长波悬挂天线电气性能及调谐仿真分析*

韩 啸，王 娇，杨晓乐，邓羽捷，梁俊杰，于 洋

（1.海军研究院，北京100161；2.中国人民解放军91208部队，山东 青岛266102；3.江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉430056；4.海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉430033；5.海军工程大学 电气工程学院学员五大队，湖北 武汉430033）

0 引 言

长波波段（频率为30～300 kHz）的电磁波穿透性强、衰减小，因此通常被应用于罗兰C导航、授时和水下通信等方面[1]。目前，长波天线的主要形式有岸基固定天线、气球天线和机载拖曳天线。其中，岸基固定天线阵庞大，抗毁性差；气球天线机动性差且受天气的影响大；机载拖曳天线（如美国的TACAMO系统）则需要利用固定翼飞机，且对地面场站保障维护要求高。因此，设计一种灵活机动、在不同环境下适用性强的长波天线十分必要，而基于小型平台的悬挂式长波天线可以很好地避免上述问题[2]。

通常情况下，长波发射天线是一种电小天线，输入容抗大，必须在天线与发射机之间接入调谐单元，实现天线输入阻抗与发射机输出阻抗之间的良好匹配，以此提升天线的辐射效率。

本文针对悬挂式长波天线在海洋环境中不同电长度、不同倾斜度以及下端是否接入海水等情况，对天线的电气性能进行了仿真研究，为天线调谐器的应用和天线的选择提供了依据，并可为调谐算法的设计提供参考。

1 两种天线模型的建立

平台的机动性和在不同环境下的强适用性决定了搭载的长波天线应该结构简单，便于快速收放。因此，本文建立了两类天线模型。两类模型均由单根天线和馈源构成，可以达到快速收放、长度可调、结构简单的要求，主要区别在于天线下端是否接地。由于本文提到的长波悬挂天线主要应用于海洋环境下，因此建立模型时部分参数参考如下：海水的相对介电常数取81、导电率取4 S/m、相对磁导率取1，在长波频段可以视为良导体[3]。

1.1 模型一

模型一主要由电长度为λ/4的天线和馈源组成。发信、调谐及供电设备位于天线下端，可以起到下置重物以稳定天线的作用。发信机一端接天线，构成上辐射体，另一端接吊舱外壳，构成下辐射体。天线结构如图1所示。

1.2 模型二

模型一在天线末端挂置馈源，距离海平面有一定的距离。在此基础上对模型进行改进，使馈源底端通过导线接入海水接地。由于天线底端直接接地，天线形式由双极天线变为单极天线[4]，结构如图2所示。

图1 天线模型一

图2 天线模型二

2 仿真结果

长波悬挂天线高度远小于波长，所以天线的效率很低。通过天线的特性阻抗可以决定调谐网络结构和参数设置，准确地对天线进行调谐使其达到最佳匹配性能，从而提升天线效率。因此，分析天线的阻抗特性和效率变化十分必要。本文通过FEKO软件对上述两种模型的阻抗特性和天线效率进行了仿真计算，模型如图3所示。

图3 仿真软件中建立的模型

2.1 阻抗特性

天线的输入阻抗Zi定义为天线的输入端电压Ui与电流Ii之比，由输入电阻Ri和输入电抗Xi两部分组成，即：

天线的输入电阻Ri包括辐射电阻Rr和损耗电阻Rl两部分。输入电抗Xi是天线体分布电感和分布电容在输入端的体现。电阻分量反映了天线向自由空间辐射的实功率，而电抗分量则反映了储存于天线附近的虚功率，因此在调谐时需减少电抗分量，提高辐射效率。通过天线的阻抗特性，可以分析天线的辐射性能，也便于后续的天线调谐网络设计，实现阻抗匹配。

2.1.1 不同电长度

根据小型搭载平台的限制，一般天线长度为500～1 000 m，馈源位于天线末端，底端距离海平面1 m。通过改变信号的频率，不同的频率即对应不同的电长度。在频率为30～300 kHz的长波波段，天线对应的电长度为0.06λ～0.6λ，天线的阻抗特性如图4～图7所示。

图4 模型一输入电阻随天线电长度变化的情况

图5 模型一输入电抗随天线电长度变化的情况

通过图4～图7可以得知：

（1）电阻分量两种天线变化趋势一致。在长波波段，随着电长度的增大，天线的电阻分量逐渐增加，在电长度达到λ/2时接近最大值，之后急剧降低。特别要说明的是，本文中的模型一由于设计成不对称振子，构成了不对称激励天线，其阻抗特性可以等效为两个分别以上、下臂长为高度的单极天线的叠加，致其电阻分量相对模型二较高[5]。

图6 模型二输入电阻随天线电长度变化的情况

图7 模型二输入点抗随天线电长度变化的情况

（2）电抗分量两种天线表现出不同的变化趋势。模型二下端接地，等效于上半自由空间的对称振子，因此其电抗特性符合对称振子的电抗特性。随着电长度从0开始不断增大，天线的容抗不断减小，过零点后变为感性，感抗不断增大，到达最大值后急剧减小，过第二个零点回到容性状态，达到容抗最大值后，重复上述过程。模型一的上臂与下臂长度相差很大，导致容抗巨大，在数值上达到105～106数量级。随着电长度的增大，电抗分量不断趋近于0。

为了验证上述结果的普适性，修改天线长度，相应改变天线的电长度，通过仿真得到如图8～ 图11所示的阻抗特性。

图8 模型一输入电阻随天线电长度变化的情况

图9 模型一输入电抗随天线电长度变化的情况

图10 模型二在不同电长度下输入阻抗的变化情况

图11 模型二在不同电长度下输入阻抗的变化情况

经验证，天线长度发生变化时，天线电长度随之改变，结论依旧有效。

2.1.2 不同倾斜角度

由于天线高度高、线径细，在实际使用过程中会受到搭载平台的移动、风等因素的影响，所以分析发信天线在不同倾斜度情况下的电气性能很有必要。以天线长度600 m、电长度λ/4在倾斜0°～75°的情况下进行仿真分析，alpha定义为天线倾斜时与海平面法线的夹角。倾斜角度改变情况下的阻抗特性如图12所示。

