AIS波段等离子体引向天线辐射特性分析

袁秋梦+梁泽鹏+赵满堂+谌浩+唐新翻+赵建森

【摘 要】根据等离子体介电常数与电子密度的关系，利用HFSS，构建AIS通信频段等离子体引向天线模型。通过改变该模型等离子体参数、无源引向振子个数，对其进行方向图仿真。结果得到，当关闭无源振子时，天线可作为全向天线；当增加无源振子个数时，该天线定向性增大，方向图主瓣变窄。同时，利用气体放电管搭建等离子体八木天线，通过改变无源振子个数，天线增益明显变化，显示出良好的可重构特性。

【关键词】AIS；等离子体；可重构；增益

0 引言

自动识别系统（AIS）在海事通信领域起到不可取代的作用[1]，然而AIS基站的发射天线研究并未得到应有的重视。目前在我国定线制水域中，AIS基站发射天线主要采用全向金属天线，虽然可以在较大范围内实现信息群发，但也存在许多问题：

1）我国成山角定线制水域内，部分水域离岸距离在20海里以上，甚至有些水域离岸距离超过25海里。而全向性天线增益较低，这大大降低了AIS信息播发距离；

2）AIS基站通信系统中，全向性发射天线功率在20W以上，对周围岸上设施及用户产生较强的电磁干扰；

3）由于水域交通流密度增大，通信信道常被占用，存在时隙冲突，大大增加了VTS值班员的负担。

因此，新的定线制水域提案中交代，AIS岸站采用VHF高增益定向天线以增强AIS基站和VHF岸站通信效果。

我们提出了将电控等离子体引向天线应用到海事通信领域，将其作为定线制水域AIS基站的发射天线这一想法。等离子体天线是用等离子体代替金属天线元作为电磁能量传导介质的一种天线[2-3]。等离子体天线与金属天线相比，具有重量轻、可隐身、可重构等特点[4]。利用等离子体构建引向天线时，当无源振子全部关闭，天线系统只剩下有源振子，该天线为全向天线；当改变等离子体参量和增加引向振子个数时，天线方向性动态可调，可实现不同区域通信。相比于金属引向天线，等离子体引向天线具有可重构性和低互耦性等优点。

1 AIS频段等离子体天线模型

AIS基站等离子体引向天线模型包括：有源等离子体振子、无源等离子体振子。根据等离子体天线理论，假设等离子体轴向、径向分布均匀，其相对介电常数？着r为：

当信号频率小于等离子体频率时，相对介电常数？着r<0。电磁波不能在等离子体中传播，而是在等离子体外表面与介质管内表面之间以表面波的形式传播，而沿径向传播的电磁波迅速衰减。这时，等离子体可以作为天线进行电磁波的传播。文献[5]证明等离子体频率远大于信息频率。

利用HFSS构建等离子体引向天线模型，根据公式（1）和（2），结合等离子体电子密度、碰撞频率选取适当介电常数，天线中心频率分别选择AIS的两个通信频率161.975MHz和162.025MHz。通过改变等离子体参量和引向振子个数对天线方向图进行仿真。等离子体引向天线模型如图1所示。所设计的天线由一根有源振子、一根无源反射振子、三根无源引向振子构成，因为无源振子超过五根，每多加一根，天线的增益变化不是很大。这里为了突出天线明显的可重构特性，只选用了三根无源引向振子。

为更加准确的进行仿真，天线外部是钢化玻璃腔体，有源振子采用电容耦合馈电模式，如图2所示。将金属套环紧紧裹附在钢化玻璃腔体外侧，与内部等离子体构成耦合电容。通过改变无源振子工作状态进行仿真。同时，利用放电管搭建了等离子体天线实物模型。等离子体振子电子密度可通过调节电源工作状态进行调节。图3表示的是利用电源调节天线电长度和等离子体参数。构建等离子体引向天线主要是借助该天线的动态可调控性。所以在此，主要侧重于通过仿真结合实验来研究等离子体参数对八木天线阻抗、增益及方向性影响。

