長波懸掛天線電氣性能及調諧仿真分析*

韓 嘯，王 嬌，楊曉樂，鄧羽捷，梁俊杰，于 洋

（1.海軍研究院，北京100161；2.中國人民解放軍91208部隊，山東 青島266102；3.江漢大學 物理與信息工程學院，湖北 武漢430056；4.海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢430033；5.海軍工程大學 電氣工程學院學員五大隊，湖北 武漢430033）

0 引 言

長波波段（頻率為30～300 kHz）的電磁波穿透性強、衰減小，因此通常被應用于羅蘭C導航、授時和水下通信等方面[1]。目前，長波天線的主要形式有岸基固定天線、氣球天線和機載拖曳天線。其中，岸基固定天線陣龐大，抗毀性差；氣球天線機動性差且受天氣的影響大；機載拖曳天線（如美國的TACAMO系統）則需要利用固定翼飛機，且對地面場站保障維護要求高。因此，設計一種靈活機動、在不同環境下適用性強的長波天線十分必要，而基于小型平臺的懸掛式長波天線可以很好地避免上述問題[2]。

通常情況下，長波發射天線是一種電小天線，輸入容抗大，必須在天線與發射機之間接入調諧單元，實現天線輸入阻抗與發射機輸出阻抗之間的良好匹配，以此提升天線的輻射效率。

本文針對懸掛式長波天線在海洋環境中不同電長度、不同傾斜度以及下端是否接入海水等情況，對天線的電氣性能進行了仿真研究，為天線調諧器的應用和天線的選擇提供了依據，并可為調諧算法的設計提供參考。

1 兩種天線模型的建立

平臺的機動性和在不同環境下的強適用性決定了搭載的長波天線應該結構簡單，便于快速收放。因此，本文建立了兩類天線模型。兩類模型均由單根天線和饋源構成，可以達到快速收放、長度可調、結構簡單的要求，主要區別在于天線下端是否接地。由于本文提到的長波懸掛天線主要應用于海洋環境下，因此建立模型時部分參數參考如下：海水的相對介電常數取81、導電率取4 S/m、相對磁導率取1，在長波頻段可以視為良導體[3]。

1.1 模型一

模型一主要由電長度為λ/4的天線和饋源組成。發信、調諧及供電設備位于天線下端，可以起到下置重物以穩定天線的作用。發信機一端接天線，構成上輻射體，另一端接吊艙外殼，構成下輻射體。天線結構如圖1所示。

1.2 模型二

模型一在天線末端掛置饋源，距離海平面有一定的距離。在此基礎上對模型進行改進，使饋源底端通過導線接入海水接地。由于天線底端直接接地，天線形式由雙極天線變為單極天線[4]，結構如圖2所示。

圖1 天線模型一

圖2 天線模型二

2 仿真結果

長波懸掛天線高度遠小于波長，所以天線的效率很低。通過天線的特性阻抗可以決定調諧網絡結構和參數設置，準確地對天線進行調諧使其達到最佳匹配性能，從而提升天線效率。因此，分析天線的阻抗特性和效率變化十分必要。本文通過FEKO軟件對上述兩種模型的阻抗特性和天線效率進行了仿真計算，模型如圖3所示。

圖3 仿真軟件中建立的模型

2.1 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：

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。電阻分量反映了天線向自由空間輻射的實功率，而電抗分量則反映了儲存于天線附近的虛功率，因此在調諧時需減少電抗分量，提高輻射效率。通過天線的阻抗特性，可以分析天線的輻射性能，也便于后續的天線調諧網絡設計，實現阻抗匹配。

2.1.1 不同電長度

根據小型搭載平臺的限制，一般天線長度為500～1 000 m，饋源位于天線末端，底端距離海平面1 m。通過改變信號的頻率，不同的頻率即對應不同的電長度。在頻率為30～300 kHz的長波波段，天線對應的電長度為0.06λ～0.6λ，天線的阻抗特性如圖4～圖7所示。

