AIS波段等離子體引向天線輻射特性分析

袁秋夢+梁澤鵬+趙滿堂+諶浩+唐新翻+趙建森

【摘 要】根據(jù)等離子體介電常數(shù)與電子密度的關(guān)系，利用HFSS，構(gòu)建AIS通信頻段等離子體引向天線模型。通過改變該模型等離子體參數(shù)、無源引向振子個數(shù)，對其進行方向圖仿真。結(jié)果得到，當關(guān)閉無源振子時，天線可作為全向天線；當增加無源振子個數(shù)時，該天線定向性增大，方向圖主瓣變窄。同時，利用氣體放電管搭建等離子體八木天線，通過改變無源振子個數(shù)，天線增益明顯變化，顯示出良好的可重構(gòu)特性。

【關(guān)鍵詞】AIS；等離子體；可重構(gòu)；增益

0 引言

自動識別系統(tǒng)（AIS）在海事通信領(lǐng)域起到不可取代的作用[1]，然而AIS基站的發(fā)射天線研究并未得到應(yīng)有的重視。目前在我國定線制水域中，AIS基站發(fā)射天線主要采用全向金屬天線，雖然可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)信息群發(fā)，但也存在許多問題：

1）我國成山角定線制水域內(nèi)，部分水域離岸距離在20海里以上，甚至有些水域離岸距離超過25海里。而全向性天線增益較低，這大大降低了AIS信息播發(fā)距離；

2）AIS基站通信系統(tǒng)中，全向性發(fā)射天線功率在20W以上，對周圍岸上設(shè)施及用戶產(chǎn)生較強的電磁干擾；

3）由于水域交通流密度增大，通信信道常被占用，存在時隙沖突，大大增加了VTS值班員的負擔。

因此，新的定線制水域提案中交代，AIS岸站采用VHF高增益定向天線以增強AIS基站和VHF岸站通信效果。

我們提出了將電控等離子體引向天線應(yīng)用到海事通信領(lǐng)域，將其作為定線制水域AIS基站的發(fā)射天線這一想法。等離子體天線是用等離子體代替金屬天線元作為電磁能量傳導(dǎo)介質(zhì)的一種天線[2-3]。等離子體天線與金屬天線相比，具有重量輕、可隱身、可重構(gòu)等特點[4]。利用等離子體構(gòu)建引向天線時，當無源振子全部關(guān)閉，天線系統(tǒng)只剩下有源振子，該天線為全向天線；當改變等離子體參量和增加引向振子個數(shù)時，天線方向性動態(tài)可調(diào)，可實現(xiàn)不同區(qū)域通信。相比于金屬引向天線，等離子體引向天線具有可重構(gòu)性和低互耦性等優(yōu)點。

1 AIS頻段等離子體天線模型

AIS基站等離子體引向天線模型包括：有源等離子體振子、無源等離子體振子。根據(jù)等離子體天線理論，假設(shè)等離子體軸向、徑向分布均勻，其相對介電常數(shù)？著r為：

當信號頻率小于等離子體頻率時，相對介電常數(shù)？著r<0。電磁波不能在等離子體中傳播，而是在等離子體外表面與介質(zhì)管內(nèi)表面之間以表面波的形式傳播，而沿徑向傳播的電磁波迅速衰減。這時，等離子體可以作為天線進行電磁波的傳播。文獻[5]證明等離子體頻率遠大于信息頻率。

利用HFSS構(gòu)建等離子體引向天線模型，根據(jù)公式（1）和（2），結(jié)合等離子體電子密度、碰撞頻率選取適當介電常數(shù)，天線中心頻率分別選擇AIS的兩個通信頻率161.975MHz和162.025MHz。通過改變等離子體參量和引向振子個數(shù)對天線方向圖進行仿真。等離子體引向天線模型如圖1所示。所設(shè)計的天線由一根有源振子、一根無源反射振子、三根無源引向振子構(gòu)成，因為無源振子超過五根，每多加一根，天線的增益變化不是很大。這里為了突出天線明顯的可重構(gòu)特性，只選用了三根無源引向振子。

為更加準確的進行仿真，天線外部是鋼化玻璃腔體，有源振子采用電容耦合饋電模式，如圖2所示。將金屬套環(huán)緊緊裹附在鋼化玻璃腔體外側(cè)，與內(nèi)部等離子體構(gòu)成耦合電容。通過改變無源振子工作狀態(tài)進行仿真。同時，利用放電管搭建了等離子體天線實物模型。等離子體振子電子密度可通過調(diào)節(jié)電源工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。圖3表示的是利用電源調(diào)節(jié)天線電長度和等離子體參數(shù)。構(gòu)建等離子體引向天線主要是借助該天線的動態(tài)可調(diào)控性。所以在此，主要側(cè)重于通過仿真結(jié)合實驗來研究等離子體參數(shù)對八木天線阻抗、增益及方向性影響。

