叶 晟,胡 淼,张春洋,曹保峰,周雪芳

(杭州电子科技大学 通信工程学院,浙江 杭州 310018)

雷电是一种频繁发生的自然气象,其发生常常伴随着高电压、高电流和强电磁脉冲辐射[1]。根据卫星监测和气象部门的数据统计,全球每秒大约发生2000多个雷电[2]。雷电发生时,巨大的瞬时能量会毁坏建筑物、破坏设备、造成人员伤亡,对人类的财产和安全构成了很大威胁。开展雷电测向研究,及时提供雷电预警,对防雷减灾的工作具有十分重要的指导意义[3-6]。由于雷电的发生有很强的瞬时性和随机性,因此需要进行实时观测和监控。近几十年来,全球范围内开展了大量关于雷电定位系统(Lightning Location System,LLS)的研究,LLS的探测性能得到了很大提高[7-10]。由于LLS 是由单站雷电测向设备组网而成[11],因此设计提高单站雷电测向设备的接收效益具有实际意义。

单站雷电测向设备的主要构成部件是正交磁环天线(Orthogonal Magnetic Loop Antenna,OMLA),以往对OMLA的研究主要集中在减少测向误差方面,如陈明理团队[12]对由雷电回击通道和地面不垂直造成的极化误差研究、郭昌明团队[13]对由雷电测向设备附近的障碍物和地势起伏造成的场地误差研究和胡淼团队[14]对OMLA自身结构的误差研究等,而通过设计提升单磁环天线的接收效益来提高雷电测向功能的研究相对较少。具体而言,当OMLA的磁环面积越大,其接收电磁波信号的能力也越强,但同时OMLA的自身结构误差也会增大,比如两磁环不完全正交和平面扭曲等问题,导致天线对雷电源测向的误差增大;当OMLA的线圈匝数增多,磁环线圈接收到的感应电动势也越大,但同时也会使磁环臂变粗,影响后续对雷电源方位角的计算。……