圖4 模型一輸入電阻隨天線電長度變化的情況

圖5 模型一輸入電抗隨天線電長度變化的情況

通過圖4～圖7可以得知：

（1）電阻分量兩種天線變化趨勢一致。在長波波段，隨著電長度的增大，天線的電阻分量逐漸增加，在電長度達到λ/2時接近最大值，之后急劇降低。特別要說明的是，本文中的模型一由于設計成不對稱振子，構成了不對稱激勵天線，其阻抗特性可以等效為兩個分別以上、下臂長為高度的單極天線的疊加，致其電阻分量相對模型二較高[5]。

圖6 模型二輸入電阻隨天線電長度變化的情況

圖7 模型二輸入點抗隨天線電長度變化的情況

（2）電抗分量兩種天線表現出不同的變化趨勢。模型二下端接地，等效于上半自由空間的對稱振子，因此其電抗特性符合對稱振子的電抗特性。隨著電長度從0開始不斷增大，天線的容抗不斷減小，過零點后變為感性，感抗不斷增大，到達最大值后急劇減小，過第二個零點回到容性狀態，達到容抗最大值后，重復上述過程。模型一的上臂與下臂長度相差很大，導致容抗巨大，在數值上達到105～106數量級。隨著電長度的增大，電抗分量不斷趨近于0。

為了驗證上述結果的普適性，修改天線長度，相應改變天線的電長度，通過仿真得到如圖8～ 圖11所示的阻抗特性。

圖8 模型一輸入電阻隨天線電長度變化的情況

圖9 模型一輸入電抗隨天線電長度變化的情況

圖10 模型二在不同電長度下輸入阻抗的變化情況

圖11 模型二在不同電長度下輸入阻抗的變化情況

經驗證，天線長度發生變化時，天線電長度隨之改變，結論依舊有效。

2.1.2 不同傾斜角度

由于天線高度高、線徑細，在實際使用過程中會受到搭載平臺的移動、風等因素的影響，所以分析發信天線在不同傾斜度情況下的電氣性能很有必要。以天線長度600 m、電長度λ/4在傾斜0°～75°的情況下進行仿真分析，alpha定義為天線傾斜時與海平面法線的夾角。傾斜角度改變情況下的阻抗特性如圖12所示。

由圖12可知，兩類天線模型電阻特性變化趨勢一致，而電抗特性不一致。天線在傾斜角度發生變化時，電阻分量減小；由于仿真選擇的天線電長度為λ/4，單極天線處于第一諧振點附近，隨著傾斜角度的增大，第一諧振點前移；雙極天線在不同電長度下一直呈容性，隨著傾斜角度的增大，容抗不斷減小，其阻抗特性也發生了前移。經分析，阻抗特性前移是由于天線的傾斜導致天線的有效高度降低，使天線電長度l/λ減小。

由圖12可以看出，單極天線在傾斜30°時電阻分量降為直立狀態的79.10%，電抗分量為原來的66.49%；而雙極天線電阻分量降為直立狀態的79.23%，電抗分量為原來的99.53%。為了保持天線的輻射效率，應盡量使天線在直立狀態下工作。

2.2 天線效率

天線的輻射效率ηα滿足下列關系式：

圖12 在傾斜0°～75°輸入阻抗變化情況

式中Pai、Pr、Pal分別為天線的輸入功率、輻射功率和損耗功率，Rr、Ral為天線的輻射電阻和損耗電阻。

以電長度為0.06λ～0.6λ的單極懸掛天線為例，對天線的輻射效率進行仿真分析，結果如圖13所示。

圖13 在不同電長度天線效率變化情況

由圖13可知，單極天線隨著天線電長度的增大，天線效率不斷升高，在λ/2左右達到最大值69.98%，之后天線效率隨電長度的增大而降低；雙極天線的效率穩定在40%左右，在電長度達到λ/2后由于天線接近第二諧振點，輸入阻抗變化明顯，天線效率變化劇烈，因此電長度達到λ/2后的數據無參考意義。

