Ku 波段新型雙輻射體天線的電氣特性分析

王世宇 李麗華 王龍飛 付天暉 馮士民 王永斌

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430000）

引 言

目前水下航行器一般采用甚低頻(very low frequency, VLF)或超低頻(super low frequency, SLF)等傳統(tǒng)拖曳天線在安全深度以下接收來自水面上的電磁波信息[1]. 傳統(tǒng)拖曳天線能保證水下航行器的隱蔽性，但通信速率很低，已不能滿足信息時代戰(zhàn)爭對通信的需求. 通過漂浮在海面上或海水表層的拖曳天線進(jìn)行跨越海面的高速數(shù)據(jù)傳輸，可以在保持隱蔽性的同時，將水下航行器納入現(xiàn)代戰(zhàn)爭的空戰(zhàn)與海面戰(zhàn)體系中. 圖1 為水下航行器的Ku 頻段拖曳天線系統(tǒng)示意圖. 可以看出，水下航行器在安全深度以下，通過漂浮在海面上或海水表層的尾端天線與空基平臺進(jìn)行高速通信；天線接收到微弱電磁波信號后，經(jīng)過信號放大器、光電轉(zhuǎn)換器、光纖傳輸至水下航行器；尾端天線在實際的海面環(huán)境中，會淹沒在海水表層；無線電信號需跨越空氣、海水和拖曳線纜三種介質(zhì)才能傳輸至尾端天線. 設(shè)計Ku 頻段拖曳天線系統(tǒng)的首要工作，是設(shè)計出能在復(fù)雜海況中，穩(wěn)定接收空中電磁波信號的線纜尾端天線.

圖1 水下航行器的Ku 頻段拖曳天線系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the Ku band trailing antenna system of the underwater vehicle

本文結(jié)合現(xiàn)代戰(zhàn)爭的高速數(shù)據(jù)傳輸需求，設(shè)計出Ku 波段的新型雙輻射體天線，為水下航行器在隱蔽狀態(tài)下接收來自海面上的高速數(shù)據(jù)提供了現(xiàn)實基礎(chǔ). 水下航行器可通過Ku 頻段接收外放無人機(jī)或艦載直升機(jī)的電磁波信號. Ku 頻段電磁波具有覆蓋面積廣和抗雨衰效果好等優(yōu)點，其下行范圍為10.70～12.75 GHz，上行范圍為12.75～18.10 GHz[2]. 本文以12.75 GHz 為例，對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與驗證.

1 天線設(shè)計

傳統(tǒng)的雙輻射體結(jié)構(gòu)是在主要輻射體的正交方向加入長度與主要輻射體近似的寄生輻射體，通過增加天線在同一介質(zhì)中帶寬的方式，提高穩(wěn)定性[3].本文在傳統(tǒng)的雙輻射體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)，基于電磁波在海水中的波長，大幅縮短了寄生輻射體的長度，使得新型雙輻射體天線能夠置入拖曳線纜中.

圖2 為天線的新型雙輻射體結(jié)構(gòu)[4]. 新型雙輻射體天線是在雙輻射體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁波在空氣和海水中不同的波長特性設(shè)計出的變形天線.主要輻射體的基本結(jié)構(gòu)為半波振子，短輻射體是主要輻射體上的寄生振子. 兩組天線以正交方式放置，可有效避免產(chǎn)生寄生電容影響天線性能[5-6]. 短輻射體以長輻射體為中線，通過正交方式垂直連接在長輻射體兩側(cè). 新型雙輻射體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的雙輻射體結(jié)構(gòu)相比，擁有嚴(yán)格計算長度且遠(yuǎn)短于主要輻射體的寄生輻射體；與半波振子天線相比，天線的軸向增益得到明顯改善. 寄生輻射體之間存在水平間距d.水平間距d和寄生輻射體長度的取值決定于中心頻率在海水中的波長. 目前還未見有公開發(fā)表文獻(xiàn)提出新型雙輻射體天線并進(jìn)行電氣特性分析. 天線的新型雙輻射體結(jié)構(gòu)亟需驗證其科學(xué)性，進(jìn)而求解具體結(jié)構(gòu)參數(shù).

圖2 新型雙輻射體天線結(jié)構(gòu)圖[4]Fig. 2 Structure of the new dual radiator antenna[4]

在沉沒在海面下的浮力光纜中，天線的電氣特性受近距離介質(zhì)的影響很小，即浮力光纜本身僅起到保護(hù)天線不被海水短路和傳輸信號的作用，不影響天線的電氣特性[7].

