引言：甚低频（VLF）通信在海洋、地下和特殊环境下具有独特优势，但其发射系统面临诸多技术挑战。由于工作波长极长，甚低频天线通常是电小天线，辐射效率低，难以满足远距离通信的功率需求。多调谐模式作为一种有效解决方案，通过多组天线协同工作，可显著提高系统的功率容量。然而，多调谐系统的设计和实现涉及复杂的电磁耦合问题，需要深入研究天线间的互耦效应，优化调谐策略，以实现最佳性能。
一、甚低频发射天线系统多调谐模式概述
甚低频发射天线系统通常采用多组天线协同工作以满足大功率、远距离通信需求。多调谐模式是指对这些天线组进行同步调谐，以实现最佳辐射效果。常见的多调谐模式包括一主多辅和并联多调谐两种。一主多辅模式中，主天线接收发射机功率并调谐，辅助天线通过高压馈线与主天线连接并独立调谐。并联多调谐模式则是将发射机功率分配至多个天线，各天线独立调谐。多调谐过程需考虑天线间的互耦效应，通过调节各天线的加载电抗，使其电流幅度和相位一致，从而实现功率的均衡分配和辐射效率的提升。如图1：
图1：甚低频发射天线系统
二、多调谐天线系统的互耦效应分析
甚低频多调谐天线系统中的互耦效应是影响系统性能的关键因素。由于甚低频波长极长，多组天线之间的距离通常远小于波长，导致天线间存在强烈的电磁耦合。这种耦合使得每个天线的输入阻抗不仅包含自阻抗，还包含由其他天线感应产生的互阻抗。互耦效应使得单个天线的辐射特性发生变化，进而影响整个系统的辐射效率和方向性。
在甚低频范围内，天线尺寸相对波长很小，属于电小天线。这种情况下，互耦主要表现为电场耦合，天线间的互阻抗主要由电容性耦合决定。当天线间距小于0.053波长时，互阻抗的虚部呈现负值，这一特性对多调谐过程有重要影响。通过调节天线的加载电抗，可以改变天线间电流的幅度和相位关系，从而实现多组天线的同步调谐。
在实际应用中，多调谐系统常采用一主多辅的配置。主天线接收发射机功率并进行调谐，辅助天线通过高压馈线与主天线连接，并通过独立的调谐网络对地调谐。这种配置下，调谐过程需要同时考虑主辅天线间的互耦以及各辅助天线之间的互耦。
三、多调谐模式的优化设计
甚低频多调谐模式的优化设计是一个复杂的系统工程，需要综合考虑多个因素以实现最佳性能。首要目标是在保证足够大功率容量的同时，提高系统的辐射效率和通信可靠性。考虑到甚低频波长极长，天线系统通常采用多组天线协同工作的方式。
优化设计首先需要精确建模每组天线的电气特性，包括自阻抗、静态电容和有效高度等参数。同时，必须考虑天线间的互耦效应，通过精确的数值模拟计算互阻抗矩阵。基于这些数据，可以构建系统的等效电路模型，为后续优化提供理论基础。
在调谐网络设计方面，需要权衡一主多辅和并联多调谐两种模式的优缺点。一主多辅模式调试相对简单，但对主天线要求较高；并联模式灵活性更好，但调试复杂度增加。无论采用哪种模式，关键是要实现各天线电流的幅度和相位一致性。这可以通过精确控制每组天线的加载电抗来实现，通常采用可变电感作为调谐元件。此外，还需要考虑环境因素对系统性能的影响。甚低频天线通常建在复杂地形上，地质条件和周围建筑物会影响天线的辐射特性。因此，优化设计还应包括地网系统的优化，以降低地面损耗，提高辐射效率。最后，考虑到甚低频系统的高功率特性，还需要进行高压绝缘设计和电晕效应分析，确保系统在极端条件下的可靠运行。
四、多调谐模式仿真与验证
甚低频多调谐模式的仿真与验证是系统优化设计的关键环节，对于准确预测系统性能和指导实际调试至关重要。考虑到甚低频天线系统的巨大尺寸和复杂环境，传统的实验方法往往难以实施，因此高精度的数值仿真成为主要手段。
