基于海上浮標(biāo)的短波鞭天線電氣性能仿真分析

梁俊杰，翟 琦，王永斌

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

1 引言

對(duì)于短波鞭天線存在的效率低、通頻帶窄等問題，目前的研究多集中在加頂負(fù)載、加粗振子直徑、使用寬帶天線(如對(duì)數(shù)周期天線和菱形天線)等方面。但體積過大的寬帶天線和加頂負(fù)載不適用于海上浮標(biāo)短波天線的使用環(huán)境；鞭天線具有水平方向圖全向、結(jié)構(gòu)簡單、體積小的特點(diǎn)，制作成本也低廉，適用于海上浮標(biāo)短波天線設(shè)計(jì)。

由于海上風(fēng)力和海浪的影響，為保證天線能夠直立不傾倒，天線高度確定為6m，天線主要工作在5～30MHz頻帶內(nèi)。天線的電長度在低頻段不足0.1λ，屬于電小天線，此時(shí)輸入阻抗具有實(shí)部小、容抗大、阻抗變化劇烈的特點(diǎn)[1]。為解決天線低頻段匹配難度較大的問題和擴(kuò)展天線匹配后的工作帶寬，通過優(yōu)化天線參數(shù)，從而提高天線低頻段電阻和平緩整個(gè)頻段內(nèi)天線的阻抗變化劇烈程度，使得天線頻段內(nèi)反射系數(shù)較好。

為使天線在5～30MHz頻段內(nèi)具有較高效率，需要對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧匹配。艦用短波天線調(diào)諧匹配器常采用矢量檢測調(diào)諧方案對(duì)天線進(jìn)行快速匹配，但這種方法需要檢測單元、匹配電路和控制單元等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且由于海上環(huán)境因素，調(diào)諧精度受到影響。為避免矢量檢測調(diào)諧方案的不足，采取預(yù)匹配方案，通過預(yù)置頻率切換匹配網(wǎng)絡(luò)，對(duì)天線進(jìn)行無耗寬帶匹配，實(shí)現(xiàn)5～30MHz頻段內(nèi)反射系數(shù)較好，天線效率高。

2 海上浮標(biāo)短波天線模型

對(duì)于短波鞭天線主要為兩種形式：直立鞭天線和螺旋鞭天線。螺旋鞭天線是特殊的鞭天線，通過對(duì)直立鞭天線進(jìn)行分布加載，即將導(dǎo)線在非金屬管上繞制成線圈來實(shí)現(xiàn)。對(duì)直立鞭天線和螺旋天線進(jìn)行建模：高度為6m，導(dǎo)線半徑4mm，天線束縛在非金屬管上，螺旋半徑為10cm，饋線為50Ω同軸線，接地為接入海水。海水的相對(duì)介電常數(shù)取81、導(dǎo)電率取4 S/m、相對(duì)磁導(dǎo)率取1，在短波頻段可以視為良導(dǎo)體[2]。直立鞭天線與螺旋鞭天線FEKO仿真模型如圖1、圖2所示。

圖1 直立鞭天線

圖2 螺旋鞭天線

3 電參數(shù)計(jì)算及仿真分析

天線電參數(shù)是衡量天線性能的尺度，通過對(duì)比分析天線的反射系數(shù)、阻抗特性等參數(shù)，可以更好地設(shè)計(jì)和選擇合適的天線，達(dá)到預(yù)想的目的[3]。

3.1 反射系數(shù)

天線調(diào)諧器進(jìn)行調(diào)諧和工作時(shí)，通常用電壓反射系數(shù)Γ描述發(fā)射機(jī)與天線的匹配狀態(tài)[4]。因此定義

(1)

其中Zi和Z0分別表示天線輸入阻抗和發(fā)射機(jī)輸出阻抗。反射系數(shù)Γ反映了天線輸入阻抗與發(fā)射機(jī)阻抗的配諧程度，配諧越好反射系數(shù)越小。

3.2 阻抗特性

天線的輸入阻抗Zi，定義為天線的輸入端電壓Ui與電流Ii之比，由輸入電阻Ri和輸入電抗Xi兩部分組成，即

(2)

天線的輸入電阻Ri包括輻射電阻Rr和損耗電阻Rl兩部分；輸入電抗Xi是天線體分布電感和分布電容在輸入端的體現(xiàn)。輻射電阻反映了天線向自由空間輻射的實(shí)功率，而電抗分量則反映儲(chǔ)存于天線附近的虛功率，因此在調(diào)諧時(shí)需減少電抗分量，從而提高輻射效率[2]。