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]，電磁波在海水中的波長為

根據(jù)式(1)計算，海水中同一頻率電磁波的波長遠(yuǎn)小于在空氣中的波長. 新型雙輻射體是在空氣中和海水中對應(yīng)同一頻率的半波振子的組合. 在圖3所示的坐標(biāo)系中，對新型雙輻射體天線進(jìn)行分析. 設(shè)長輻射體單臂長為l1，短輻射體單臂長為l2，短輻射體之間水平間距為d，電磁波在空氣中波長為λ1，在海水中波長為λ2，則新型雙輻射體天線上的電流分布可由式(2)近似表達(dá). 當(dāng)天線半徑遠(yuǎn)小于波長時，輻射體上的電流分布近似為正弦分布. 在海水中對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，長輻射體中的電流分布可以近似寫為

式中，α 為電磁波在海水中的波數(shù)，天線末端開路處電流為0；當(dāng)Z=0，I(0)=Imax，即饋電點電流為最大值；在海水中，當(dāng)d=λ2/2 時，I(d/2)=I(-d/2)≈0，即長、短輻射體連接點處感應(yīng)電流近似為0. 結(jié)合天線位于拖曳線纜狹窄空間中的實際情況，將長輻射體單臂長度l1取值為λ1/4，短輻射體單臂長度l2取值為λ2/4. 通過近似計算天線在中心頻點的電流分布，把短輻射體的水平間距d取值為λ2/2，使得長、短輻射體連接處的電流近似為0. 新型雙輻射體天線的長輻射體總長度為2l1，短輻射體總長度為2l2. 從圖3 中可以看出，短輻射體的輻射方向能夠彌補(bǔ)長輻射體的軸向增益.

圖3 新型雙輻射體天線求解示意圖Fig. 3 Schematic diagram of solving the new dual-radiator antenna

2 仿真計算

在FEKO 電磁仿真軟件中，建立空氣-海水-發(fā)泡聚乙烯(拖曳線纜)空間分層電磁模型，對天線的電氣特性使用Sommerfeld 積分求解.

根據(jù)自由空間中電磁波波長的計算公式及式(1)可以分別求出工作頻率12.75 GHz 對應(yīng)在空氣中的波長λ1=0.024 m，對應(yīng)在海水中的波長λ2=0.014 m.長輻射體的單臂長度l1=0.006 m，短輻射體的單臂長度l2=0.003 5 m，短輻射體之間的水平間距d=0.007 m.

在FEKO 軟件中設(shè)定天線直徑為1 mm，材質(zhì)為銅. 由于線天線在非自由空間中的縮短效應(yīng)，仿真結(jié)果會存在少量誤差. 發(fā)泡度70%聚乙烯泡沫的相對介電常數(shù)為1.2[10]. 圖4 為空氣-發(fā)泡聚乙烯(線纜)-海水空間分層電磁模型的線纜剖面，天線位于線纜內(nèi)部；線纜處于海面之下，在多組仿真計算過程中，保持與天線的相對位置不變. 天線饋電點設(shè)置在水下1 cm深度，在還原天線實際工作環(huán)境的同時，確保天線在不同的運(yùn)動姿態(tài)下均能整體淹沒在海面以下，保持變量統(tǒng)一.

圖4 分層電磁模型中的新型雙輻射體天線Fig. 4 The dual-radiator antenna in a layered electromagnetic model

2.1 增益與方向圖

拖曳線纜在實際的工作環(huán)境中，受海浪的影響處于不穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)，影響天線的收信性能[11]. 圖5為拖曳線纜在復(fù)雜海況中可能的運(yùn)動軌跡，其中包括沿XOZ平面傾斜和沿YOZ方向旋轉(zhuǎn).

圖5 拖曳線纜在復(fù)雜海況中的傾斜、旋轉(zhuǎn)范圍Fig. 5 Range of tilt and rotation of the towed cable in complex sea conditions

根據(jù)電磁波跨越空氣-海水平面的傳播特性可知，電磁波由空氣射入海水后，方向均偏向水平面的法向方向，如圖6 所示[12]，θi、θo、θt分別表示入射角、反射角和折射角. 若采用半波振子作為拖曳天線系統(tǒng)的尾端天線，當(dāng)線纜傾斜于海平面時，天線的最大增益方向與電磁波傳播方向不再吻合.

