高頻地波雷達(dá)電小多頻天線設(shè)計(jì)

胡建濤，岳顯昌,2，陳章友，王龍崗

（1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072；2.湖北珞珈實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072）

0 引 言

高頻地波雷達(dá)工作在3～30 MHz 頻段范圍，其發(fā)射天線具有垂直極化的特點(diǎn)，使得電磁波可以繞著海面表面?zhèn)鞑ィ朔说厍蚯实挠绊懀?-2］，具有超視距、范圍廣、全天候及成本低等特點(diǎn)，是一種檢測海洋狀況的重要技術(shù)［3-4］。

高頻地波雷達(dá)發(fā)射天線一般采用八木天線、單鞭天線、對(duì)數(shù)周期天線，因其工作頻率（3～30 MHz）導(dǎo)致天線尺寸達(dá)到十米或數(shù)十米［4-6］，為了更好地監(jiān)測海洋狀況，高頻地波雷達(dá)一般會(huì)采用架設(shè)天線陣的方式，但是由于其架設(shè)位置一般都在海岸沿途，地形狹窄崎嶇，不易找到大范圍平坦地帶，天線數(shù)十米的高度極大地增加了架設(shè)難度，也增加了后期維護(hù)的成本，因此研究天線小型化和多頻功能也變得十分重要［7-9］，并且天線小型化要盡量不改變其原有的主要性能。

針對(duì)高頻地波雷達(dá)天線，馬慶鋒等［3］通過在單鞭天線頂部加載立體螺旋線圈實(shí)現(xiàn)天線小型化。但是通過對(duì)文獻(xiàn)［3］中天線的實(shí)測發(fā)現(xiàn)，天線在諧振點(diǎn)的阻抗會(huì)受到周圍空氣電導(dǎo)率的影響。因文獻(xiàn)［3］中天線架設(shè)位置在臺(tái)灣海峽，冬季海風(fēng)、海浪較大，海水撞擊海岸發(fā)生破碎，導(dǎo)致海岸空氣中夾雜著海水液滴，空氣電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化。隨著電導(dǎo)率的變化，天線諧振點(diǎn)的阻抗也隨之發(fā)生較大的變化，這極大影響了天線的工作性能。經(jīng)仿真與實(shí)測發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)［3］中天線頂部加載的立體線圈的存在導(dǎo)致了這個(gè)結(jié)果。將立體線圈變換成平面阿基米德螺線線圈，仿真和實(shí)測都驗(yàn)證了此平面線圈結(jié)構(gòu)的加載減弱了空氣電導(dǎo)率對(duì)天線諧振點(diǎn)阻抗的影響，天線諧振點(diǎn)的阻抗對(duì)空氣電導(dǎo)率的變化不再那么敏感，天線性能的穩(wěn)定性也得到了一定的改善。針對(duì)上述問題，本文提出了一種頂部加載和多枝節(jié)技術(shù)的方法實(shí)現(xiàn)了小型化雙頻功能。同時(shí)制作天線進(jìn)行測試，以驗(yàn)證天線的可行性。

1 電小雙頻天線設(shè)計(jì)

本文通過在單鞭天線頂端加載一定長度的阿基米德螺線狀的平面線圈實(shí)現(xiàn)天線小型化，并且經(jīng)過調(diào)整使得天線高度僅為0.077λ，達(dá)到了電小天線的標(biāo)準(zhǔn)。為了同時(shí)檢測海面目標(biāo)和不同距離海流狀態(tài)以更好地探測海洋狀況［10］，利用多枝節(jié)技術(shù)，在天線頂端加載兩段不同長度的平面線圈，從而實(shí)現(xiàn)雙頻功能，當(dāng)頻率為3.7 MHz 時(shí)，雷達(dá)探測距離超過250 km；當(dāng)頻率為6.5 MHz 時(shí)，雷達(dá)探測距離超過150 km［2］。并且通過Dixon 優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)雙頻的匹配。

