1 引言

电磁环境研究的目标是针对一切电磁辐射项目而言的。本文的研究对象为美国Cutler甚低频发射天线，其利用甚低频电磁波传播稳定、衰减较小以及对海水有一定的穿透能力的特点，担负着水下通信指挥的业务。

由于美国Cutler对潜通信发射天线结构庞大，发射功率巨大，在天线的近区能产生很强的电磁场，因此，研究和分析天线近区感应场的分布，对电磁环境研究和评价工作具有重要意义。

随着环境保护意识的增强，人们对暴露在电磁场中可能危及健康状况的问题极为关心。国内外现行的有关电磁环境评价标准主要有以下几种。中国国家标准GB8702-1988电磁辐射防护规定，规定了频率大于100kHz的职业、公众照射导出限值，但是缺少对100kHz以下限值的规定；IEEE C95.1-2005标准由美国国家标准协会（ANSI）和美国电子电气工程师协会（IEEE）共同制定，标准采用了两套独立的限值体系，分别基于电刺激效应和热效应，频率范围分别为3kHz~5MHz和100kHz~300GHz；ICNIRP-2010导则由国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）制定，频率范围覆盖1Hz~300GHz。本文拟采用的标准为ICNIRP-2010导则，按照ICNIRP2010，职业、公众照射导出限值如表1和表2。

表1 职业照射导出限值

表2 公众照射导出限值

甚低频频段的频率范围为(3~30)kHz，因此，电磁环境评价的职业照射电场和磁场限值分别为170V/m和80A/m，公众照射电场和磁场限值分别为87V/m和5A/m。

本文以美国Cutler发射天线为研究对象，利用CAE电磁仿真软件——FEKO软件进行天线幕下感应场数值计算，考察天线感应场分布情况，分析天线辐射场对工作人员以及公众的影响。

2 仿真模型的建立

美国Cutler天线由2个分离的天线阵列组成，分别称作南阵列和北阵列。该天线是顶装单极天线，每一个阵列都有自己独立的调谐装置。发射可以通过单个阵列同时也可通过两个阵列共同进行。每一个阵列由6个钻石型的极板组成，极板由电缆拉成，并由导线与13个接地塔相连。运用FEKO建模的天线如图3所示。

图3 美国Cutler天线建模俯视图

天线中央塔位于6个极板的中心，支撑6个极板，高300m。菱形极板对角线长分别为1100m 和648m。每个极板由8根电缆将天线中心与一根电线相连并穿过极板的中心组成。每一个极板在接近极板中心顶点的位置，由两组4根捆绕的馈线下拉而成。

在天线极板对应的地面建有相应的地网。在仿真中设地网面积为2700m×2400m，用导线拉成60m×60m的网格。

3 CAE仿真结果分析

3.1单个天线独立工作

当在19.8kHz的频率点，激励功率为500kW时，单个天线独立工作时，距离地面1.5m的平面上天线幕下感应场的色度分布如图4所示。

图4 单个天线独立工作时，天线幕下感应场的色度分布图

由图4可知，当单个天线独立工作时，处于工作状态下的天线幕下的感应电场很大，而闲置的天线幕下的感应电场很小。整个天线幕下的感应磁场都很小，都远小于5A/m。因此，只需要考察感应电场的影响。

单个天线独立工作时，距离地面1.5m的平面上天线幕下的感应电场等强线分布如图5所示。

图5 单个天线独立工作时，天线幕下感应电场的等强线分布图

3.2两付天线同时工作

当在19.8kHz的频率点，激励功率都为500kW时，两付天线同时工作时，距离地面1.5m的平面上天线幕下感应场的色度分布如图6所示。

图6 两付天线同时工作时，天线幕下感应场的色度分布图

由图6可知，当两付天线同时工作时，两付天线幕下的感应电场都很大，由于天线的不对称性导致两付天线幕下的感应场呈现出不对称性。整个天线幕下的感应磁场都很小，都远小于 5A/m。因此，只需要考察感应电场的影响。

两付天线同时工作时，距离地面1.5m的平面上天线幕下的感应电场等强线分布如图7所示。

图7 两付天线同时工作时，天线幕下感应电场的等强线分布图

3.3辐射场危害区域分析

表3为单个天线独立工作时，距离地面1.5m的平面上天线幕下感应电场超过限值的面积；表4为两付天线同时工作时，距离地面1.5m的平面上天线幕下感应电场超过限值的面积。

表3 单个天线独立工作时，天线幕下感应电场超限值的面积

表4 两付天线同时工作时，天线幕下感应电场超限值的面积

1）超过职业照射导出限值的区域

当单个天线独立工作时，超过职业照射导出限值的区域为在以处于工作状态下的天线中心为原点、半径为0.81km的圆形区域内，其他区域的电场强度均小于该职业照射导出限值170V/m。

当两付天线同时工作时，超过职业照射导出限值的区域分别分布在以左侧天线为中心、半径为0.69km的圆形区域和以右侧天线为中心、半径为0.90km的圆形区域内，其他区域的电场强度均小于该职业照射导出限值170V/m。

整个发射天线在以上两种工作状态下，天线幕下的感应磁场都远小于职业照射导出限值80A/m。

2）超过公众照射导出限值的区域

当单个天线独立工作时，超过公众照射导出限值的区域为在以处于工作状态下的天线中心为原点、半径为0.96km的圆形区域内，其他区域的电场强度均小于该公众照射导出限值87V/m。

当两付天线同时工作时，超过公众照射导出限值的区域分别分布在以左侧天线为中心、半径为0.90km的圆形区域和以右侧天线为中心、半径为1.02km的圆形区域内，其他区域的电场强度均小于该公众照射导出限值87V/m。

整个发射天线在以上两种工作状态下，天线幕下的感应磁场都远小于公众照射导出限值5A/m。

4 结论

本文CAE电磁仿真软件——FEKO，对美国Cutler发射天线两种工作状态下的天线幕下感应场进行了全面的研究。从CAE仿真结果可以看出，超过职业和公众照射限值的区域均在天线幕下，得出具体结论如下：

1）当单个天线独立工作时，超过职业照射导出限值的区域为在以处于工作状态下的天线中心为原点、半径为0.81km的圆形区域内，其他区域的电场强度均小于该职业照射导出限值170V/m；超过公众照射导出限值的区域为在以处于工作状态下的天线中心为原点、半径为0.96km的圆形区域内，其他区域的电场强度均小于该公众照射导出限值87V/m。

2）当两付天线同时工作时，超过职业照射导出限值的区域分别分布在以左侧天线为中心、半径为0.69km的圆形区域和以右侧天线为中心、半径为0.90km的圆形区域内，其他区域的电场强度均小于该职业照射导出限值170V/m；超过公众照射导出限值的区域分别分布在以左侧天线为中心、半径为0.90km的圆形区域和以右侧天线为中心、半径为1.02km的圆形区域内，其他区域的电场强度均小于该公众照射导出限值87V/m。

3）整个发射天线在以上两种工作状态下，天线幕下的感应磁场都远小于公众照射导出限 5A/m。

通过FEKO软件进行建模和计算，不仅能够真实的模拟复杂的大规模、高功率设备的正常工作，而且能够通过矩量法精确计算模型的感应场、辐射场等所需参数，对电磁环评工作有重要意义。