船用可调式倒L VHF天线设计

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(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

船用VHF天线从棒状天线、鞭状天线到套筒天线的发展历程印证了对高性能的VHF天线的迫切需求，然而，虽然船用天线的电参数如全向性、增益等得到了极大提高，但同时其复杂性及价格也有不同程度的提高，目前船舶普遍使用的依然是结构简单、便于维护但性能不太突出的单极棒状天线[1]。由于单极棒状天线的窄带宽特性限制了天线的多频段运用，新式简易的船舶宽带天线有应用需求[2]。基于平面倒F天线(PIFA)在手机射频波段已有应用，倒F天线可以看作是倒L天线(ILA)并联一个等效为电感的接地分支，考虑将倒L结构迁移至船舶VHF频段作为天线基本形式，通过HFSS电磁软件仿真分析倒L天线的结构参数、倒L天线特性参数与天线电特性的关系。

1 倒L单极天线机理

在VHF的中心频段其阻抗匹配特性极差，带宽极窄，对于工作频率越来越低的情况，要想完全满足λ/4垂直高度和全尺寸辐射导线尺寸条件愈加困难[3]。同时，若天线高辐射效率得以保持，天线的变短会带来更高的品质因数Q值，带宽会进一步降低[4]。由于更高辐射阻抗值会带来更高效率，电容顶端负载的方法可以用来对减少的天线尺寸进行补偿，使垂直单极子天线调谐至谐振状态，在天线顶端的垂直部分加一定长度的导线就形成了倒L天线。

2 结构设计

基于在移动端的ILA的研究及其特性[5-6]，设计船用倒L单极VHF天线，结构示意于图1。

图1 倒L天线结构示意

使用ANSYS HFSS软件对ILA进行参数化建模，垂直辐射体的半径为r1，长度为L1，顶端水平容性负载半径为r2，长度为L2，r1等于r2，激励馈电点端口设置端口阻抗为50 Ω的集总端口，端口输入功率为1 W，积分路径从接地上表面到垂直辐射体下表面，以Zpi端口为计算形式，使用终端驱动的求解模式，在距离天线的外表面λ/2处Boundaries设置为辐射吸收边界(radiation)。采用HFSS搭建的仿真模型见图2。

图2 倒L天线HFSS仿真模型

3 影响因素分析

3.1 天线体结构参数影响

保持天线其他结构参数不变，改变天线垂直辐射体长度L1，L1的选择从500～1 000 mm，以100 mm为间距进行线性参数扫描扫频分析。L1对天线自反射S(1,1)参数的影响见图3。S(1,1)是对天线的辐射性能最好的标准参数，S(1,1)越小表明天线射频能量反射越小，辐射能量越大，故选择S(1,1)参数作为文章的天线主性能评价指标。

图3 L1参数扫描S(1,1)-f曲线

由图3可见，在S(1,1)<-10 dB时，随着L1的逐渐增大，天线谐振频点逐渐左移，谐振频率逐渐变小，天线带宽逐渐变窄，其端口阻抗逐渐变小直到谐振频率点迅速增大，反射波系数在谐振点达到极小值，实现与50 Ω传输线达到匹配。

对等效为顶端水平容性负载的长度L2进行参数扫频分析，L2从700～1 100 mm，S(1,1)变化见图4。

图4 L2参数扫描S(1,1)-f曲线

由图4可见，容性顶端负载体L2的长度变化可以实现对谐振频点的转移，对天线带宽的影响程度不大，较小程度的改变天线的输入阻抗，可以在改变谐振频率的基础上，实现天线的较好的端口匹配特性。同时L2的扫频变化可以产生较好的双频效果，值得重视。

同理，对垂直辐射体半径r1进行参数扫描扫频分析，扫频范围从14～30 mm，步长为2 mm，得到其S(1,1)自反射变化见图5。

图5 r1参数扫描S(1,1)-f曲线

由图5可见，垂直辐射体的半径r1对天线端口的自反射系数影响较小，天线的谐振频率、带宽、端口阻抗变化极小，可以视为不影响天线的特性参数。为了适用于船舶领域，在一般船舶上选取半径为30 mm的钢缆作为仿真半径。