3.3 仿真分析

通過改變單極子天線輻射體的幾何外形、電尺寸的大小、頂端加載或者輻射體和地面短接都可以很好地展寬天線的阻抗帶寬[5]。

對(duì)于海上浮標(biāo)短波天線由于高度有所限制，直立鞭天線在低頻段電長度較小，輻射電阻較小，為提高輻射電阻，除了增大天線半徑外，還可提高天線的有效高度。對(duì)于海上浮標(biāo)的使用環(huán)境，加頂負(fù)載不易實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)加載成本過高并增加損耗，所以使用分布加載方式。分布加載是在非金屬管上繞制線圈，線圈匝數(shù)增加，天線分布電容增加，天線有效高度從而增加。對(duì)比等高度等導(dǎo)線半徑的直立鞭天線和螺旋天線的反射系數(shù)如圖3所示。

圖3 對(duì)比螺旋鞭天線與直立鞭天線的反射系數(shù)

由圖3可以看出在低頻段螺旋鞭天線與直立鞭天線相比，反射系數(shù)有所改善，在諧振點(diǎn)附近反射系數(shù)值降低了3.76dB，天線匹配程度更好，但由于天線有效高度增加，諧振點(diǎn)向低頻段方向移動(dòng)，天線高頻段匹配阻抗特性變化更為劇烈，天線效率降低。但對(duì)于高度有所限制的海上浮標(biāo)天線來說，提高天線的電長度更為重要。因?yàn)殡婇L度越大，天線輻射電阻也會(huì)增加，在天線效率低的低頻段輻射效率提高。而且在高頻段天線效率雖然下降，但對(duì)天線進(jìn)行匹配后，這個(gè)問題可以很好地解決。所以海上浮標(biāo)短波天線采用螺旋鞭天線形式[6]。

對(duì)于螺旋鞭天線，繞線匝數(shù)增加，即可有效地增高天線的有效高度，但對(duì)天線的電氣性能也有所影響，考慮到天線匝數(shù)過多，導(dǎo)線各線圈間間隔減小，鄰近效應(yīng)的影響使螺旋天線的損耗增加，僅對(duì)線圈匝數(shù)30匝以下進(jìn)行仿真。分別對(duì)天線線圈匝數(shù)5匝、10匝、15匝、20匝、25匝、30匝進(jìn)行仿真，天線輸入電阻和電抗如圖4、圖5所示。

圖4 不同螺旋匝數(shù)對(duì)天線輸入電阻的影響

圖5 不同螺旋匝數(shù)對(duì)天線輸入電抗的影響

由圖4、圖5可以明顯看出隨著線圈匝數(shù)增多，天線諧振點(diǎn)向低頻段移動(dòng)，諧振點(diǎn)數(shù)量也變多，但在5～30MHz頻率范圍內(nèi)匹配難度增大，如30匝并聯(lián)諧振點(diǎn)附近電阻最大值達(dá)到8kΩ，電抗最大值達(dá)到6kΩ，極難匹配，對(duì)該頻點(diǎn)匹配后工作頻帶帶寬會(huì)很窄。而且發(fā)信天線在功率一定的條件下，需要盡可能提高天線效率，所以在對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧匹配過程需要做到低耗甚至無耗匹配。因此選擇阻抗特性變化平緩、阻抗較小易于匹配的天線，通過圖4、圖5可以分析得出螺旋鞭天線匝數(shù)應(yīng)選擇5匝。

天線匝數(shù)確定后，為進(jìn)一步擴(kuò)展天線匹配后的工作帶寬，還可以增大天線的導(dǎo)線半徑，天線的導(dǎo)線半徑增大，并聯(lián)諧振點(diǎn)附近電阻降低，電抗絕對(duì)值降低，阻抗特性平緩，天線反射系數(shù)降低[7]。對(duì)比不同導(dǎo)線半徑對(duì)天線的反射系數(shù)的影響如圖6所示。

圖6 不同導(dǎo)線半徑對(duì)天線反射系數(shù)的影響

由圖6可見通過增大天線的導(dǎo)線半徑，7mm導(dǎo)線半徑較3mm導(dǎo)線半徑天線反射系數(shù)降低了約12dB，更有利于天線匹配，但如果天線過粗，增加浮標(biāo)天線整體自重，所以螺旋鞭天線采用5mm導(dǎo)線半徑。

盡管增大了導(dǎo)線半徑優(yōu)化了阻抗特性，反射系數(shù)降低，但低頻段天線電阻仍然很低，為提高低頻段匹配后的工作帶寬，在優(yōu)化天線導(dǎo)線半徑和進(jìn)行分布加載匝數(shù)的優(yōu)化的基礎(chǔ)上，還可以通過采用不同的繞制方法來增加低頻段電阻，從而避免低頻段由于匹配困難而使用電阻加載等有耗加載。