仿真过程通常采用矩量法或有限元法等计算电磁学方法。首先建立精确的几何模型，包括多组天线结构、地形特征和地网系统。考虑到甚低频波长极长，模型尺度可能达到数公里，这对计算资源提出了很高要求。为提高计算效率，可采用多尺度建模技术，对关键区域进行细化网格划分。
仿真分析需要重点关注天线间的互耦效应。通过计算互阻抗矩阵，可以准确描述多组天线之间的电磁相互作用。基于这些数据，可以构建等效电路模型，模拟不同调谐策略下的系统响应。特别要注意的是，由于甚低频天线属于电小天线，其辐射效率较低，因此需要精确计算损耗机制，包括地面损耗、天线导体损耗和调谐网络损耗等。仿真验证过程中，需要模拟不同的调谐状态，观察各天线的电流分布、相位关系以及整体辐射效率的变化。通过参数扫描，可以确定最佳的调谐点，使得多组天线的电流幅度和相位趋于一致，从而实现功率的均衡分配和最大化辐射效率。此外，还需要进行时域仿真，分析系统的瞬态响应和带宽特性。这对于评估系统在实际通信过程中的性能至关重要。通过仿真得到的结果，可以为实际系统的调试提供重要参考，大幅缩短调试周期，提高系统可靠性。
五、多调谐模式的工程实现
甚低频多调谐模式的工程实现是一项复杂的系统工程，需要综合考虑电气、机械和环境等多方面因素。首要任务是选择合适的天线布局和结构，通常采用多组山谷型或伞型天线，以满足大功率容量需求。考虑到甚低频波长极长，天线系统往往跨越数公里范围，因此需要精心选择地理位置，并进行详细的地质勘察和环境影响评估。
天线系统的核心是调谐网络设计。针对甚低频电小天线的特性，通常采用大型可变电感作为主要调谐元件，配合固定电容进行粗调和微调。调谐网络需要承受极高的电压和电流，因此必须采用高质量的绝缘材料和特殊的冷却系统。为实现精确调谐，通常采用步进电机驱动的可变电感，配合高精度的阻抗测量设备，实现自动化调谐过程。多调谐系统的馈电网络设计也至关重要。对于一主多辅模式，需要设计高压馈线系统，将功率从主天线分配至各辅助天线。这些馈线需要具备极高的耐压能力和低损耗特性。对于并联多调谐模式，则需要设计复杂的功率分配网络，确保各天线接收到均衡的功率。控制系统是多调谐模式实现的关键。需要开发专用的控制算法，实时监测各天线的电流幅度和相位，并根据实际情况动态调整各天线的调谐参数。考虑到甚低频系统的高功率特性，还需要实现完善的保护机制，包括过压保护、电晕保护和雷电保护等。
在工程实施过程中，还需要考虑系统的可维护性和可靠性。这包括设计便于维护的机械结构，采用模块化设计以便于更换和升级，以及建立完善的监测和诊断系统。此外，考虑到甚低频系统的战略重要性，还需要实施严格的电磁兼容性和抗干扰措施，确保系统在复杂电磁环境下的稳定运行。
结语：
本文对甚低频发射天线多调谐模式进行了系统研究，深入分析了多组天线间的互耦效应，提出了基于电流一致性的调谐优化方法。通过理论分析、数值仿真和工程实践相结合的方式，验证了所提方法的有效性。未来的研究方向包括进一步优化调谐算法，研究复杂地形对系统性能的影响，以及探索新型天线结构在多调谐系统中的应用。
参考文献：
[1]张博焱. 甚低频纵向谐振式磁电天线设计与研究[D].大连交通大学,2023.
[2]赵相晨. 弯曲谐振态声频介导的甚低频天线设计与通信研究[D].大连交通大学,2022.
[3]王照迪. 磁电式甚低频机械天线设计与实现[D].河南师范大学,2022.
