各向异性电离层中的甚低频近区场及天线理论研究

发布时间：2020-07-20 14:36

【摘要】：近三十年来,随着美国和欧洲等国星载甚低频(Very Low Frequency,VLF:3-30 kHz)发射与传播试验的开展,星载发射天线在当代VLF通信及导航系统中的重要性已越来越大,未来极有可能成为对海面及水下目标通信导航的重要手段。本文以星载VLF发射与传播试验为研究背景,运用解析和数值相结合的方法研究了均匀各向异性电离层中的VLF近区场及天线理论。由于电离层在VLF频段会表现出强烈的各向异性特性,VLF电磁波在电离层中传播时将同时存在两种模,即寻常波(O波)和非寻常波(E波)。当星载VLF天线位于低轨卫星高度时,其激励的寻常波为倏逝波,具有较大的衰减因子,而非寻常波则是具有较小衰减率的可传播波,因此以往在计算电离层中的VLF远区场时通常忽略寻常波的影响。但由于天线的电流分布和输入阻抗主要由其产生的近区场决定,因此在研究各向异性电离层中的VLF近区场及天线问题时应同时考虑寻常波和非寻常波的影响。本文取得的研究成果可总结如下:1.本文首先提出了一种可用于计算各向异性电离层中VLF近区场的半解析方法,该方法通过利用复变函数理论和加速收敛算法,将近区场原来的快速振荡积分变换成两个速收敛积分和一个解析解部分。2.通过将任意方向电偶极子看成平行和垂直于地磁场的电偶极子的叠加,并在推导过程中加入地磁倾角的因素,本文进一步研究了各向异性电离层中与地磁场呈任意角度的VLF电偶极子近区场的计算方法。3.基于线天线在各向同性媒质中的电流分布公式,本文提出了线天线在各向异性电离层中电流分布的可能形式,并给出了星载VLF线天线电流分布和输入阻抗的计算方法。该方法可通过确定天线的最佳参数为实际星载工程应用提供理论依据。4.考虑到星载天线与地磁场之间的夹角会随卫星沿轨道运动而发生变化,本文同时深入研究了地磁倾角对星载VLF线天线电流分布和输入阻抗的影响,并利用快速汉克尔变换(FHT)给出了各向异性电离层中任意方向线天线核函数的求解方法。5.最后,通过考虑电流集中在天线表面,本文还进一步研究了各向异性电离层中的VLF管状天线,并利用高斯—勒让德正交法(GLQ)给出了管状天线核函数、电流分布及输入阻抗的计算方法。计算结果表明,在近区寻常波具有和非寻常波相当的幅度并会对总场产生一定的影响,且寻常波的相位突变点恰好对应了其场强的极小值。同时,在非寻常波近区场的辐射模式上存在着显著的“凝聚效应”,即沿地磁场方向的场强要明显大于其他传播方向的场强。对于任意方向的电偶极子,其近区的合成场中来自垂直于地磁场电偶极子的贡献将明显大于来自平行于地磁场电偶极子的贡献。此外,本文还发现星载VLF线天线的电流分布和输入阻抗均会随着天线的电长度、工作频率等参数的变化而变化,且当天线方向与地磁场方向平行时天线具有最小的输入阻抗。可以看出在各向异性电离层中,线天线上的电流分布中对应于寻常波的比例要远大于对应于非寻常波的比例,而在管状天线的电流分布中寻常波和非寻常波具有相近的幅度系数。最后,本文还发现管状天线的输入阻抗会随着天线半径的增加而减小。在实际的工程应用中,为了使星载VLF线天线具有最大的辐射效率,天线的朝向应尽可能与地磁场方向平行,之后应通过理论分析确定天线的最佳参数以进一步优化星载天线的总体设计。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN820;TN011
【图文】：

电流分布,星载,发射系统,卫星

１．１．２邋ＶＬＦ电磁波在电离层中的传播特性逡逑１．１．２．１电离层的电子密度逡逑当卫星沿近地轨道运行时，星载天线与地面的相对距离在短时间内是保持不变的。图１－逡逑２展示了由国际电离层参考模型提供的电离层电子密度随高度的变化规律［２９］，可以发现位逡逑于３００４００公里高度的电子密度是相对较高且稳定的。考虑到天线的电流分布和输入阻抗逡逑２逡逑

变化情况图,电离层,国际,非寻常波

逦３５逡逑工作频率（ｋＨｚ）逡逑图１－３邋ＶＬＦ频段内非寻常波的临界角随工作频率的变化情况逡逑１．１．２．３电离层的折射率逡逑由于电离层在ＶＬＦ频段是具有较高折射率的各向异性媒质，故ＶＬＦ波在电离层中的逡逑波长会被大大缩短。此外，电离层的折射率还会随着地磁倾角的变化而变化，因此在不同逡逑的传播方向上，Ｅ波的波长也是不一样的。各向异性电离层的折射率及非寻常波的波长可逡逑４逡逑

非寻常波,折射率,临界角,频段

０００逡逑Ｈｅｉｇｈｔ邋（ｋｍ）逡逑图１－２国际电离层参考模型提供的电离层电子密度随高度的变化情况逡逑９０邋Ｉ逦１逦．逦！逦１逦１逦！逦逡逑＼ｉ逦ｊ逦ｉ逦｜逦｜逦ｉ逡逑８９．８邋？邋邋邋邋一’：逦＾一．逦＂ｉ．…．逦ｉ逦－逡逑８９６邋ｒ＼ｌ邋！逦！逦！逡逑０７．０邋邋邋Ｉ逦ｔ逦：逦：逦ｒ逡逑Ｃ逦Ｉ逦丨丨丨ｉ逡逑二邋８９．４逦ｆ逦——逦ｒ逦ｆ逦１逦逡逑ｈ逦＞ｖ逡逑８９邋逦｜逦逦Ｉ逦＾ｓＬ？？■？？？？？．．■｜逦逡逑８８．８逦－逦！逦；逦｜逦逦卜逦－逡逑ｉ逦ｓ逦！逦ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑８８．６邋１逦１逦１逦１逦１逦１逦１逦逡逑０逦５逦１０逦１５逦２０逦２５逦３０逦３５逡逑工作频率（ｋＨｚ）逡逑图１－３邋ＶＬＦ频段内非寻常波的临界角随工作频率的变化情况逡逑１．１．２．３电离层的折射率逡逑由于电离层在ＶＬＦ频段是具有较高折射率的各向异性媒质，故ＶＬＦ波在电离层中的逡逑波长会被大大缩短。此外，电离层的折射率还会随着地磁倾角的变化而变化，因此在不同逡逑的传播方向上，Ｅ波的波长也是不一样的。各向异性电离层的折射率及非寻常波的波长可逡逑４逡逑

【参考文献】