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等离子体环境下的长波天线

长波天线；星载天线；各项异性电离层

超低频（SLF）、甚低频（VLF）和低频（LF）波段的电磁波具有稳定的幅度和相位特性、较低的传播损耗以及强大的绕射能力，使其在地震监测以及对潜通信中发挥关键作用。传统的SLF/VLF/LF通信系统需要建立庞大的地面发射站，占地广泛且建设成本高昂。随着航天软件直播观看的进步和卫星发射成本的降低，利用卫星进行SLF/VLF/LF波段的发射展现出显著优势。首先各向异性电离层具有极高的折射率，可以提高天线的电长度和辐射效率，从而降低天线的发射功率和尺寸。其次，搭载长波天线的近地卫星将环绕地球转动，可以在极大程度上缩短通信距离，从而减小天线的发射功率。因此，长波卫星天线成为目前全球的研究热点。

为了深入理解星载SLF/VLF/LF天线在各向异性电离层中的电特性，本文采用仿真模型来模拟并分析绝缘线天线的性能。首先选择长80米的线形铝天线作为模型基础，该天线直径为50mm，并外覆以厚度为5mm的聚烯烃绝缘层，介电常数为2.32 ε0，以保护天线免受电离层中带电粒子的直接影响，并减少电流泄露。接下来，建立各向异性电离层环境的数学模型，考虑电子、离子和地磁场的综合影响。通过计算电子和离子的碰撞频率、等离子角频率以及磁回旋频率，精确模拟电离层中电磁波的传播行为。

线形铝天线的模型图如图1所示。天线的回波损耗如图2所示，天线的谐振点在1.2MHz处，反射系数为-11dB。当天线在电离层中辐射时，其沿磁力线方向驱动的负载不仅包括天线本身，还涵盖了周围的等离子体。这导致天线呈现出更高的辐射电阻和更大的辐射功率。各项异性等离子体环境中的线天线的反射系数如图3所示，此时天线共有两个谐振点。第一谐振点为20 kHz，反射系数为-12 dB，第二谐振点为56 kHz，反射系数为-14 dB，证实了由于电离层具有高折射率，所以具有明显的波长缩短效应。