為提高天線低頻段電阻，分析不同繞法對(duì)天線輸入電阻的影響，針對(duì)前面所分析得出的螺旋匝數(shù)5匝，導(dǎo)線半徑5mm的螺旋天線進(jìn)行改進(jìn)。本文針對(duì)天線進(jìn)行不同位置分布加載和“反繞”[8](部分長度正向繞制，部分長度反向繞制)相結(jié)合方式進(jìn)行分析，由于天線匝數(shù)只有5匝，過于復(fù)雜的繞制方式很難實(shí)現(xiàn)，所以在保證總匝數(shù)不變的情況下，僅針對(duì)天線上半部分、下半部分進(jìn)行不同繞制分析，且為均勻繞制。

規(guī)定正向繞制為順時(shí)針方向，反向繞制為逆時(shí)針方向，首先對(duì)0～3m正向繞制3～6m反向繞制和0～3m反向繞制3～6m正向繞制進(jìn)行仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致，所以排除類似不同繞法對(duì)天線電氣性能的影響。本文針對(duì)高度為6m的螺旋鞭天線選擇6種不同的繞制方式見表1。

表1 不同繞制方式

不同繞法對(duì)天線輸入電阻特性的影響如圖7所示。

圖7 不同繞制方法對(duì)天線輸入電阻的影響

由圖7可見，方式⑤雖在5MHz附近提高輸入電阻5 Ω左右，但在并聯(lián)諧振點(diǎn)附近的輸入電阻最大值點(diǎn)與方式①相比，電阻增大了700Ω，這會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)諧振點(diǎn)附近匹配非常困難，所以不采用此繞法。其它的繞法在并聯(lián)諧振點(diǎn)附近電阻相差不大，所以著重比較其它幾種繞法在5MHz附近電阻。比較發(fā)現(xiàn)，與方式①相比，方式④和方式⑥電阻更小，方式②基本不變，而方式③電阻提高了約1Ω，這有利于天線與50Ω同軸線進(jìn)行匹配，所以采用方式③的繞制方法。

經(jīng)過比較分析鞭天線與螺旋鞭天線在等高等導(dǎo)線半徑的反射系數(shù)，并進(jìn)一步比較分析螺旋鞭天線的不同導(dǎo)線半徑、不同繞線匝數(shù)、不同繞法對(duì)天線電氣性能的影響，仿真得出適用于海上浮標(biāo)短波天線且易于無耗匹配的天線參數(shù)為：天線高度6m，天線導(dǎo)線半徑5mm，天線螺旋半徑10cm，繞制方式為0～3m為直立導(dǎo)線、3～6m正向繞制5匝導(dǎo)線。

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有海上浮標(biāo)短波天線由于環(huán)境影響尺寸限制并且為保證整體重量較輕，需要電路簡單的匹配網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鞭天線及螺旋鞭天線模型并利用FEKO軟件對(duì)其電氣性能進(jìn)行仿真，通過深入研究比較鞭天線與螺旋鞭天線反射系數(shù)和螺旋鞭天線不同導(dǎo)線半徑、不同繞線匝數(shù)、不同繞法對(duì)天線電氣性能的影響，給出了海上浮標(biāo)短波發(fā)信天線選擇的指導(dǎo)性意見：選擇螺旋鞭天線形式，有效提高天線的有效高度，改善低頻段天線電阻較低難以匹配的問題；為提高天線帶寬，在避免天線過重的情況下，選擇5mm導(dǎo)線半徑；在選擇天線的繞線匝數(shù)和不同繞法的時(shí)候應(yīng)當(dāng)綜合考慮，由于天線整體重量不易過重，所以繞線匝數(shù)不易過多，而且由于海上存在風(fēng)浪的影響，天線繞制方式不易過于復(fù)雜。為盡可能提高天線有效高度和擴(kuò)展天線的工作帶寬，阻抗應(yīng)較為平緩，低頻段電阻應(yīng)較大，所以選擇繞線匝數(shù)5匝，繞制方式為0～3m為直立導(dǎo)線、3～6m正向繞制5匝導(dǎo)線。本文結(jié)合實(shí)際需求，并綜合考慮與之匹配的匹配電路需要無耗寬帶，為基于海上浮標(biāo)的短波鞭狀天線系統(tǒng)提供了一個(gè)易匹配、阻抗特性好的天線設(shè)計(jì)方案。