基于海上浮標的短波鞭天線電氣性能仿真分析

梁俊杰，翟 琦，王永斌

(海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢 430033)

1 引言

對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載、加粗振子直徑、使用寬帶天線(如對數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載不適用于海上浮標短波天線的使用環境；鞭天線具有水平方向圖全向、結構簡單、體積小的特點，制作成本也低廉，適用于海上浮標短波天線設計。

由于海上風力和海浪的影響，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。天線的電長度在低頻段不足0.1λ，屬于電小天線，此時輸入阻抗具有實部小、容抗大、阻抗變化劇烈的特點[1]。為解決天線低頻段匹配難度較大的問題和擴展天線匹配后的工作帶寬，通過優化天線參數，從而提高天線低頻段電阻和平緩整個頻段內天線的阻抗變化劇烈程度，使得天線頻段內反射系數較好。

為使天線在5～30MHz頻段內具有較高效率，需要對天線進行調諧匹配。艦用短波天線調諧匹配器常采用矢量檢測調諧方案對天線進行快速匹配，但這種方法需要檢測單元、匹配電路和控制單元等，結構復雜，而且由于海上環境因素，調諧精度受到影響。為避免矢量檢測調諧方案的不足，采取預匹配方案，通過預置頻率切換匹配網絡，對天線進行無耗寬帶匹配，實現5～30MHz頻段內反射系數較好，天線效率高。

2 海上浮標短波天線模型

對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，通過對直立鞭天線進行分布加載，即將導線在非金屬管上繞制成線圈來實現。對直立鞭天線和螺旋天線進行建模：高度為6m，導線半徑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。海水的相對介電常數取81、導電率取4 S/m、相對磁導率取1，在短波頻段可以視為良導體[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 電參數計算及仿真分析

天線電參數是衡量天線性能的尺度，通過對比分析天線的反射系數、阻抗特性等參數，可以更好地設計和選擇合適的天線，達到預想的目的[3]。

3.1 反射系數

天線調諧器進行調諧和工作時，通常用電壓反射系數Γ描述發射機與天線的匹配狀態[4]。因此定義

(1)

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

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。輻射電阻反映了天線向自由空間輻射的實功率，而電抗分量則反映儲存于天線附近的虛功率，因此在調諧時需減少電抗分量，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]。

對于海上浮標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。對于海上浮標的使用環境，加頂負載不易實現，介質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，線圈匝數增加，天線分布電容增加，天線有效高度從而增加。對比等高度等導線半徑的直立鞭天線和螺旋天線的反射系數如圖3所示。

圖3 對比螺旋鞭天線與直立鞭天線的反射系數

由圖3可以看出在低頻段螺旋鞭天線與直立鞭天線相比，反射系數有所改善，在諧振點附近反射系數值降低了3.76dB，天線匹配程度更好，但由于天線有效高度增加，諧振點向低頻段方向移動，天線高頻段匹配阻抗特性變化更為劇烈，天線效率降低。但對于高度有所限制的海上浮標天線來說，提高天線的電長度更為重要。因為電長度越大，天線輻射電阻也會增加，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，但對天線進行匹配后，這個問題可以很好地解決。所以海上浮標短波天線采用螺旋鞭天線形式[6]。

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

圖4 不同螺旋匝數對天線輸入電阻的影響

圖5 不同螺旋匝數對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增多，天線諧振點向低頻段移動，諧振點數量也變多，但在5～30MHz頻率范圍內匹配難度增大，如30匝并聯諧振點附近電阻最大值達到8kΩ，電抗最大值達到6kΩ，極難匹配，對該頻點匹配后工作頻帶帶寬會很窄。而且發信天線在功率一定的條件下，需要盡可能提高天線效率，所以在對天線進行調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應選擇5匝。

天線匝數確定后，為進一步擴展天線匹配后的工作帶寬，還可以增大天線的導線半徑，天線的導線半徑增大，并聯諧振點附近電阻降低，電抗絕對值降低，阻抗特性平緩，天線反射系數降低[7]。對比不同導線半徑對天線的反射系數的影響如圖6所示。

圖6 不同導線半徑對天線反射系數的影響

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

盡管增大了導線半徑優化了阻抗特性，反射系數降低，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，在優化天線導線半徑和進行分布加載匝數的優化的基礎上，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，分析不同繞法對天線輸入電阻的影響，針對前面所分析得出的螺旋匝數5匝，導線半徑5mm的螺旋天線進行改進。本文針對天線進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)相結合方式進行分析，由于天線匝數只有5匝，過于復雜的繞制方式很難實現，所以在保證總匝數不變的情況下，僅針對天線上半部分、下半部分進行不同繞制分析，且為均勻繞制。

規定正向繞制為順時針方向，反向繞制為逆時針方向，首先對0～3m正向繞制3～6m反向繞制和0～3m反向繞制3～6m正向繞制進行仿真分析，可以發現結果一致，所以排除類似不同繞法對天線電氣性能的影響。本文針對高度為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，但在并聯諧振點附近的輸入電阻最大值點與方式①相比，電阻增大了700Ω，這會導致并聯諧振點附近匹配非常困難，所以不采用此繞法。其它的繞法在并聯諧振點附近電阻相差不大，所以著重比較其它幾種繞法在5MHz附近電阻。比較發現，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同軸線進行匹配，所以采用方式③的繞制方法。

經過比較分析鞭天線與螺旋鞭天線在等高等導線半徑的反射系數，并進一步比較分析螺旋鞭天線的不同導線半徑、不同繞線匝數、不同繞法對天線電氣性能的影響，仿真得出適用于海上浮標短波天線且易于無耗匹配的天線參數為：天線高度6m，天線導線半徑5mm，天線螺旋半徑10cm，繞制方式為0～3m為直立導線、3～6m正向繞制5匝導線。

4 結論

本文針對現有海上浮標短波天線由于環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絡的特點，設計了鞭天線及螺旋鞭天線模型并利用FEKO軟件對其電氣性能進行仿真，通過深入研究比較鞭天線與螺旋鞭天線反射系數和螺旋鞭天線不同導線半徑、不同繞線匝數、不同繞法對天線電氣性能的影響，給出了海上浮標短波發信天線選擇的指導性意見：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導線半徑；在選擇天線的繞線匝數和不同繞法的時候應當綜合考慮，由于天線整體重量不易過重，所以繞線匝數不易過多，而且由于海上存在風浪的影響，天線繞制方式不易過于復雜。為盡可能提高天線有效高度和擴展天線的工作帶寬，阻抗應較為平緩，低頻段電阻應較大，所以選擇繞線匝數5匝，繞制方式為0～3m為直立導線、3～6m正向繞制5匝導線。本文結合實際需求，并綜合考慮與之匹配的匹配電路需要無耗寬帶，為基于海上浮標的短波鞭狀天線系統提供了一個易匹配、阻抗特性好的天線設計方案。