通過在天線頂部加載阿基米德螺線狀平面線圈，利用線圈延長電流路徑的作用，改變了天線表面的電流分布，使得從天線饋電點(diǎn)到天線頂端的電流衰減變緩，在不改變天線高度的情況下降低天線諧振點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。同時(shí)根據(jù)多枝節(jié)技術(shù)，將不同長度的兩段平面線圈加載在天線頂部，通過附加的枝節(jié)產(chǎn)生多條電流路徑，從而使天線工作在多個(gè)頻點(diǎn)?？梢酝ㄟ^調(diào)整平面線圈的長度來調(diào)節(jié)天線的諧振頻率，操作比較簡單，因此可以根據(jù)實(shí)際需求，采用相應(yīng)長度的線圈，靈活調(diào)整兩個(gè)諧振點(diǎn)的位置。

阿基米德螺線方程如下：

式中a為螺線起點(diǎn)到極坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，b為螺線增加單位角度隨之增加的長度。

為了實(shí)現(xiàn)天線雙頻的功能，在單鞭天線頂部加載了兩根長度不同的阿基米德螺線狀平面線圈，并讓兩根線圈旋向相差180°使水平重量更加均勻，也使得每根線圈之間間距一樣且達(dá)到最大間距，同時(shí)增大了天線的抗風(fēng)性，本文設(shè)計(jì)的阿基米德螺線方程為r=1/20*θ，螺線每條臂之間的間距為π/10 m。為了使天線諧振在3.7 MHz和6.5 MHz，經(jīng)過仿真和實(shí)測的調(diào)整，兩根線圈分別旋轉(zhuǎn)3.2、4.5圈。

加載阿基米德螺線狀平面線圈的天線的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中H1為單鞭天線柱體高度，H2為阿基米德螺線狀線圈離天線柱體的高度。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2為圖1天線頂部加載的阿基米德螺線狀平面線圈的結(jié)構(gòu)圖，其中Lmax為線圈水平方向上的橫向最大尺寸。

圖2 阿基米德螺線狀平面線圈結(jié)構(gòu)圖

具體天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與尺寸

2 仿真與實(shí)測結(jié)果分析

2.1 仿真結(jié)果分析

為了探究電小雙頻天線的性能，通過三維電磁仿真軟件CST STUDIO SUITE 進(jìn)行仿真。仿真選擇頻域求解器，采用易于鋪設(shè)的呈輻射狀的細(xì)鐵絲構(gòu)成的地網(wǎng)，輻射狀地網(wǎng)半徑12 m，細(xì)鐵絲根數(shù)為8根，地網(wǎng)以下的地面設(shè)置為電導(dǎo)率為0.005 S/m的邊界，用來模擬真實(shí)地面情況。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，天線需存在兩個(gè)諧振點(diǎn)分別為3.7 MHz和6.5 MHz。圖3為天線的反射系數(shù)仿真結(jié)果，由圖3可知，天線的確存在兩個(gè)諧振點(diǎn)，低頻點(diǎn)在3.7 MHz 左右，高頻點(diǎn)在6.5 MHz 左右，天線基本實(shí)現(xiàn)了雙頻功能。但是從圖中可知天線兩個(gè)頻點(diǎn)的反射系數(shù)較大，是因?yàn)樘炀€的尺寸對(duì)于低頻點(diǎn)而言只有0.077λ，屬于電小天線，天線的等效阻抗較小，采用同軸饋電時(shí)，與阻抗為50 Ω 的同軸線不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致天線反射系數(shù)較大，所以需要同時(shí)對(duì)兩個(gè)頻點(diǎn)做阻抗匹配，改善天線的阻抗特性，提高天線的發(fā)射性能。

圖3 雙頻天線的仿真結(jié)果

通過調(diào)節(jié)加載在頂部的平面線圈的長度來控制兩個(gè)頻點(diǎn)的分布，長度較長的線圈控制著天線低頻諧振點(diǎn)的位置，長度較短的線圈控制著天線高頻諧振點(diǎn)的位置。多枝節(jié)技術(shù)最關(guān)鍵的問題是盡可能減小不同枝節(jié)間的互耦作用，因此在設(shè)計(jì)雙頻天線時(shí)，需要關(guān)注調(diào)節(jié)天線一個(gè)諧振點(diǎn)位置的同時(shí)不影響另外一個(gè)諧振點(diǎn)位置的問題。