圖6 電磁波在跨空氣-海水平面的傳播方向Fig. 6 The direction of electromagnetic wave propagation across the air-sea plane

由圖2 中新型雙輻射體的結(jié)構(gòu)可以看出，尾端天線不論在任何角度上傾斜，總有一組輻射體朝向接收信號的最大增益方向，有利于在復(fù)雜海況中接收來自空中的電磁波信號. 將圖7 所示新型雙輻射體天線不同姿態(tài)時的立體方向圖表面展開可以得到圖8 所示全部方向的具體增益. 圖7 和圖8 中完全展示了新型雙輻射體天線在水中不同姿態(tài)時的立體方向圖與增益. 可以看出，新型雙輻射體天線在不同的傾斜角度中，在天線所處平面以上，具備全向性.θ 為XOZ平面上以Z軸為0°的角度劃分，當(dāng)θ 大于90°或小于-90°時，天線方向圖呈現(xiàn)深藍(lán)色，表示天線不存在所處水平面以下的增益. φ 為方向圖表面展開后與θ 相對的坐標(biāo)軸變量. 新型雙輻射體天線在水中接收信號的增益范圍為-40～-35 dBi. 增益數(shù)值相對于自由空間中的天線較低；但相對于在海水中接收空中Ku 頻段電磁波信號的常規(guī)天線，增益較高且穩(wěn)定.

圖7 新型雙輻射體天線不同姿態(tài)時的立體方向圖與增益Fig. 7 Stereo directivity diagram and gain of a new dual radiator antenna with different postures

圖8 新型雙輻射體天線在水下處于不同姿態(tài)時的增益展開表面圖Fig. 8 The surface view of the expanded gain of the new dual radiator antenna underwater

結(jié)合天線結(jié)構(gòu)和電磁波入水后的傳播方向可知，在拖曳線纜沿XOZ方向的傾斜過程中，由于短輻射體的存在，新型雙輻射體天線在水下的全向性優(yōu)于半波振子. 圖9 為在水中傾斜0°、30°、60°和90°的新型雙輻射體天線與半波振子方向圖XOZ剖面的對比. 可以看出，半波振子天線在傾斜90°即垂直于海面時，天線軸線方向的增益很差，新型雙輻射體天線完美地彌補(bǔ)了這一點. 在其他傾斜角度上，新型雙輻射體天線和半波振子天線的增益差別不大. 當(dāng)θ 大于90°或小于-90°時，天線方向圖驟降，表明天線在所處水平面之下無增益.圖10 為新型雙輻射體天線在短輻射體呈水平姿態(tài)的基礎(chǔ)上分別旋轉(zhuǎn)0°、30°、60°和90°方向圖的XOZ平面剖面. 可以看出，新型雙輻射體天線的旋轉(zhuǎn)對天線增益的影響在3 dB 以內(nèi).

圖9 不同傾斜角度下的新型雙輻射體天線和半波振子天線方向圖對比Fig. 9 Directivity diagram comparison of the new dual radiator antenna and the half wave dipole antenna at different tilt angles

圖10 不同旋轉(zhuǎn)角度下的新型雙輻射體天線方向圖Fig. 10 Directivity diagram of new dual radiator antenna with different rotation angles

2.2 反射系數(shù)

圖11 為新型雙輻射體天線與半波振子天線在Ku 頻段的反射系數(shù)對比. 可以看出，受海水影響，新型雙輻射體天線的反射系數(shù)偏高，但在工作頻率12.75 GHz 處的反射系數(shù)低于處在相同環(huán)境中的半波振子天線；在全Ku 頻段，新型雙輻射體天線的反射系數(shù)均在0.45 以下. 在介質(zhì)不發(fā)生變化的情況下，天線的反射系數(shù)與傾斜角度、旋轉(zhuǎn)角度無關(guān).

圖11 新型雙輻射體天線和半波振子天線在水下的反射系數(shù)對比Fig. 11 Comparison of reflection coefficients between the new dual radiator antenna and the half-wave dipole antenna under water

3 遠(yuǎn)場測量

為提高實驗準(zhǔn)確度，降低傳播路徑對實驗結(jié)果的影響，采用縮比模型試驗方法降低天線工作頻率，在微波暗室中對天線實物進(jìn)行測量. 根據(jù)相似原理在水下接收天線設(shè)計中的應(yīng)用，縮比模型測量結(jié)果與原型天線一致[13].

