基于地波理论和波导理论的甚低频发射天线辐射效率测量

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1、第29卷第4期增刊2008年4月仪器仪表学报ChineseJournaIofScientificInstrumentVoi．29No．4Apr．2008基于地波理论和波导理论的甚低频发射天线辐射效率测量梁玉军徐炜张静谢慧(海军工程大学电子工程学院通信工程系武汉430033)摘要甚低频发射天线辐射效率测量是该类型天线电气参数测量的一个难题。本文基于地波传播理论和波导理论，提出了在限定测试距离范围内，通过测量辐射场强进而推导辐射功率和辐射效率的测试方法，实验证明，当测试距离在20-70公里之间时，理论预测曲线与实验曲线一致。关键词甚低频发射天线辐射效

2、率波导模式MeasurementofRadiantEfficiencyofVLFTransmittingAntennaBasedonGroundWaveandWaveguideModeLiangVujunXuWeiZhangJingXieHui(DepartmentofCommunicationEngineeringNavyUnivofengineeringWuHan430033China)AbstractDifficultiesintheelectricparametermeasurementofverylowfrequencytransmit

3、tingantennaliesinthemeasurementofantennaradiationefficiency．Basedongroundwavepropagationtheoryandwaveguidemodetheory,amethodtoreckontheradiationpowerandradiationefficiencybymeansofmeasuringtheradiationelectricfieldWaSintroduced．Analyticshowsthatthetheoreticallypredictedcurvea

4、greeswellwithexperimentallymeasureddataundertheconditionthatmeasurementdistanceshouldbecontrolledbetween20kmand70kin。Keywordsverylowfrequencytransmittingantennaradiationefficiencywaveguidemode1引言甚低频(VeryLowFrequency，简称VLF)通信是目前对水下潜航潜艇进行通信的事要手段。由于甚低频频率较低(3—30kHz)，波长较长(10--lOOk

5、m)，为了达到良好的辐射效率，甚低频发射天线通常都非常庞大。一般情况下天线场占地几平方公里，场区内百米铁塔林立，导线如网。从天线的结构尺寸和实际电磁环境方面考虑，甚低频发射天线辐射效率的测量方法就与传统的微波暗室测量和标准天线场测量存在较大差异，上述两种测量方法已经不能够对甚低频发射天线进行效率测量。必须在现场测试甚低频发射天线的辐射效率。7352天线辐射效率计算方法天线将馈入的电能转化为电磁波在空间传播，输入到天线上的功率并未全部辐射出去，其中的一部分要损耗于其它方面。为表征天线的辐射能力，特定义了参数辐射效率玑。玑专=彘=彘㈩式中e表示辐射功

6、率，己表示输入功率，另表示损耗功率，辟表示等效的辐射电阻，置表示等第4期增刊梁玉军等：基于地波理论和波导理论的甚低频发射天线辐射效率测量效的损耗电阻。由此可见，要测量天线的辐射效率，必须测量出天线的辐射功率、输入功率，或者测量出天线的辐射电阻和损耗电阻。实际的甚低频发射天线由于体积庞大，导线较长，天线感应空间中的电磁波后会在输入端产生较大的感应电压。如在某副天线上进行高压测试时，可以观测到上千伏的感应电压频繁出现。该感应电压足以击穿网络分析仪和阻抗分析仪等测试仪器的前端放大器使得阻抗参数无法测量。因此在损耗电阻和辐射电阻无法测试的情况下，不能直接

7、利用这两个阻抗参数计算辐射效率，只能从辐射功率和输入功率方面着手进行研究，其中输入功率可以从发射机的指示面板上给出，因此关键问题是如何确定天线的辐射功率。甚低频发射天线虽然体积庞大，结构复杂，但在理论上对其进行分析时，可将其理想化为理想导电平面上的垂直单极子。假定天线的增益因子系数为3，当d>九时，天线的辐射功率可以表示为：只=霹d2／90与公式(1)相近的公式还有舒来依金一范德波尔地波场强公式。该公式加入了地波衰减因子。在半径d较小时，地波衰减因子可以忽略。由于甚低频电波是限制在地球电离层波导内传播的，波导的高度通常为7㈣公里，因此在传播距离大

8、到一定程度时，场强需要计及波导的影响，而不能直接用公式(1)计算。根据波导模式传播理论11l，甚低频电磁波在由地球表面和电离层构成的球形