圖4是改變長線圈長度時(shí)，天線反射系數(shù)所對(duì)應(yīng)的曲線圖。從圖4可以看出，長線圈決定了天線低頻諧振點(diǎn)的位置，并且隨著此線圈長度的變化，天線高頻諧振點(diǎn)基本不受其影響。說明天線低頻諧振點(diǎn)是單鞭天線柱體和長線圈共同作用的結(jié)果，并且兩個(gè)線圈之間基本不存在耦合作用。所以通過調(diào)節(jié)長線圈可隨意調(diào)節(jié)天線低頻諧振點(diǎn)的位置，并且不影響天線高頻諧振點(diǎn)，天線的雙頻功能也具有一定的穩(wěn)定性，同時(shí)也具有一定的可擴(kuò)展性，適用性較大。

圖4 低頻線圈長度變化對(duì)天線影響的仿真結(jié)果

圖5是調(diào)節(jié)短線圈長度時(shí)，天線的反射系數(shù)曲線圖。從圖5可以看出，短線圈控制著天線高頻諧振點(diǎn)的位置，并且隨著線圈長度的變化，天線低頻諧振點(diǎn)基本不受影響，與圖4中的變化規(guī)律大致相同。并且說明了高頻點(diǎn)僅受單鞭天線柱體和短線圈的影響，再一次說明了長線圈和短線圈之間基本不存在耦合，天線頻點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際需求作調(diào)節(jié)，拓展了天線的實(shí)用性。

圖5 高頻線圈長度變化對(duì)天線影響的仿真結(jié)果

因此，在實(shí)際過程中我們可以根據(jù)實(shí)際需求，結(jié)合天線的安裝難度、后期的維修成本，選擇合適的線圈長度，設(shè)計(jì)相應(yīng)的雙頻天線。

2.2 天線的實(shí)測結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，實(shí)際過程中采用長度6 m 的單鞭天線，將直徑為2 mm 的漆包線手工繞制成所需的阿基米德螺線狀平面線圈，考慮到線圈的橫向尺寸帶來的橫向重量，所以將線圈固定在八根細(xì)木頭輻條上，輻條不僅讓繞制過程更簡便，對(duì)線圈起支撐作用，并且還讓線圈繞制得更標(biāo)準(zhǔn)（線圈的形狀標(biāo)準(zhǔn)與否對(duì)結(jié)果不影響，線圈長度起決定性作用），為了讓頂部加載的線圈更加穩(wěn)定，還定制了一個(gè)絕緣的支撐框，讓輻條和線圈能夠穩(wěn)定固定在天線頂端。然后通過金屬導(dǎo)線，將天線頂端平面與線圈起始端連接，起到穩(wěn)定連通的效果。電小雙頻天線實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 電小雙頻天線實(shí)物圖

通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量天線的反射系數(shù)、阻抗和駐波比等參數(shù)，圖7為天線反射系數(shù)的仿真與實(shí)測結(jié)果對(duì)比。從圖7可以看出，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)基本吻合，在3.7 MHz 和6.5 MHz 附近有兩個(gè)諧振點(diǎn)，天線具有雙頻特性，與仿真結(jié)果基本一致。但是高低頻諧振點(diǎn)處的仿真與實(shí)測結(jié)果也存在一定的差異，主要是反射系數(shù)和駐波比小于2帶寬的不同，即天線在兩個(gè)諧振點(diǎn)處的阻抗特性存在差異。這主要和天線架設(shè)的周圍環(huán)境有關(guān)，由于實(shí)際位置非常靠近海面，周圍平坦地面有限，地網(wǎng)只能根據(jù)實(shí)際地面來鋪設(shè)，這影響了地網(wǎng)的效果，帶來了地面損耗，使得天線的輸入阻抗變大，更加接近50 Ω，反射系數(shù)減小，使得實(shí)測結(jié)果比仿真結(jié)果更好。從仿真和實(shí)測結(jié)果可以看到，天線在3.7 MHz 附近的反射系數(shù)比較大，駐波比小于2 的帶寬不能滿足60 kHz 的要求，天線在此頻點(diǎn)無法正常工作。因此需要加入合適的匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖7 雙頻天線仿真與實(shí)測結(jié)果

