董 見(jiàn) 羅建新

(武漢船舶通信研究所 武漢 430205)

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甚低頻氣球天線纜繩末端損耗及溫升分析*

董 見(jiàn) 羅建新

(武漢船舶通信研究所 武漢 430205)

文章簡(jiǎn)要分析了甚低頻氣球天線纜繩末端在不同的絕緣保護(hù)套的電損耗和相應(yīng)的溫升?；跍?zhǔn)靜電(EQS)方法得到電損耗,以及基于傳熱學(xué)理論得到相應(yīng)的溫度場(chǎng)。使用CST的EM和MPS工作室進(jìn)行仿真,通過(guò)仿真計(jì)算得到的溫度場(chǎng),為天線選擇合適的絕緣材料提供仿真依據(jù)。

甚低頻氣球天線纜繩; 介質(zhì)損耗; 溫度場(chǎng)

Class Number TN92

1 引言

氣球天線的車載甚低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)是移動(dòng)式甚低頻對(duì)潛通信系統(tǒng)的一種重要方式。車載甚低頻臺(tái)生存能力比固定岸臺(tái)強(qiáng),可相對(duì)機(jī)動(dòng)靈活配置,效率高,占地面積小。氣球天線纜繩一般工作于大電流、高電壓,一般饋電電壓為幾十上百千伏(受限于電暈),饋電電流一般最高為100A[1～2](受限于大電流引起的饋電發(fā)熱[3])。因?yàn)樘炀€的高容抗,所以天線末端的電壓要比輸入電壓高很多,此處電場(chǎng)極強(qiáng),而電流幾乎為零,工作頻率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻,所以天線纜繩末端的電損耗所引起的溫升計(jì)算和仿真是很有必要的,本文利用CST的EM和MPS工作室對(duì)天線末端的電損耗和溫升進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 理論分析

仿真計(jì)算首先要得到末端的電損耗(磁損耗很小,所以忽略),這個(gè)損耗就是熱源,然后根據(jù)傳熱理論計(jì)算得到溫度場(chǎng)。

(1)

稱之為電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。顯然,在忽略隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)對(duì)電場(chǎng)作用的前提下,電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)具有與靜電場(chǎng)類同的有源無(wú)旋性,因此,兩種場(chǎng)的計(jì)算方法相同。與靜電場(chǎng)相仿,電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)也可以用隨時(shí)間變化的電位φ(t)的負(fù)梯度表示,即

(2)

因而與靜電場(chǎng)相仿,從式可導(dǎo)出電位φ(t)滿足泊松方程

(3)

與電準(zhǔn)靜電態(tài)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)變磁場(chǎng),基于麥克斯韋方程組,應(yīng)遵從

(4)

熱源是介質(zhì)的電磁損耗,損耗功率為[7]

(5)

一般電介質(zhì)給出的是介質(zhì)的損耗角正切

(6)

式中,ε′為實(shí)介電常數(shù)ε′=εrε0。在沒(méi)有磁損耗的情況下,由式(5)～式(6)可得

(7)

熱量的傳遞主要依靠傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種形式傳播。天線末端主要是傳導(dǎo)形式。根據(jù)傅里葉定律和熱力學(xué)第一定律式可得到其微分形式,如式(8)。左項(xiàng)表示?t期間系統(tǒng)內(nèi)能的增量,可由溫度變化?T計(jì)算,與系統(tǒng)密度ρ和比熱容c相關(guān)。式中右一項(xiàng)代表熱傳導(dǎo)引起的熱量轉(zhuǎn)移,另一項(xiàng)Pl系統(tǒng)自身生熱率[8]。

(8)

其中λ為導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/K/m。高分子材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般很小。

當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),式(8)中

?T/?t=0

(9)

損耗角正切是溫度的函數(shù),因此損耗和溫度場(chǎng)的求解是一個(gè)耦合的過(guò)程,而本文主要研究幾種材料在特定損耗角正切下的損耗和溫升,所以忽略掉耦合,認(rèn)為損耗角正切是常數(shù)。

