1. 研究目的与意义（文献综述）

1．目的及意义

1.1分析长波通信天线末端电场强度的目的

长波通信（long-wave communication）是利用波长长于1000米（频率低于300KHz）的电磁波进行的无线电通信，亦称低频通信。它可细分为在长波（波长10一1000米），甚长波（10km一100km），超长波（1000km一10000km）和极长波（1～10万公里）波段的通信。甚低频电波频率较低（3kHz-30kHz），在地球‐电离层波导中传播较稳定，衰减较小，在远洋和对潜通信中得到广泛的应用。

理论和实践证明，当天线的长度为无线电信号波长的1/4时，天线的发射和接收转换效率最高。因此，天线的长度将根据所发射和接收信号的频率即波长来决定。只要知道对应发射和接收的中心频率就可以用下面的公式算出对应的无线电信号的波长，再将算出的波长除以4就是对应的最佳天线长度。

长波通信为取得较好的通信效果，常采用气球升举或飞机拖拽的方式。气球天线一般工作于大电流、高电压，一般馈电电压为几十上百千伏（受限于电晕），馈电电流一般最高为100A受限于大电流引起的馈电发热。因为天线的高容抗，所以天线末端的电压要比输入电压高很多，此处电场极强，而电流几乎为零，工作频率也远远高于工频，介质损耗发热严重，有可能导致天线末端因因温升过高而断裂的现象。所以为防止长波通信天线末端断裂事件的发生，找到天线末端温升的分析途径，长波通信天线末端的电场强度分布非常有分析的必要。

论文利用SolidWorks软件建立长波通信天线末端模型，同时利用comsol软件对长波通信天线末端的电场进行了仿真以期通过仿真分析天线末端电场强度分布。通过查阅大量的现有文献资料全面综述了国内外对长波通信天线末端电场强度分布计算研究现状以及存在的不足，并对今后这种影响评估的更广泛更深入的应用前景进行了展望。

1.2 国内外研究现状

文献[2]中简要分析了甚低频气球天线缆绳末端在不同的绝缘保护套的电损耗和相应的温升，通过CST的EM和MPS工作室进行仿真，得到温度场。

文献[3]中根据我国超长波电台建设和运行的经验，对超长波气球天线的电气参数做简明的表述。超长波气球天线在电气上是一个垂直于地面的短振子，在水平面内是均匀辐射，无方向性，在铅垂面内的方向性。论文采用平均点位法计算天线的静态电容，当气球天线垂直时天线静电容可表述为

(1)

当气球天线受大风影响，处于倾斜状态时的静电容为

(2)

文献[4]中提到大功率通信天线因末端开口处电场畸变严重、局部场强过高导致介质损耗发热量过大进而会使天线末端易发生断裂。因此需要对大功率通信天线末端电场强度分布进行研究，从而确定介质的损耗发热量。

因大功率天线工作与交流条件下，内部存在交变电场，因而在电场的作用下，由于介质的极化作用会将电能转化成热能。极化过程中，介质的损耗功率如下：

(3)

由介质的损耗角正切：

(4)

在没有磁损耗的情况下可得：

(5)

由式（5）可知真正影响发热的条件是电场强度E。因要与系留平台相连，大功率通信天线的末端有开口，所以将会导致电场发生畸变，在成百上千伏的工作条件下，极易出现局部场强幅值极大的情况。同时天线末端因与系留平台相连，工作时散热条件非常恶劣，在该情况下工作极易导致天线末端发热严重，进而烧毁天线，造成重大损失。

文献[4]天线三维电准静态场采用柱坐标系进行了建模，计算模型如下：

１）电准静态场控制方程为：

(6)

因此，在电准静态场中，材料的电阻率及介电常数将同时影响电场分布。

２）初始条件和边界条件

初始条件：

(7)

边界条件：

(8)

式中，为无穷远边界。

文献[4]对天线三维准静态电场计算模型进行建模，计算对象为天线末端开口下端1000mm处，计算条件为：天线下端（Z=0mm）铜编织层施加110kV交流电压激励，网格单元选取结构化四面体剖分形式，计算时所用材料参数见表I。

表I 材料参数

文献[8]介绍了系留缆绳的的分类与结构，根据其使用要求与特点，归纳了系留缆绳的设计原则，并在此基础上提出了系留缆绳的设计方法以及注意事项。系留缆绳的典型结构如图3所示，一般包括电力导线单元、光单元、增强单元、铜线编织层、护套等。

文献[13]中以XLPE电缆用10 kV接头为研究对象，针对导体屏蔽管和应力锥结构所采用的半导电材料电阻率较低的特性，通过理论分析指出，对接头的电场模拟应在电准静态场下进行，并采用有限元方法，对比分析了静电场和电准静态场下的接头电场仿真结果。文献中通过对接头中多种典型缺陷几何特征的综合分析指出：对于完好的或含有电缆主绝缘回缩类缺陷的接头，由于具有轴对称的结构特性，推荐采用二维轴对称方式建模，以节约工作量，并获得所需的计算精度；而对于含有绝缘表面划伤或半导电颗粒残留、电缆绝缘屏蔽末端的半导电尖端或气隙，以及导体屏蔽管内高电位尖端等缺陷的接头，由于其轴对称特性遭到破坏，必须采用三维立体建模，以真实模拟实际缺陷。