雖然6.5 MHz 頻點(diǎn)附近的帶寬滿足工程實(shí)際要求，需對(duì)3.7 MHz 頻點(diǎn)做阻抗匹配，但是僅僅對(duì)3.7 MHz 頻點(diǎn)做阻抗匹配引入的電感電容器件必將會(huì)影響6.5 MHz 頻點(diǎn)的工作性能。因此需要同時(shí)對(duì)兩個(gè)頻點(diǎn)做阻抗匹配，通過Dixon 優(yōu)化算法對(duì)雙頻進(jìn)行匹配，優(yōu)化后得到的匹配電路采用Π型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，匹配電路如圖8所示，加入匹配電路后結(jié)果如圖9所示，天線在3.7 MHz 頻點(diǎn)附近的帶寬大于60 kHz，在6.5 MHz 頻點(diǎn)附近的帶寬接近160 kHz，但是在6.5 MHz 處中心頻率發(fā)生了偏移，偏移量在可接受范圍內(nèi)，不影響天線的正常工作。兩個(gè)諧振點(diǎn)都能夠滿足工程實(shí)際要求。

圖8 雙頻匹配電路

圖9 雙頻天線匹配前后結(jié)果

電小雙頻天線在兩個(gè)諧振點(diǎn)處的方向圖如圖10所示，天線在3.7 MHz 時(shí)的方向性系數(shù)為5.41 dBi，半功率波束角為42.9°；天線在6.5 MHz時(shí)的方向性系數(shù)為5.67 dBi，半功率波束角為32.9°。天線在水平方向H 面上具有全向性，在E 面，隨著仰角的不斷變大，方向性系數(shù)越來越小，這和未加載的單鞭天線方向圖變化趨勢(shì)大致相同，本文設(shè)計(jì)的電小雙頻天線是在單鞭天線頂部加載一定長度的螺線線圈，因此兩者的方向圖基本不會(huì)存在太大差異。

圖10 雙頻天線方向圖

在雙頻基礎(chǔ)上增加一根阿基米德螺線狀平面線圈使天線實(shí)現(xiàn)了三頻功能，線圈纏繞圈數(shù)接近3圈，天線仰視圖如圖11所示。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行測量，仿真與實(shí)測結(jié)果如圖12所示。由圖可知，電小三頻天線的實(shí)測結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，反射系數(shù)曲線走勢(shì)大致相同，并且天線諧振在3.7 MHz、6.5 MHz、8 MHz 這三個(gè)頻點(diǎn)，但是仿真和實(shí)測結(jié)果也存在一定的差異，這和電小雙頻天線實(shí)測一樣，天線所處的環(huán)境導(dǎo)致其輸入阻抗變大，導(dǎo)致實(shí)測結(jié)果比仿真結(jié)果更好。電小三頻天線無論是實(shí)測還是仿真結(jié)果都與電小雙頻天線性能相似，所以可以合理調(diào)節(jié)單鞭天線頂部線圈個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定的電小多頻天線，拓寬了天線的適用性。

圖11 電小三頻天線實(shí)物仰視圖

圖12 三頻天線仿真與實(shí)測結(jié)果

雖然6.5 MHz 和8 MHz 兩個(gè)頻點(diǎn)附近的帶寬滿足大于60 kHz 的設(shè)計(jì)需求，但是僅僅對(duì)3.7 MHz進(jìn)行阻抗匹配引入的電感電容器件一定會(huì)影響另外兩個(gè)頻點(diǎn)的工作性能。因此利用Dixon 優(yōu)化算法設(shè)計(jì)三頻匹配網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其優(yōu)化得到如圖13所示的三頻匹配電路。加入匹配電路后天線反射系數(shù)如圖14所示，天線3 個(gè)頻點(diǎn)處帶寬都大于60 kHz，滿足了天線設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也提高了天線的工程實(shí)用性，并且對(duì)于6.5 MHz 和8 MHz 附近的兩個(gè)諧振點(diǎn)，中心頻點(diǎn)更接近所設(shè)計(jì)的頻率。