在Ku 頻段天線系統(tǒng)中可通過對電導(dǎo)率和頻率進(jìn)行縮比，提高測試的精確性. 縮比因子k＜1 時，可以將Ku 頻段的天線測試縮比至特高頻進(jìn)行測試，有效降低環(huán)境對測試結(jié)果的干擾. 原型天線的中心頻率為12.75 GHz，令縮比因子k=0.1，則縮比模型天線的測量頻段為1.275 GHz. 圖12 為水下天線縮比模型測試平臺的實用結(jié)構(gòu)，天線可在支架上水平放置或垂直放置. 在水平360°和豎直120°半徑為R的曲面范圍內(nèi)，分別取間隔為45°或30°的11 個點位，采用頻譜儀對天線全向性進(jìn)行測試. 實驗前通過調(diào)節(jié)水箱中鹽水濃度，對介質(zhì)的電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)節(jié). 從天線遠(yuǎn)場的定義中可以求出R：

圖12 天線全向性縮比模型測試平臺的結(jié)構(gòu)Fig. 12 The structure of the omnidirectional shrinkage model test platform

表1 為本次實驗中部分鹽水濃度與對應(yīng)電導(dǎo)率的關(guān)系[15]. 表2 為實驗中原型和縮比模型間對應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)的縮比關(guān)系[13]. 圖13 為Ku 波段新型雙輻射體天線放大10 倍的模型.

圖13 Ku 波段新型雙輻射體天線的模型(k=0.1)Fig. 13 The model of the new dual-radiator antenna at Ku band(k =0.1)

表1 部分鹽水濃度與對應(yīng)電導(dǎo)率的關(guān)系Tab. 1 The relationship between the concentration of partial brine and the corresponding conductivity

表2 原型天線和縮比模型間對應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)的縮比關(guān)系Tab. 2 Scaling relationships of the key parameters between prototype antenna, environment and scale model

表3 為縮比模型測試平臺中各點位天線收信性能測試結(jié)果. A 為新型雙輻射體天線的接收信號幅度；B 為半波振子天線接收信號幅度，k=0.1. 受天線在鹽水工作環(huán)境中的縮短效應(yīng)影響，實驗結(jié)果存在微弱誤差.

表3 縮比模型測試平臺中天線全向性測試結(jié)果Tab. 3 Antenna omnidirectional test results in the scale model test platform dBmv

從表3 中可看出，天線處于水平姿態(tài)的測試結(jié)果中，新型雙輻射體天線與半波振子天線的接收信號幅度不存在明顯差異；在天線處于豎直姿態(tài)時，新型雙輻射體天線增益明顯高于半波振子天線. 結(jié)合表3 的測量結(jié)果和相似原理，可以得出以下結(jié)論：

1)新型雙輻射體天線能在水下有效接收Ku 波段電磁波.

2)水平放置的天線和豎直放置的新型雙天線，在11 處測量點位的接收信號幅度之差均未超過2 dB，驗證了新型雙輻射體天線的全向性；同時也可以看出新型雙輻射體天線在軸線方向的增益較半波振子高.

實驗測量不僅驗證了Ku 波段新型雙輻射體天線作為水下航行器拖曳天線的可行性，還驗證了新型雙輻射體結(jié)構(gòu)的電氣特性推導(dǎo)和仿真計算結(jié)果.結(jié)合仿真計算和實驗結(jié)果可知，新型雙輻射體天線在任何姿態(tài)中均在所處水平面以上呈現(xiàn)全向性.

4 結(jié) 論

本文對天線的新型雙輻射體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電氣特性計算，驗證了新型雙輻射體天線的科學(xué)性，得出了新型雙輻射體結(jié)構(gòu)的電氣特性. 基于新型雙輻射體結(jié)構(gòu)，設(shè)計了可置于拖曳線纜內(nèi)部的Ku 波段新型雙輻射體天線，并在FEKO 電磁仿真軟件中，對Ku 波段新型雙輻射體天線的增益、方向圖和反射系數(shù)進(jìn)行了仿真計算，與理論結(jié)果相互印證；采用縮比模型試驗方法，搭建水下接收天線測試平臺，對Ku 波段新型雙輻射體天線的方向性進(jìn)行了測試，并與半波振子進(jìn)行對比. 結(jié)果表明，新型雙輻射體結(jié)構(gòu)是一種可靠、高效、全向的水下接收天線結(jié)構(gòu)；基于新型雙輻射體結(jié)構(gòu)設(shè)計的Ku 波段接收天線收信效果良好，能夠置入拖曳線纜內(nèi)部作為前置收信天線. 但受海水影響，天線的增益較自由空間中的天線更低，反射系數(shù)更高，這是客觀工作環(huán)境所導(dǎo)致的. 水下航行器的短距離通信需要一種在復(fù)雜海況中能穩(wěn)定工作、在同等工作條件下呈現(xiàn)較高增益的海面下全向前端天線，本文為水下航行器在海面下安全深度采用拖曳天線接收Ku 頻段電磁波提供了新型、全向、較高增益的天線形式，也為新型雙輻射體結(jié)構(gòu)在其他高損耗介質(zhì)中的應(yīng)用提供了理論支撐.