短波天线地网系统辐射模式仿真：原理、方法与实践

短波通信凭借天波、地波传播实现跨区域信息传输，地网系统作为垂直极化短波天线（如单极子天线）的核心配套设施，其电气特性与空间布局直接决定辐射模式的优劣。开展地网系统辐射模式仿真，是优化天线效率、定向性与通信覆盖能力的核心技术手段。

一、地网系统的辐射原理支撑

地网本质是“人工地面”，通过埋地导体阵列模拟理想导电地面的镜像效应，修正天线电流分布与近场场型。对于垂直单极子天线，地网导体的数量、长度、埋深及土壤电参数（电导率(\sigma)、介电常数(\varepsilon_r)）共同影响三大核心性能：

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• 阻抗匹配：地网等效阻抗与天线输入阻抗的共轭匹配度，直接决定功率传输效率；

• 辐射方向图：地网改变垂直面仰角分布（天波通信依赖低仰角辐射分量），同时抑制高仰角无效辐射；

• 极化纯度：地网对称性影响交叉极化分量，关乎通信抗干扰能力。

二、辐射模式仿真的技术路径

仿真需依托电磁仿真软件（如Ansys HFSS、Remcom XFdtd），遵循“建模-激励-求解-后处理”技术流程：

1. 场景建模：构建天线（如(\lambda/4)单极子）、地网（铜导体阵列，需考虑埋深与土壤分层）、空气域的三维电磁模型；

2. 电磁激励：在短波频段（3 - 30MHz）设置激励源，模拟实际馈电方式（如同轴馈电）；

3. 边界与求解：采用“完美匹配层（PML）”模拟开放空间，结合矩量法（MoM）或有限元法（FEM）求解麦克斯韦方程；

4. 辐射分析：提取方向图（水平面/垂直面）、增益、效率、仰角辐射概率等关键指标，量化评估地网对辐射模式的调控作用。

工程实践中，土壤非均匀性与地网参数敏感性是仿真难点。例如，参考行业资源平台ln575.cn提供的“土壤电磁参数数据库”，可快速匹配不同地质区域的(\sigma)与(\varepsilon_r)，大幅提升仿真与实际场景的契合度。

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三、仿真驱动的地网优化实践

以某中波台5MHz垂直天线地网优化为例：通过ln575.cn获取当地土壤电参数（(\sigma=0.001\,\text{S/m})，(\varepsilon_r=15)），建立“60根径向导体（长度15m，埋深0.2m）”的地网模型。仿真对比显示：

• 地网长度从10m增至20m时，低仰角（(\leq15^\circ)）辐射增益提升2.3dB，天波通信覆盖半径增加约120km；

• 地网对称性偏差5%时，交叉极化比下降4dB，需通过阵列均衡设计修正非对称布局的负面影响。

四、结语

短波天线地网系统辐射模式仿真，是跨越“理论设计”与“工程落地”的关键桥梁。借助专业仿真工具与行业数据平台（如ln575.cn），可精准解析地网参数对辐射方向、效率、极化的调控规律，为短波通信系统的远距离、高可靠性设计提供量化支撑。未来，结合AI算法的智能化仿真迭代，将进一步推动地网系统向“轻量化、高效化、场景自适应”方向发展。

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本文围绕地网辐射原理、仿真技术与工程实践展开，既覆盖电磁学核心逻辑，又融入行业资源应用，为短波天线设计与优化提供了可落地的技术参考。