對海水天線的初步研究＊

楊 卓

（中國電子科技集團公司第三十六研究所 嘉興 314033）

1 引言

金屬具有良好的導電率，因此通常都是采用金屬來制作天線，以獲得優秀的輻射特性。近年來，專家發現在某些模式下，介質諧振器可以作為天線［1～4］，而且比普通天線（例如微帶天線）具有更高的效率和更大的功率容量［5～8］，目前已在個人通信和移動通訊系統中獲得了較多的應用。

海水是一種常見的材質（特別是位于海洋環境下），導電特性介于金屬和介質之間，且具有液體流動性等特點。但經查閱資料發現，國內外目前很少有關于液體天線（特別是海水天線）的文獻。本文，我們嘗試對海水天線（seawater antenna，SA）進行分析仿真。正如其名字所言，海水天線是一種以海水為電磁輻射體的新式天線。與傳統天線相比它具有液體流動性，重構性較強，雷達反射截面極低，電磁兼容方面也有相當優勢。可以預見在軍事通信（特別是艦船通信）方面具有一定的應用價值。

2 理論分析

近年來，已經有專家學者探討了液體天線的可行性。文獻［9］嘗試利用純凈水制作介質諧振天線，在一定的條件下獲得了較好的性能。但是純凈水的電特性隨溫度和頻率變化較大，限制了純凈水天線的應用。

我們知道，水分子是一種強極性分子，本身具有偶電矩，導致其活動特性隨頻率而變：頻率低時，水分子可以很容易隨緩慢變化的電場取向；高頻時，水分子很難跟上迅速變化的電場取向。反映在宏觀世界，即水的介電常數隨頻率而變，是一種色散介質。但文獻［10］指出，在水中存在鹽離子，會緩沖水的介電常數的頻率響應。文獻［11］給出了NaCl溶液的介電常數頻譜（圖1），文中作者提到：鹽溶液的極化馳豫時間（dielectric relaxation time）小于純水，從而介電常數的頻譜也相對較平滑；而且隨鹽濃度增大，介電響應將越來越平穩。這樣一來，鹽離子起了調節劑的作用，使得鹽水的色散特性在廣頻段內優于純凈水。

圖1 鹽水的介電響應

海水是一種最典型的含有導電離子的液體，性質和高濃度鹽水相類似，因此色散特性相對較優，有利于仿真實驗的展開。由于海水的導電特性介于金屬和介質之間，當海水作為天線使用時，麥克斯韋方程式將同時涉及到源電流密度（Ji）、傳導電流密度（Ji）和位移電流密度（jwD），如下所示：

僅根據麥克斯韋方程和邊界條件很難得到準確的解析表達式，而且海水天線又不能借鑒介質諧振天線分析方法（例如完全磁壁法）進行計算。因此對于含有自由離子的海水天線，我們主要借助數值計算工具對其進行仿真分析。

圖2 海水天線建模圖

近年來，隨著計算機技術的發展，各種數值計算方法得到了越來越快的發展，目前應用較多的仿真軟件是微波工作室的CST和Ansoft的HFSS。HFSS軟件以有限元方法為核心，精度較高，并集成了多種輔助算法。本文以常規圓柱形海水天線為例（圖2，外圍采用PVC作為容器，底部采用探針饋電），使用HFSS對其進行分析。值得注意的是，HFSS中設置的海水各項參數（包括介電常數、損耗正切、導電率等等）都是室溫下測得的平均值，這與實際情況不符。但在較低的頻段內（＜500MHz），室溫恒定的情況下，可以認為仿真結果是能近似接受的。

3 仿真數據

以上節所述模型為例，對主要幾項結構參數進行參數掃描。考慮到海水中含有各種雜質，損耗較大，可以預見到海水天線的效率將比通常的金屬天線低，阻抗特性也有所區別。因此，如何保證海水天線的效率問題，以及阻抗匹配，都將是我們仿真設計時考慮的主要問題，而天線的增益問題將留待下一步考慮。此外，為使分析結果具有普適性，對工作在VHF波段240MHz和HF波段25MHz的兩種海水天線進行分析（不同的模型分別用SA1和SA2區別，外容器采用PVC，厚度為2mm，其他各項初始參數如表1所示）。

表1 初始結構參數

3.1 輻射效率

圖3 海水天線輻射效率隨h變化的曲線

從圖3可以看到，探針長度過短時，對天線效率有一定的不利影響。探針在15mm～25mm時天線效率最好。隨著探針長度增加，天線效率在整個頻段上反而有所下降。這說明：對于海水天線，設計過長的探針是無必要的。

從圖4可以看到，a，d圍出了一塊三角形區域，該區域內天線效率最高，可以達到60%以上。水柱高度d在λ／4附近時，海水天線容易獲得高效率，可是水柱半徑a的取值范圍不容易確定，目前來看沒有明顯的規律可循，須借助軟件掃描得到。

圖4 海水天線輻射效率隨a、d變化的色溫圖

3.2 天線阻抗

圖5 海水天線輸入阻抗隨h變化的曲線

從圖5可以看到，探針長度對天線輸入阻抗影響較小，不是決定阻抗的主要因素。

圖6 海水天線輸入阻抗隨a變化的曲線

圖7 海水天線輸入阻抗隨d變化的曲線

從圖6可以看到，水柱半徑對天線輸入阻抗影響較大。從趨勢來看，半徑越大，電阻及電抗在整個頻段上就越接近零，而且隨半徑增加曲線的變化趨勢也將逐漸減緩。

從圖7可以看到，隨水柱高度增加，天線輸入阻抗曲線有著類似的變化趨勢，均比較平穩，無劇烈波動。

3.3 實驗結論

綜合上述仿真結果，總結出了幾點設計海水天線的原則：

1）探針高度對海水天線各項性能的影響較小，選擇適當高度（15mm～25mm）即可；

2）基于高輻射效率，海水高度可以按照λ／4的原則來確定；

3）水柱半徑對天線阻抗、效率影響較大，由于目前還缺乏明顯規律可循，可以借助工具軟件掃描參數后得到最優值。

4）海水天線的阻抗在寬頻段內變化平緩，電抗基本上都呈容性。這非常利于我們設計合適的阻抗匹配電路，從而在較寬頻段內獲得接近1的駐波比，獲得寬帶天線。

4 結語

本文采用HFSS對海水天線進行分析，得到了主要結構參數對天線效率及阻抗的影響關系。但仿真軟件畢竟存在著一定局限性，下一步可以通過實驗來驗證仿真數據。初步來看，海水作為天線材質是可行的。充分考慮海水的各項電參數、饋電方式、容器結構形式，配合仿真算法參數掃描，有可能設計出具有優越性能的海水天線，這也是下一步我們研究的目標。

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