摘要：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剖析核算，剖析了天线的输入阻抗、有用高度、电容等电气参数。在建模时考虑了铁塔及不同顶容线模型的影响，并对有无铁塔及不同铁塔类型、以及天线不同方法时天线的输入阻抗进行比照剖析。
关键词：T形面型天线；输入阻抗；静态电容；有用高度
甚低频电磁波与较高频段的电磁波比较，能穿透海水、深化岩层、并具有传达安稳、损耗小的特色，在导航、地质探矿、地下通讯、潜艇和远洋通讯等方面得到广泛的运用。T形面型天线阵是一种常用的大功率甚低频发射天线，其结构巨大、架起困难，一旦架起完成果难以更改，规划失误将形成巨大损失。甚低频T形天线阵电气参数的精确核算一直是工程规划中的难题，传统的解析办法难以对实践天线作精确的模仿和核算，工程上一般需求经过制造缩比模型来进行规划，不光规划周期长、本钱高，并且模型制造中的差错也会影响天线的规划功能。
近年来，跟着电磁场数值剖析技能的开展和核算机功能的进步，大型甚低频天线的数值建模和仿真剖析成为可能。选用核算电磁学办法对杂乱T形天线阵进行剖析核算，不仅能缩短规划周期、削减开支，且能得到较精确的核算成果。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剖析核算，然后为该天线的工程规划供给参阅。
文中运用的仿真东西是商业电磁软件FEKO，FEKO是南非EMSS公司开发的一款依据积分方程办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核算。
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，顶容线的距离为45 m。导线障距地上最低高度是165 m。每组顶容线与高压馈笼之间由5根下引线衔接，高压馈笼离地高度10 m。
天线地网的建模非常杂乱，难于仿真核算。本文的意图在于剖析天线的电容和有用高度，故在建模中将地上设置为无限大抱负导电平面。因为没有触及导线损耗和地损耗，所核算出来的输入电阻便是天线的辐射电阻。
所树立的单组天线模型如图1所示。每段顶容线选用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，导线距离90 m，高压馈笼由一根半径0.1 m的导线近似，铁塔选用0．5 m的导线近似，拉线选用与地上成45度角的直导线。天线模型置于地上上，馈电点在高压馈笼中点与地之间，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组天线一起作业时，各自的输入阻抗与天线的鼓励状况是密切相关的。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鼓励状况无关，将两组天线设置为独立馈电，剖析要点在于核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，再结合实践调谐状况下2天线各自的输入电流，就能够确认实践作业状况下的天线输入阻抗。
2 核算成果及剖析
使用FEKO对单组天线模型进行核算，得出天线输入阻抗，由阻抗能够进一步核算算出天线电容和有用高度。经过对不同铁塔方法时天线输入阻抗核算数据的比照，剖析铁塔对天线功能的影响。
关于双组天线，别离核算出一组天线馈电另一组开路；一组天线馈电另一组短路两种状态下馈电天线的输入阻抗，并经过核算两组天线一起馈电时的散射参数推算出两天线间的互阻抗。
1)单组天线输入阻抗、静态电容及有用高度
由FEKO核算出天线的输入阻抗，并依据天线的输入阻抗核算出了天线的静态电容及有用高度。因为所建模型中地上是无限大抱负电平面，且未考虑导线损耗，故天线的输入电阻即可作为辐射电阻Rr，由此能够推算出天线的有用高度he。
由辐射电阻核算公式
关于作业频率远低于天然谐振点的VLF天线，经过给定作业频率下的电抗X即可求出天线的静态电容C。将天线近似等效为电阻R、电感L、电容C串联电路，则在频率f1和f2上天线的抗值别离为：
由频率f1和f2上天线电抗的核算值，求解方程(3)和(4)即可得到天线的静电容。
单组天线输入阻抗、有用高度及电容的核算成果如表1所示。
2)铁塔对天线功能影响
T形面型天线一般选用铁塔支撑，因为大型铁塔绝缘难度大，T形面型天线一般选用接地铁塔。铁塔和拉线在电磁场的效果下将感应出电流，这一电流会使天线的有用高度下降。甚低频发射天线实践功率常常比规划功率低许多，铁塔和拉线的影响是原因之一。
为了定量剖析铁塔对天线功能的影响，文中别离核算有无铁塔、铁塔有无拉线及拉线是否绝缘时单组天线的输入阻抗、静电容和有用高度，因为前面章节已罗列天线输入阻抗值，在此不再赘述，仅给出静电容及有用高度的核算成果，如表2、表3所示。
从对数据的剖析，可见铁塔及拉线的存在使得天线静电容稍微增大，但导致天线辐射电阻和有用高度显着下降，然后使得天线的辐射功率下降。
3)2组天线自阻抗和互阻抗的核算
在2组天线一起存在的状况下，别离核算了仅一组天线作业时天线的自阻抗，以及两组天线一起作业时天线之间的互阻抗。
①仅一组天线馈电
仅对一组天线进行馈电，别的一组天线接地时，馈电天线的输入阻抗的核算成果，如表4所示。
由表4可见，双组天线仅一组天线作业时，天线的电抗与单组天线的成果根本共同，即天线的静电容根本相同。并且作业组天线的输入电阻小于天线独自存在时的输入电阻，这是因为非作业组天线上产生了反向感应电流，然后使得作业组天线的辐射电阻下降。这意味着两组天线中，当只要一组天线作业时，其有用高度将低于单组天线孤立存在时的有用高度，并且当非作业组天线接地时，其对作业组天线有用高度的负面影响更为显着。
②2组天线一起馈电
当2组天线一起馈电时，可将其看作是一个二端口网络，然后能够得到两组天线各自的输入阻抗和散射参数。由散射参数能够推算出其归一化的互阻抗参数：
用归一化的互阻抗参数乘以鼓励源的特性阻抗，即可得到天线的互阻抗，如表5所示。文中在核算天线馈电端口的散射参量时，鼓励源的特性阻抗取为50 Ω(该阻抗值只影响散射参量的核算成果，不影响终究的互阻抗)。
与表1成果比照可知，两组天线之间的互电阻近似等于天线独自存在时的辐射电阻。因而当两组天线一起作业、且电流等幅同相时，单组天线的辐射电阻将增大一倍；而归算到总输入电流的天线阵总的辐射电阻，则与单组天线根本相同。也便是说，选用多组天线作业的方法不会进步总辐射电阻。
3 定论
选用三维全波电磁仿真软件FEKO对T形面型天线的电功能进行了仿真核算。关于单组T形天线，得到了天线的输入阻抗，并由此推算出天线静态电容和有用高度。关于两组天线，核算了单组天线作业时的阻抗、静电容、有用高度以及两组天线一起作业时的输入阻抗。为定量剖析铁塔和拉线带来的影响，核算了有无铁塔以及选用不同拉线结构时，天线的输入阻抗、有用高度和静态电容，核算成果表明，因为铁塔和拉线的影响，天线的有用高度有所下降。