3.2 天线的地面效应影响

1)对接地材料影响因素进行分析，射频电流在不同材料中流过时，接地板相当于等效电容C和分流电阻R的并联，希望得到极大的R和适中的C，射频电流在R上产生损耗，以此分析不同接地材料对天线近场效应的影响。

地面效应等效电路图见图6，R和C与接地材料的属性相关，R和C的存在是为了尽量减少接地射频电流存在。

图6 地面等效电路

仿真选用的接地材料特性见表1。

表1 接地材料特性

由下式计算趋肤深度[7]。

(1)

式中：δ为趋肤深度，m；ω=2πf，f为频率，Hz；δ为电导率，S/m；ε为介电常数，F/m；μ为磁导率，H/m。

在距离地表面20 mm处设置一个平面，其表面电流分布见图7。

图7 地面20 mm处平面电流幅值分布

可以看出两者电流分布(相位0°)均为激励点处电流极大，但是由于铜的更深趋肤深度，铜表面的电流更大，作为镜像的表面与天线辐射体之间互相耦合，天线的辐射电阻进一步增大，天线的输入阻抗增大，辐射品质因数Q值更低，但是辐射效率更大。

如图8可见，接地材料的变化在谐振点处的确造成了端口的反射系数增大约6 dB，阻抗匹配性能降低，天线传输效率降低。

图8 铜、铁地面S(1,1)-f曲线

2)对不同的馈点高度影响因素分析。天线向下的辐射被地面反射，反射信号方向竖直向上，穿过天线感应电流。发射机的激励电流与反射感应电流的相位与馈电点与地面的高度(电特性)有关，天线的输入阻抗受到天线距地高度的影响。改变馈电点的高度gap，研究分析馈电点高度对天线的电性能影响，S(1,1)参数随着馈电高度gap(1～901 mm,步长100 mm)的变化见图9。

图9 不同馈电点高度S(1,1)-f曲线

由图9可见，天线的架设距地高度极大影响匹配特性，天线的地面回波在天线表面感应电流，不同的馈电高度对应与不同的相位电流，叠加或者削减，从而产生图9中某个频点谐振其他位置回波损耗增大，天线电性能受馈电点位置影响，在天线结构受限情况下，馈电位置选择颇为重要，观察不同相位电流分布图以最大电流处作为馈电点。

4 天线的参数标定

依据上述分析，设计机械调节机制，主要根据L1和L2的长度，见图10。

图10 机械可调式倒L天线设计

2条钢制有刻度标记滑轨以实现对钢缆的长度的控制，使用同轴电缆馈电，增加可调节微电容器对天线实现微量的底端加载，收线盒实现对多余长度钢缆的存储，滑轨的移动实现辐射体的长度调节。

对上述调节系统进行以下频段(见表2)的标定，让天线调节系统进行稍微运动(L1、L2变化)，使其工作更多的频段，等效于宽带处理。

由于大多数船用VHF频段工作于160 MHz左右，使用ANSYS HFSS的Optimetrics功能，得到天线工作在160 MHz频段天线的具体参数如下：L1=901 mm，L2=559 mm，gap=gap1=30 mm，r1=r2=20 mm。

表2 频段标定表

图11 S(1,1)-f曲线

由图11可见，该优化尺寸天线在船用VHF频段(156～165 MHz)的中心频段160 MHz频点处产生谐振，在满足S(1,1)<-10 dB的反射条件下，该天线的工作带宽在152 MHz到168 MHz之间，满足船用通信频段，验证了结构可行性。

5 结论

倒L结构在船用VHF频段的运用从仿真层面看具有可行性；作为天线主辐射体的长度可以有效的对天线谐振点进行调节，对带宽影响较大且其长度在可允许的范围之内；作为容性的顶端负载，其长度的变化可以实现对谐振曲线的有效平移，几乎不影响天线的有效带宽；辐射半径对天线的电性能几乎无影响；对地面材料和馈电点高度进行研究，得到不同材料趋肤深度不同影响其作为“镜面”表面电流，镜像极天线电流强度得以重分布，但谐振频点不变化；馈电点高度的不同决定辐射体内二次电流的相位，决定天线的电参数；对可调节式天线频段进行了标定，绘制了参数标定表；对船用VHF通信频段天线进行了参数优化，结果令人满意。