3 仿真分析

本文采用CST的電磁工作室的低頻求解器算出準(zhǔn)靜電情況下的天線末端的電損耗,然后導(dǎo)入到CST的多物理場(chǎng)工作室,利用穩(wěn)態(tài)熱求解器算出溫度場(chǎng)[9]。

天線纜繩一般是復(fù)合結(jié)構(gòu),為了仿真的一般性,所以簡(jiǎn)化為銅棒加絕緣介質(zhì)。饋電電壓為100kV(rms),頻率20kHz,銅棒半徑8mm,絕緣介質(zhì)厚2mm,如圖1所示。

圖1 末端橫截面圖

仿真中所用到的材料特性如表1[10],需要注意的是材料給出的是在50Hz下的損耗角正切,其中聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯是中性分子,它們的損耗角正切很小,隨頻率的變化較小,而聚氯乙烯和乙丙橡膠的損耗角正切較大,隨頻率變高而增加。

表1 電纜用導(dǎo)體和絕緣材料特性參數(shù)

由于天線末端在高空環(huán)境,所以把仿真的背景溫度設(shè)為313.1K(40℃),以模仿極端的熱環(huán)境。

聚乙烯是廣泛的電纜絕緣材料,其損耗角正切很小,在高頻下也可使用,仿真結(jié)果如圖2。甚低頻氣球發(fā)射天線末端的電場(chǎng)達(dá)到106V/m,電損耗功率密度高達(dá)80kW/m3,但是由于電場(chǎng)非常的集中,損耗的體積非常的小,因此損耗的總功率只有0.16W(rms),最高溫升只有1℃。

圖2 聚乙烯仿真結(jié)果

聚氯乙烯的損耗角正切是0.07,是表1中最大的,仿真結(jié)果如圖3,損耗功率達(dá)到了19W,由于聚氯乙烯的導(dǎo)熱性能極差,所以靠近銅棒末端的溫度到達(dá)了1067K(794℃),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最大工作溫度,實(shí)際上會(huì)早早的熱擊穿。

圖3 聚氯乙烯仿真結(jié)果

乙丙橡膠也是常見(jiàn)的絕緣介質(zhì),其損耗角正切為0.003,仿真結(jié)果如圖4,溫升大約為20℃,此時(shí)介質(zhì)最高溫度為60℃,考慮到實(shí)際的20kHz下,損耗角正切會(huì)更大一些,高溫下也會(huì)加大損耗,所以認(rèn)為乙丙橡膠并不適合。

圖4 乙丙橡膠仿真結(jié)果

由上面的三種材料的損耗和溫度場(chǎng)仿真可以看到,損耗角正切為10-3的數(shù)量級(jí)時(shí),天線末端已經(jīng)有比較顯著的溫升了,所以甚低頻氣球纜繩天線的絕緣材料最好選用10-4數(shù)量級(jí)的,如聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯。從各項(xiàng)參數(shù)上看交聯(lián)聚乙烯是比較理想的材料,其各項(xiàng)特性比聚乙烯還要好一些。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)甚低頻氣球天線纜繩末端的電磁損耗極其溫度場(chǎng)仿真,得到相應(yīng)的溫升。這對(duì)工程上選擇適合的絕緣材料具有指導(dǎo)意義。

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Analysis of VLF Balloon Antenna Cable Terminal Loss and Heating-up

DONG Jian LUO Jianxin

(Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430205)

This article briefly analyzes the electric loss and corresponding temperature rise of the VLF balloon antenna cable terminal with different electrical insulating protective jackets. The electric loss is obtained based on EQS method, and corresponding temperature field is got based on Heat Transfer Theory. With the simulating calculation in EM and MPS studio of CST to obtain the temperature field, the simulation basis of choosing appropriate isolating material is provided for the antenna.

VLF balloon antenna cable, dielectric loss, temperature field

2015年6月17日,

2015年8月3日

董見(jiàn),男,碩士,研究方向:天線多物理場(chǎng)計(jì)算。羅建新,男,研究員,研究方向:艦船天線通信技術(shù)。

TN92

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.044