1 引言

電磁環境研究的目標是針對一切電磁輻射項目而言的。本文的研究對象為美國Cutler甚低頻發射天線，其利用甚低頻電磁波傳播穩定、衰減較小以及對海水有一定的穿透能力的特點，擔負著水下通信指揮的業務。

由于美國Cutler對潛通信發射天線結構龐大，發射功率巨大，在天線的近區能產生很強的電磁場，因此，研究和分析天線近區感應場的分布，對電磁環境研究和評價工作具有重要意義。

隨著環境保護意識的增強，人們對暴露在電磁場中可能危及健康狀況的問題極為關心。國內外現行的有關電磁環境評價標準主要有以下幾種。中國國家標準GB8702-1988電磁輻射防護規定，規定了頻率大于100kHz的職業、公眾照射導出限值，但是缺少對100kHz以下限值的規定；IEEE C95.1-2005標準由美國國家標準協會（ANSI）和美國電子電氣工程師協會（IEEE）共同制定，標準采用了兩套獨立的限值體系，分別基于電刺激效應和熱效應，頻率范圍分別為3kHz~5MHz和100kHz~300GHz；ICNIRP-2010導則由國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）制定，頻率范圍覆蓋1Hz~300GHz。本文擬采用的標準為ICNIRP-2010導則，按照ICNIRP2010，職業、公眾照射導出限值如表1和表2。

表1 職業照射導出限值

表2 公眾照射導出限值

甚低頻頻段的頻率范圍為(3~30)kHz，因此，電磁環境評價的職業照射電場和磁場限值分別為170V/m和80A/m，公眾照射電場和磁場限值分別為87V/m和5A/m。

本文以美國Cutler發射天線為研究對象，利用CAE電磁仿真軟件——FEKO軟件進行天線幕下感應場數值計算，考察天線感應場分布情況，分析天線輻射場對工作人員以及公眾的影響。

2 仿真模型的建立

美國Cutler天線由2個分離的天線陣列組成，分別稱作南陣列和北陣列。該天線是頂裝單極天線，每一個陣列都有自己獨立的調諧裝置。發射可以通過單個陣列同時也可通過兩個陣列共同進行。每一個陣列由6個鉆石型的極板組成，極板由電纜拉成，并由導線與13個接地塔相連。運用FEKO建模的天線如圖3所示。

圖3 美國Cutler天線建模俯視圖

天線中央塔位于6個極板的中心，支撐6個極板，高300m。菱形極板對角線長分別為1100m 和648m。每個極板由8根電纜將天線中心與一根電線相連并穿過極板的中心組成。每一個極板在接近極板中心頂點的位置，由兩組4根捆繞的饋線下拉而成。

在天線極板對應的地面建有相應的地網。在仿真中設地網面積為2700m×2400m，用導線拉成60m×60m的網格。

3 CAE仿真結果分析

3.1單個天線獨立工作

當在19.8kHz的頻率點，激勵功率為500kW時，單個天線獨立工作時，距離地面1.5m的平面上天線幕下感應場的色度分布如圖4所示。

圖4 單個天線獨立工作時，天線幕下感應場的色度分布圖

由圖4可知，當單個天線獨立工作時，處于工作狀態下的天線幕下的感應電場很大，而閑置的天線幕下的感應電場很小。整個天線幕下的感應磁場都很小，都遠小于5A/m。因此，只需要考察感應電場的影響。

單個天線獨立工作時，距離地面1.5m的平面上天線幕下的感應電場等強線分布如圖5所示。

圖5 單個天線獨立工作時，天線幕下感應電場的等強線分布圖

3.2兩付天線同時工作

當在19.8kHz的頻率點，激勵功率都為500kW時，兩付天線同時工作時，距離地面1.5m的平面上天線幕下感應場的色度分布如圖6所示。

圖6 兩付天線同時工作時，天線幕下感應場的色度分布圖

由圖6可知，當兩付天線同時工作時，兩付天線幕下的感應電場都很大，由于天線的不對稱性導致兩付天線幕下的感應場呈現出不對稱性。整個天線幕下的感應磁場都很小，都遠小于 5A/m。因此，只需要考察感應電場的影響。

兩付天線同時工作時，距離地面1.5m的平面上天線幕下的感應電場等強線分布如圖7所示。

圖7 兩付天線同時工作時，天線幕下感應電場的等強線分布圖

3.3輻射場危害區域分析

表3為單個天線獨立工作時，距離地面1.5m的平面上天線幕下感應電場超過限值的面積；表4為兩付天線同時工作時，距離地面1.5m的平面上天線幕下感應電場超過限值的面積。

表3 單個天線獨立工作時，天線幕下感應電場超限值的面積

表4 兩付天線同時工作時，天線幕下感應電場超限值的面積

1）超過職業照射導出限值的區域

當單個天線獨立工作時，超過職業照射導出限值的區域為在以處于工作狀態下的天線中心為原點、半徑為0.81km的圓形區域內，其他區域的電場強度均小于該職業照射導出限值170V/m。

當兩付天線同時工作時，超過職業照射導出限值的區域分別分布在以左側天線為中心、半徑為0.69km的圓形區域和以右側天線為中心、半徑為0.90km的圓形區域內，其他區域的電場強度均小于該職業照射導出限值170V/m。

整個發射天線在以上兩種工作狀態下，天線幕下的感應磁場都遠小于職業照射導出限值80A/m。

2）超過公眾照射導出限值的區域

當單個天線獨立工作時，超過公眾照射導出限值的區域為在以處于工作狀態下的天線中心為原點、半徑為0.96km的圓形區域內，其他區域的電場強度均小于該公眾照射導出限值87V/m。

當兩付天線同時工作時，超過公眾照射導出限值的區域分別分布在以左側天線為中心、半徑為0.90km的圓形區域和以右側天線為中心、半徑為1.02km的圓形區域內，其他區域的電場強度均小于該公眾照射導出限值87V/m。

整個發射天線在以上兩種工作狀態下，天線幕下的感應磁場都遠小于公眾照射導出限值5A/m。

4 結論

本文CAE電磁仿真軟件——FEKO，對美國Cutler發射天線兩種工作狀態下的天線幕下感應場進行了全面的研究。從CAE仿真結果可以看出，超過職業和公眾照射限值的區域均在天線幕下，得出具體結論如下：

1）當單個天線獨立工作時，超過職業照射導出限值的區域為在以處于工作狀態下的天線中心為原點、半徑為0.81km的圓形區域內，其他區域的電場強度均小于該職業照射導出限值170V/m；超過公眾照射導出限值的區域為在以處于工作狀態下的天線中心為原點、半徑為0.96km的圓形區域內，其他區域的電場強度均小于該公眾照射導出限值87V/m。

2）當兩付天線同時工作時，超過職業照射導出限值的區域分別分布在以左側天線為中心、半徑為0.69km的圓形區域和以右側天線為中心、半徑為0.90km的圓形區域內，其他區域的電場強度均小于該職業照射導出限值170V/m；超過公眾照射導出限值的區域分別分布在以左側天線為中心、半徑為0.90km的圓形區域和以右側天線為中心、半徑為1.02km的圓形區域內，其他區域的電場強度均小于該公眾照射導出限值87V/m。

3）整個發射天線在以上兩種工作狀態下，天線幕下的感應磁場都遠小于公眾照射導出限 5A/m。

通過FEKO軟件進行建模和計算，不僅能夠真實的模擬復雜的大規模、高功率設備的正常工作，而且能夠通過矩量法精確計算模型的感應場、輻射場等所需參數，對電磁環評工作有重要意義。