1.等离子体；2.放电管；3.金属套环；4.介质层；5.接地面；6.同轴线

图 3 等离子体天线单一振子电控实体图

2 仿真结果

2.1 不同等离子体参数下天线的辐射特性

在仿真中，选取等离子体电子密度范围从1016m-3到1018m-3量级。因为电子密度太小，对甚高频段电磁波起作用不大，而现有的等离子体激励源技术难以产生高密度的等离子体，目前文献中所给出的辉光放电产生的最高电子密度约为1018m-3量级。当电子密度减小时，由表1给出结果可知，天线半功率波束宽度（HPBW）变宽，增益与方向性系数减小。可通过调整电子密度动态调节天线方向图，而电子密度仅仅通过调节放电功率即可实现，这样天线覆盖区域的调节比金属天线更加灵活。当电子密度在1018m-3量级时，天线具有较高的增益，接近7.5dBi。我们利用HFSS软件仿真了与等离子体八木天线相同规格及尺寸的金属八木天线，增益在8.3dBi左右。可见，高密度等离子体天线增益可以与金属天线增益媲美。

表1 不同电子密度下天线垂直面半功率角及增益

2.2 引向振子个数对方向图影响

当关闭所有振子激励源时，天线变成放电管，雷达散射截面很小，可以实现隐身，具有很高的军事应用价值。当无源振子全部关闭，只有有源振子工作时，天线为单极子天线，此时水平面方向性为全向性，可实现信息全向广播。当开启反射振子并改变引向振子个数时，定向性瞬间变化，通信区域也快速改变。当无源振子全部关闭时，天线为半波对称振子天线，水平方向为全向性。当开启全部无源振子（一个反射振子，三个引向振子）时，天线的指向性迅速变化，这说明等离子体八木天线仅仅通过改变振子的工作状态便可以实现全向和定向的快速变换。在AIS基站发射系统中，为了增大通信距离，有必要开启多个无源振子。

表2给出的是在开启一个反射振子的条件下，不同引向振子个数对等离子体八木天线垂直面方向图主瓣HPBW的影响。当关闭全部引向振子时，天线半功率角非常大，在110°左右，不断增加反射振子个数时，天线的定向性增加，通信范围变窄，半功率波束宽度减小，当引向振子个数增加到3个时，HPBW减小到50°左右。因此，等离子体电子密度一定的条件下，通过改变无源振子个数，可以快速调整天线方向性，增加引向振子个数，天线方向图中前向和后向的电场振幅比增大，定向性增大，半功率角变窄。但由于重量等原因不能一直增加振子个数，需折中考虑。这里仅给出了有源振子为半波对称振子，并含有三个引向振子的引向天线在AIS通信频段下，通过改变振子个数，等离子体电子密度，天线方向性、通信覆盖区域及增益的仿真结果。当然，等离子体引向天线的性能也受振子长度、振子间距等参数的影响，这些影响的研究目前正在进行当中。

表 2 引向振子个数对天线垂直面方向图半功率角影响

3 等离子体引向天线增益实验分析

利用等离子体放电管根据文献[2]制作等离子体八木天线，放电管长度约为半波长，反射振子长度略长，约0.6个波长。通过调节放电管开关电源，改变等离子体振子个数。

4 结论

通过对等离子体引向天线模型仿真和实验研究，得出：

1）通过改变等离子体电子密度，反射振子、引向振子个数及工作状态，可以动态调整天线的方向性、增益、输入阻抗等天线参数，实现等离子体天线快速动态可调。等离子体八木天线可以作为智能天线。

2）等离子体引向天线在AIS通信频段率上可以在不施加任何匹配网络的情况下，仅调整等离子体状态便可实现阻抗匹配。

3）等离子体引向天线在功耗、电磁兼容、增益、可重构性等方面均能得到改善，并满足AIS岸站发射天线通信需求，可以作为定线制水域AIS岸站的发射天线使用。

【参考文献】

[1]刘轶华，肖英杰，关克平.基于AIS海上交通调查的宁波-舟山核心港区船舶定线制[J].上海海事大学学报，2014，35（1）：1-5.

[2]赵会超，刘少斌，孔祥鲲，等.等离子体八木天线的仿真与实验研究[J].微波学报，2014，30（1）：20-23.

[3]Borg G G， Harris J H， Martin N M. Plasma as antennas： Theory， experiment and applications[J].Physics of plasmas，2000，7（5）：2198-2202.

[4]梁志伟，赵国伟，徐杰，等.柱形等离子体天线辐射特性矩量法分析[J].电波科学学报，2008，23（4）：749-753.

[5]宋铮，张建华，黄冶.天线与电波传播（第二版）[M].西安电子科技大学出版社，2011.

[责任编辑：王楠]