經過分析仿真數據，可以初步對天線的匹配網絡參數進行估值。調諧匹配網絡簡化圖如圖15所示，其中Za=Ra+jXa為天線輸入阻抗，X1為電抗元件的電抗，Zin=Rin+jXin為匹配后的阻抗。當天線呈容性時，滿足：

可以看出，長波天線效率低[5]，小型平臺提升輻射效率的難度高，因此對天線的選擇和調諧匹配的性能提出了更高的要求。

2.3 天線模型的選擇

由于海上使用條件的限制和調諧匹配的便利性，應當選擇阻抗特性中電阻分量和電抗分量小的單極天線。在天線電長度方面，在使用單極天線時應盡量滿足電長度在λ/4左右。受到大風大浪等天氣環境因素的影響，天線會發生傾斜，導致天線阻抗特性變化，故應盡量使天線保持直立。天線呈容性且容抗大，因此在調諧時應主要考慮通過電感抵消天線的容抗，且在調諧匹配網絡設計中注意過壓問題。

3 調諧匹配網絡設計

天線調諧器進行調諧時，通常用電壓反射系數Γ和駐波比系數VSWR描述發射機與天線的匹配狀態。因此，定義[6]：

其中Γ為反射系數；VSWR為駐波比系數，反映了天線阻抗與發射機阻抗的配諧程度。配諧越好，反射系數越小，駐波比系數也越小。

天線調諧基本原理：消除天線的電抗部分，將天線調諧在純阻區，利用變阻器T1將其調至純阻50 Ω，達到天線輸入阻抗與發射機輸出阻抗的匹配。因此，根據前文中的仿真數據，針對天線的阻抗特性主要呈容性的特點，調諧網絡采用調電感為主的調諧方式。當天線呈容性時，利用串聯電感L將其調至純阻區，再利用變壓器T1調諧至匹配狀態；若天線呈感性時，采用T型匹配網絡，利用串、并聯電容C1、C2將其調至容性后，再按照天線呈容性時的調諧方法進行匹配調諧。調諧網絡的結構形式如圖14所示。

圖14 調諧匹配網絡

圖15 調諧匹配網絡簡化圖

若要使Z1呈純阻性，則需Xa+X1=0，即X1=-Xa， 然后利用變壓器T1將電阻調至50 Ω附近。根據FEKO仿真天線輸入阻抗的數據可知，在30～300 kHz 的匹配網絡參數，以單極懸掛天線在電長度λ/4的情況為例進行計算。由X1=2πfL可計算得L=22.92 μH， 從而得出天線呈容性時電感參數范圍為22.92 μH ～2.2 mH。

根據設計，繞制1 μH～2mH共計11個電感線圈串聯在匹配網絡中，每個電感并聯一個電磁繼電器，用電磁繼電器控制串聯電感的數量和大小。電磁繼電器的開閉由單片機控制，控制信號由4位二進制數組成，每種排列方式均為唯一碼。

4 結 語

本文針對現有長波發信系統的機動性差、保障成本高的特點，提出了兩種結構簡單，適用于海洋環境的可快速收放的長波天線模型。利用FEKO軟件對其電氣性能進行仿真，并通過深入研究天線傾斜角度、不同電長度對其電氣性能的影響，給出了天線設計和海洋環境下的使用意見：下端接入海水的單極底饋天線較不接入海水的雙極中饋天線效果好；天線的傾斜程度會使輻射性能降低，但不是主要影響因素；不同電長度會影響天線的輻射效率，使用中可以調整天線長度，以保證最好的輻射效率。

最后考慮到小型長波天線容抗大的特點，選擇主要以電感為主的調諧匹配網絡，通過大電感消除其容抗，使其達到匹配狀態；對調諧匹配網絡參數進行設計和調整，使其可以通過單片機自動調諧，比傳統手動調節更準確快速。