1.等離子體；2.放電管；3.金屬套環(huán)；4.介質(zhì)層；5.接地面；6.同軸線

圖 3 等離子體天線單一振子電控實體圖

2 仿真結(jié)果

2.1 不同等離子體參數(shù)下天線的輻射特性

在仿真中，選取等離子體電子密度范圍從1016m-3到1018m-3量級。因為電子密度太小，對甚高頻段電磁波起作用不大，而現(xiàn)有的等離子體激勵源技術(shù)難以產(chǎn)生高密度的等離子體，目前文獻中所給出的輝光放電產(chǎn)生的最高電子密度約為1018m-3量級。當電子密度減小時，由表1給出結(jié)果可知，天線半功率波束寬度（HPBW）變寬，增益與方向性系數(shù)減小?？赏ㄟ^調(diào)整電子密度動態(tài)調(diào)節(jié)天線方向圖，而電子密度僅僅通過調(diào)節(jié)放電功率即可實現(xiàn)，這樣天線覆蓋區(qū)域的調(diào)節(jié)比金屬天線更加靈活。當電子密度在1018m-3量級時，天線具有較高的增益，接近7.5dBi。我們利用HFSS軟件仿真了與等離子體八木天線相同規(guī)格及尺寸的金屬八木天線，增益在8.3dBi左右?？梢?，高密度等離子體天線增益可以與金屬天線增益媲美。

表1 不同電子密度下天線垂直面半功率角及增益

2.2 引向振子個數(shù)對方向圖影響

當關(guān)閉所有振子激勵源時，天線變成放電管，雷達散射截面很小，可以實現(xiàn)隱身，具有很高的軍事應(yīng)用價值。當無源振子全部關(guān)閉，只有有源振子工作時，天線為單極子天線，此時水平面方向性為全向性，可實現(xiàn)信息全向廣播。當開啟反射振子并改變引向振子個數(shù)時，定向性瞬間變化，通信區(qū)域也快速改變。當無源振子全部關(guān)閉時，天線為半波對稱振子天線，水平方向為全向性。當開啟全部無源振子（一個反射振子，三個引向振子）時，天線的指向性迅速變化，這說明等離子體八木天線僅僅通過改變振子的工作狀態(tài)便可以實現(xiàn)全向和定向的快速變換。在AIS基站發(fā)射系統(tǒng)中，為了增大通信距離，有必要開啟多個無源振子。

表2給出的是在開啟一個反射振子的條件下，不同引向振子個數(shù)對等離子體八木天線垂直面方向圖主瓣HPBW的影響。當關(guān)閉全部引向振子時，天線半功率角非常大，在110°左右，不斷增加反射振子個數(shù)時，天線的定向性增加，通信范圍變窄，半功率波束寬度減小，當引向振子個數(shù)增加到3個時，HPBW減小到50°左右。因此，等離子體電子密度一定的條件下，通過改變無源振子個數(shù)，可以快速調(diào)整天線方向性，增加引向振子個數(shù)，天線方向圖中前向和后向的電場振幅比增大，定向性增大，半功率角變窄。但由于重量等原因不能一直增加振子個數(shù)，需折中考慮。這里僅給出了有源振子為半波對稱振子，并含有三個引向振子的引向天線在AIS通信頻段下，通過改變振子個數(shù)，等離子體電子密度，天線方向性、通信覆蓋區(qū)域及增益的仿真結(jié)果。當然，等離子體引向天線的性能也受振子長度、振子間距等參數(shù)的影響，這些影響的研究目前正在進行當中。

表 2 引向振子個數(shù)對天線垂直面方向圖半功率角影響

3 等離子體引向天線增益實驗分析

利用等離子體放電管根據(jù)文獻[2]制作等離子體八木天線，放電管長度約為半波長，反射振子長度略長，約0.6個波長。通過調(diào)節(jié)放電管開關(guān)電源，改變等離子體振子個數(shù)。

4 結(jié)論

通過對等離子體引向天線模型仿真和實驗研究，得出：

1）通過改變等離子體電子密度，反射振子、引向振子個數(shù)及工作狀態(tài)，可以動態(tài)調(diào)整天線的方向性、增益、輸入阻抗等天線參數(shù)，實現(xiàn)等離子體天線快速動態(tài)可調(diào)。等離子體八木天線可以作為智能天線。

2）等離子體引向天線在AIS通信頻段率上可以在不施加任何匹配網(wǎng)絡(luò)的情況下，僅調(diào)整等離子體狀態(tài)便可實現(xiàn)阻抗匹配。

3）等離子體引向天線在功耗、電磁兼容、增益、可重構(gòu)性等方面均能得到改善，并滿足AIS岸站發(fā)射天線通信需求，可以作為定線制水域AIS岸站的發(fā)射天線使用。

【參考文獻】

[1]劉軼華，肖英杰，關(guān)克平.基于AIS海上交通調(diào)查的寧波-舟山核心港區(qū)船舶定線制[J].上海海事大學學報，2014，35（1）：1-5.

[2]趙會超，劉少斌，孔祥鯤，等.等離子體八木天線的仿真與實驗研究[J].微波學報，2014，30（1）：20-23.

[3]Borg G G， Harris J H， Martin N M. Plasma as antennas： Theory， experiment and applications[J].Physics of plasmas，2000，7（5）：2198-2202.

[4]梁志偉，趙國偉，徐杰，等.柱形等離子體天線輻射特性矩量法分析[J].電波科學學報，2008，23（4）：749-753.

[5]宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播（第二版）[M].西安電子科技大學出版社，2011.

[責任編輯：王楠]