m（7200英尺），其中约1400米（4600英尺）是有效的。依靠张力，可使悬链的中央距火山口底面高度在444米（1453英尺）～366米（1200英尺）之间。所有的下引线互相连接，并馈送到发射机房内的单调谐螺旋线圈上。将天线装配成既能使四条悬链一同使用，必要时又能使两条悬链为一组，每组与不同发射机在一起工作。因天线位于火山口上，在地理上面属于三面被固化岩溶物质环绕，一面开放，如图1所示。天线的架设高度为400米，顶容线长度为1400米，选取一般工作频点20kHz为代表频率进行验证计算，文献中20kHz时，天线的辐射阻抗为0.16-260j（Ω）。因在架设天线的时候是在山谷顶端架设一定高度的铁塔来支撑连接顶容线，因此山谷的高度比顶容线的高度要低，本文设置此高度差为20米。经计算得到，此时天线的辐射电阻和电抗为0.43Ω和185.25Ω。与文献[1]中数据差距较大，因此此种山谷模型与实际情况不相符。
　　海库天线位于火山口，其四周的山壁多为火山喷发所遗留的矿物质，因此可以用理想导体来近似，但是因地球重力、风化等作用导致山壁与火山口底部之间不是垂直结构，而是呈一定倾角。在改进模型的时候，设定倾角为30°，如图2，在计算后发现天线的辐射阻抗为0.35-177j（Ω），阻值部分在向文献数据靠拢，而抗值部分却仍然差距较大。再结合文献中关于海库天线的图表描述，可以判断天线的顶负载长度与文中文字部分叙述不符，可能是文字部分在出版过程中有误，故改进顶容线长度为2400英尺，即700米，改进后的海库天线模型如图2所示。
　　经计算得到天线的阻抗为0.17-265.35j（Ω），此结果已经与文献数据很接近，考虑到文献中所得到的数据为实际海库天线所测量数据，而本文所仿真的数据为计算结果，因此误差在允许范围之内，认为此时的天线简化模型可以在一定程度上用来分析海库山谷天线的电气性能。
　　三、海库天线电气分析