圖13 三頻匹配電路

圖14 三頻天線匹配前后結(jié)果

電小三頻天線在3 個(gè)諧振點(diǎn)處的方向圖如圖15所示，在3 個(gè)諧振點(diǎn)，天線的方向性系數(shù)分別為5.43，5.64，5.39 dBi，半功率波束角分別為42.1°，32.5°，33.9°。天線在水平方向H 面上具有全向性，在E 面，隨著仰角的不斷變大，方向性系數(shù)越來越小，這和未加載的單鞭天線方向圖變化趨勢(shì)大致相同，本文設(shè)計(jì)的電小三頻天線是在單鞭天線頂部加載一定長度的螺線線圈，因此兩者的方向圖基本不會(huì)存在太大差異。

圖15 三頻天線方向圖

3 空氣電導(dǎo)率對(duì)天線性能的影響分析

因天線實(shí)際架設(shè)位置靠近海岸，周圍空氣環(huán)境比較潮濕，天線周圍電導(dǎo)率發(fā)生變化，導(dǎo)致天線諧振點(diǎn)阻抗發(fā)生較大的變化，影響天線的整體性能。文獻(xiàn)［3］中天線在空氣干燥和空氣潮濕兩種情況下諧振點(diǎn)阻抗的實(shí)測結(jié)果如圖16所示，當(dāng)空氣干燥和空氣潮濕時(shí)天線在6.85 MHz 附近的阻抗分別為36.3+j3.93 Ω和84.6-j33.6 Ω。圖17所示為設(shè)置空氣電導(dǎo)率為1.5×10-14S/m 和3×10-5S/m 時(shí)，文獻(xiàn)［3］中天線性能的仿真結(jié)果，從阻抗圓圖中可知不同電導(dǎo)率情況下天線在6.85 MHz 附近阻抗分別為31.94+j3.65 Ω 和84.07-j24.06 Ω，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較接近。圖18所示為頂部加載阿基米德螺線狀平面線圈天線在兩種不同電導(dǎo)率情況下的天線性能的仿真結(jié)果，可以看到不同電導(dǎo)率情況下平面線圈加載的天線在6.88 MHz 附近阻抗分別為23.47+j7.14 Ω 和52.01-j1.10 Ω，說明平面線圈加載的天線減輕了空氣電導(dǎo)率對(duì)天線性能的影響，解決了文獻(xiàn)［3］中天線遇到的實(shí)際問題。

圖16 不同空氣環(huán)境下文獻(xiàn)［3］中天線的實(shí)測結(jié)果

圖17 不同空氣環(huán)境下文獻(xiàn)［3］中天線的仿真結(jié)果

圖18 不同空氣環(huán)境下平面線圈加載天線的仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了一款基于阿基米德螺線狀平面線圈加載的電小多頻天線，解決了文獻(xiàn)［3］中天線受環(huán)境影響的問題。天線分別在3.7 MHz、6.5 MHz、8 MHz 諧振，對(duì)于3.7 MHz 而言，天線電尺寸僅為0.077λ。頂部加載的平面線圈長度可靈活調(diào)節(jié)，從而可選擇實(shí)際所需求的天線諧振點(diǎn)；并且在雙頻天線基礎(chǔ)上拓展出了三頻天線，兩者性能相似，為多頻天線提供了可行性依據(jù)。利用Dixon 優(yōu)化算法設(shè)計(jì)出了雙頻匹配電路，并優(yōu)化了匹配電路，減少了其對(duì)天線的損耗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線兩個(gè)頻點(diǎn)的阻抗匹配，并且兩個(gè)頻點(diǎn)附近駐波比小于2的帶寬都滿足大于60 kHz 的要求。在雙頻匹配電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三頻匹配電路，實(shí)現(xiàn)了三頻匹配，達(dá)到了帶寬大于60 kHz的設(shè)計(jì)要求，滿足工程實(shí)際需求。