文献[14]中为了评估甚低频发射天线的辐射性能，对甚低频辐射信号进行测量，基于波跳理论，提出了一种在损耗电阻和辐射电阻无法分别测试的情况下，在一定测试距离范围内，通过测量场强进而推算辐射场和辐射功率的方法。改进了目前在距离天线一定距离的位置利用场强计测出该位置的场强，然后再根据天线的方向特性间接推出天线的辐射功率这种因场强计所测场强不单一而导致测量甚低频发射天线辐射效率不准确的测量方法。

文献[15]针对目前甚低频发射天线辐射性能测量不准确的问题，对影响岸基甚低频发射天线辐射电场和磁场的各个场分量进行了分析计算。提出了在满足一定精度的要求下的甚低频辐射磁场和电场的最佳测试距离，且在夜间测试更为准确。若要求精度满足的误差，用磁场天线进行磁场测量时，测试距离应在距离天线约12~26km范围内，用电场天线进行电场测量时，测试距离应在距离天线约17~45km的范围内。

文献[16]，[22]同时描述了气球天线用VLF设备的组成和性能，介绍了VLF发射天线效率评估的测量原理和数据处理方法。根据波传播理论，利用在地波主频范围内测得的场强计算天线效率。介绍了测试设备的选择、天线系数的标定方法和测试天线的方向增益。

文献[21]研究了气体混合物在工频电压下不同电场非均匀性的击穿和局部放电起始电压特性。采用球-面电极和杆-面电极模拟GIS或GIL中的微不均匀场和局部电场增强，结果表明，气体混合物的击穿电压随着气体压力的增加在略微不均匀的电场中呈线性增加。随着电场不均匀性的增加，气体混合物的击穿电压饱和趋势出现。当电场不均匀性超过一定值时，在电极间隙的电击穿之前出现稳定的电晕放电。由于空间电荷效应，击穿电压的N曲线特征出现在和混合物中。当电场非均匀性增加时，N曲线的强度和范围扩大。

文献[25]文介绍了甚低频信号的场强测量方案和测量数据处理方法，采用频谱仪搭配正交环天线进行场强测量而放弃传统的场强计。为表现场强到电压的转化关系，引入一个天线系数：

(9)

其中为天线系数，单位为，为场强计所测场强，单位为，

为频谱仪所测信号的电压，单位为。

在测量前需对天线的方向性增益进行标校，接着在MATLAB平台上利用其Mapping Toolbox提供的distance和azimuth函数，输入发射台和测试点的经纬度数据就可以算出距离和方位。

实际测量中采用两副正交配置的环天线分别接入频谱仪来测量，在册的两个天线信号的情况下，可以采用正交矢量处理的方式以提高准确度。

(10)

(11)

则和可由以下公式求出：

(12)

(13)

1.3 研究意义

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在长波通信中，天线有着无可取代的地位和作用。然而在目前的长波通信天线结构中，存在着不可避免的缺陷，由于天线末端电场畸变剧烈，散热性差，容易导致长波通信天线末端温度迅速升高从而烧毁断裂，这对于目前长波通信的稳定性是一个重大的安全隐患。长波通信天线连接气球、飞机等系留平台，天线断裂导致系留平台脱系也会引起非常严重的事故。

长波通信天线末端的断裂是由温度升高引起的，而温度的上升又与该部位极易发生的电场畸变有关，所以为了预防天线断裂事件的发生，归根结底是要进行长波通信天线末端电场强度的计算分析。本论文在预防长波通信天线断裂的工作中起到至关重要的作用。

2. 研究的基本内容与方案

.研究的基本内容、拟采用的技术方案及措施

2.1 研究内容

长波通信天线的布置位置高，常采用气球升举或飞机拖拽的方式来取得良好的通信效果。在工作中，长波通信天线的末端常常出现因电场强度极强，电损耗严重引起的温升过高而断裂的现象。在由气球升举，飞机拖拽的天线系统中，天线缆绳的断裂会导致系留平台脱系，引起灾难性的后果。因此，分析天线断裂原因，提出解决办法对长波通信而言具有重要意义。

1.长波通信天线末端电场强度分布数值计算研究国内外研究现状。

2.构建最有可能发生烧断部分长波通信天线末端的电场仿真模型研究。

3. 研究计划与安排

.进度安排（按周次填写）

（1）2018-2019学年度第二学期寒假期间及开学第一周，完成外文文献翻译及国内外现状综述。

（2）2018-2019学年度第二学期第一周-第二周，完成开题报告。

（3）2018-2019学年度第二学期第三周-第四周查阅长波天线末端发热原理以及末端场强的计算方法，学习案例库中ac-dc模块的案例；

4. 参考文献（12篇以上）

4．阅读的参考文献（15篇）

[1]谢处方，饶克勤.电磁场与电磁波［Ｍ］.北京：高等教

育出版社，2006:40-41.

[2]董见,罗建新.甚低频气球天线缆绳末端损耗及温升分析[j].舰船电子工程,2015,35(12):159-161.