【摘要】：近三十年來,隨著美國和歐洲等國星載甚低頻(Very Low Frequency,VLF:3-30 kHz)發(fā)射與傳播試驗(yàn)的開展,星載發(fā)射天線在當(dāng)代VLF通信及導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要性已越來越大,未來極有可能成為對海面及水下目標(biāo)通信導(dǎo)航的重要手段。本文以星載VLF發(fā)射與傳播試驗(yàn)為研究背景,運(yùn)用解析和數(shù)值相結(jié)合的方法研究了均勻各向異性電離層中的VLF近區(qū)場及天線理論。由于電離層在VLF頻段會表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性特性,VLF電磁波在電離層中傳播時(shí)將同時(shí)存在兩種模,即尋常波(O波)和非尋常波(E波)。當(dāng)星載VLF天線位于低軌衛(wèi)星高度時(shí),其激勵(lì)的尋常波為倏逝波,具有較大的衰減因子,而非尋常波則是具有較小衰減率的可傳播波,因此以往在計(jì)算電離層中的VLF遠(yuǎn)區(qū)場時(shí)通常忽略尋常波的影響。但由于天線的電流分布和輸入阻抗主要由其產(chǎn)生的近區(qū)場決定,因此在研究各向異性電離層中的VLF近區(qū)場及天線問題時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮尋常波和非尋常波的影響。本文取得的研究成果可總結(jié)如下:1.本文首先提出了一種可用于計(jì)算各向異性電離層中VLF近區(qū)場的半解析方法,該方法通過利用復(fù)變函數(shù)理論和加速收斂算法,將近區(qū)場原來的快速振蕩積分變換成兩個(gè)速收斂積分和一個(gè)解析解部分。2.通過將任意方向電偶極子看成平行和垂直于地磁場的電偶極子的疊加,并在推導(dǎo)過程中加入地磁傾角的因素,本文進(jìn)一步研究了各向異性電離層中與地磁場呈任意角度的VLF電偶極子近區(qū)場的計(jì)算方法。3.基于線天線在各向同性媒質(zhì)中的電流分布公式,本文提出了線天線在各向異性電離層中電流分布的可能形式,并給出了星載VLF線天線電流分布和輸入阻抗的計(jì)算方法。該方法可通過確定天線的最佳參數(shù)為實(shí)際星載工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。4.考慮到星載天線與地磁場之間的夾角會隨衛(wèi)星沿軌道運(yùn)動而發(fā)生變化,本文同時(shí)深入研究了地磁傾角對星載VLF線天線電流分布和輸入阻抗的影響,并利用快速漢克爾變換(FHT)給出了各向異性電離層中任意方向線天線核函數(shù)的求解方法。5.最后,通過考慮電流集中在天線表面,本文還進(jìn)一步研究了各向異性電離層中的VLF管狀天線,并利用高斯—勒讓德正交法(GLQ)給出了管狀天線核函數(shù)、電流分布及輸入阻抗的計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果表明,在近區(qū)尋常波具有和非尋常波相當(dāng)?shù)姆炔䦟倛霎a(chǎn)生一定的影響,且尋常波的相位突變點(diǎn)恰好對應(yīng)了其場強(qiáng)的極小值。同時(shí),在非尋常波近區(qū)場的輻射模式上存在著顯著的“凝聚效應(yīng)”,即沿地磁場方向的場強(qiáng)要明顯大于其他傳播方向的場強(qiáng)。對于任意方向的電偶極子,其近區(qū)的合成場中來自垂直于地磁場電偶極子的貢獻(xiàn)將明顯大于來自平行于地磁場電偶極子的貢獻(xiàn)。此外,本文還發(fā)現(xiàn)星載VLF線天線的電流分布和輸入阻抗均會隨著天線的電長度、工作頻率等參數(shù)的變化而變化,且當(dāng)天線方向與地磁場方向平行時(shí)天線具有最小的輸入阻抗�？梢钥闯鲈诟飨虍愋噪婋x層中,線天線上的電流分布中對應(yīng)于尋常波的比例要遠(yuǎn)大于對應(yīng)于非尋常波的比例,而在管狀天線的電流分布中尋常波和非尋常波具有相近的幅度系數(shù)。最后,本文還發(fā)現(xiàn)管狀天線的輸入阻抗會隨著天線半徑的增加而減小。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,為了使星載VLF線天線具有最大的輻射效率,天線的朝向應(yīng)盡可能與地磁場方向平行,之后應(yīng)通過理論分析確定天線的最佳參數(shù)以進(jìn)一步優(yōu)化星載天線的總體設(shè)計(jì)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN820;TN011
【圖文】：

１．１．２邋ＶＬＦ電磁波在電離層中的傳播特性逡逑１．１．２．１電離層的電子密度逡逑當(dāng)衛(wèi)星沿近地軌道運(yùn)行時(shí)，星載天線與地面的相對距離在短時(shí)間內(nèi)是保持不變的。圖１－逡逑２展示了由國際電離層參考模型提供的電離層電子密度隨高度的變化規(guī)律［２９］，可以發(fā)現(xiàn)位逡逑于３００４００公里高度的電子密度是相對較高且穩(wěn)定的�？紤]到天線的電流分布和輸入阻抗逡逑２逡逑

邐３５逡逑工作頻率（ｋＨｚ）逡逑圖１－３邋ＶＬＦ頻段內(nèi)非尋常波的臨界角隨工作頻率的變化情況逡逑１．１．２．３電離層的折射率逡逑由于電離層在ＶＬＦ頻段是具有較高折射率的各向異性媒質(zhì)，故ＶＬＦ波在電離層中的逡逑波長會被大大縮短。此外，電離層的折射率還會隨著地磁傾角的變化而變化，因此在不同逡逑的傳播方向上，Ｅ波的波長也是不一樣的。各向異性電離層的折射率及非尋常波的波長可逡逑４逡逑

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【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 李凱,潘威炎,苗永瑞;非均勻電離層中VLF輻射源在海面上產(chǎn)生的場[J];電波科學(xué)學(xué)報(bào);1998年03期

2 李凱,潘威炎,苗永瑞;垂直于地磁場的電偶極子在電離層中的輻射場[J];電波科學(xué)學(xué)報(bào);1997年04期

3 李凱,潘威炎;電偶極子在無限大各向異性媒質(zhì)中的輻射場[J];電波科學(xué)學(xué)報(bào);1997年01期

4 潘威炎;衛(wèi)星上的VLF發(fā)射裝置在海面上產(chǎn)生的場[J];空間科學(xué)學(xué)報(bào);1996年01期

5 潘威炎;冰層下潛艇通訊中的電波傳播問題[J];通信學(xué)報(bào);1988年03期

本文編號：2763575