由图12可知，两类天线模型电阻特性变化趋势一致，而电抗特性不一致。天线在倾斜角度发生变化时，电阻分量减小；由于仿真选择的天线电长度为λ/4，单极天线处于第一谐振点附近，随着倾斜角度的增大，第一谐振点前移；双极天线在不同电长度下一直呈容性，随着倾斜角度的增大，容抗不断减小，其阻抗特性也发生了前移。经分析，阻抗特性前移是由于天线的倾斜导致天线的有效高度降低，使天线电长度l/λ减小。

由图12可以看出，单极天线在倾斜30°时电阻分量降为直立状态的79.10%，电抗分量为原来的66.49%；而双极天线电阻分量降为直立状态的79.23%，电抗分量为原来的99.53%。为了保持天线的辐射效率，应尽量使天线在直立状态下工作。

2.2 天线效率

天线的辐射效率ηα满足下列关系式：

图12 在倾斜0°～75°输入阻抗变化情况

式中Pai、Pr、Pal分别为天线的输入功率、辐射功率和损耗功率，Rr、Ral为天线的辐射电阻和损耗电阻。

以电长度为0.06λ～0.6λ的单极悬挂天线为例，对天线的辐射效率进行仿真分析，结果如图13所示。

图13 在不同电长度天线效率变化情况

由图13可知，单极天线随着天线电长度的增大，天线效率不断升高，在λ/2左右达到最大值69.98%，之后天线效率随电长度的增大而降低；双极天线的效率稳定在40%左右，在电长度达到λ/2后由于天线接近第二谐振点，输入阻抗变化明显，天线效率变化剧烈，因此电长度达到λ/2后的数据无参考意义。

经过分析仿真数据，可以初步对天线的匹配网络参数进行估值。调谐匹配网络简化图如图15所示，其中Za=Ra+jXa为天线输入阻抗，X1为电抗元件的电抗，Zin=Rin+jXin为匹配后的阻抗。当天线呈容性时，满足：

可以看出，长波天线效率低[5]，小型平台提升辐射效率的难度高，因此对天线的选择和调谐匹配的性能提出了更高的要求。

2.3 天线模型的选择

由于海上使用条件的限制和调谐匹配的便利性，应当选择阻抗特性中电阻分量和电抗分量小的单极天线。在天线电长度方面，在使用单极天线时应尽量满足电长度在λ/4左右。受到大风大浪等天气环境因素的影响，天线会发生倾斜，导致天线阻抗特性变化，故应尽量使天线保持直立。天线呈容性且容抗大，因此在调谐时应主要考虑通过电感抵消天线的容抗，且在调谐匹配网络设计中注意过压问题。

3 调谐匹配网络设计

天线调谐器进行调谐时，通常用电压反射系数Γ和驻波比系数VSWR描述发射机与天线的匹配状态。因此，定义[6]：

其中Γ为反射系数；VSWR为驻波比系数，反映了天线阻抗与发射机阻抗的配谐程度。配谐越好，反射系数越小，驻波比系数也越小。

天线调谐基本原理：消除天线的电抗部分，将天线调谐在纯阻区，利用变阻器T1将其调至纯阻50 Ω，达到天线输入阻抗与发射机输出阻抗的匹配。因此，根据前文中的仿真数据，针对天线的阻抗特性主要呈容性的特点，调谐网络采用调电感为主的调谐方式。当天线呈容性时，利用串联电感L将其调至纯阻区，再利用变压器T1调谐至匹配状态；若天线呈感性时，采用T型匹配网络，利用串、并联电容C1、C2将其调至容性后，再按照天线呈容性时的调谐方法进行匹配调谐。调谐网络的结构形式如图14所示。

图14 调谐匹配网络

图15 调谐匹配网络简化图

若要使Z1呈纯阻性，则需Xa+X1=0，即X1=-Xa， 然后利用变压器T1将电阻调至50 Ω附近。根据FEKO仿真天线输入阻抗的数据可知，在30～300 kHz 的匹配网络参数，以单极悬挂天线在电长度λ/4的情况为例进行计算。由X1=2πfL可计算得L=22.92 μH， 从而得出天线呈容性时电感参数范围为22.92 μH ～2.2 mH。

根据设计，绕制1 μH～2mH共计11个电感线圈串联在匹配网络中，每个电感并联一个电磁继电器，用电磁继电器控制串联电感的数量和大小。电磁继电器的开闭由单片机控制，控制信号由4位二进制数组成，每种排列方式均为唯一码。

4 结 语

本文针对现有长波发信系统的机动性差、保障成本高的特点，提出了两种结构简单，适用于海洋环境的可快速收放的长波天线模型。利用FEKO软件对其电气性能进行仿真，并通过深入研究天线倾斜角度、不同电长度对其电气性能的影响，给出了天线设计和海洋环境下的使用意见：下端接入海水的单极底馈天线较不接入海水的双极中馈天线效果好；天线的倾斜程度会使辐射性能降低，但不是主要影响因素；不同电长度会影响天线的辐射效率，使用中可以调整天线长度，以保证最好的辐射效率。

最后考虑到小型长波天线容抗大的特点，选择主要以电感为主的调谐匹配网络，通过大电感消除其容抗，使其达到匹配状态；对调谐匹配网络参数进行设计和调整，使其可以通过单片机自动调谐，比传统手动调节更准确快速。