一种应用于船舶VHF通信的新型双套筒天线

李昭然，金华标

（武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，武汉 430063）

船用VHF天线种类包含单极子天线、八木天线、贴片阵列天线等。单极子天线包括鞭状天线、套筒天线等。单极子天线具有尺寸较小、结构紧凑的特点，在目前的通信设备中被广泛应用于长、中、短波及超短波波段[1-4]。由于单极子天线中鞭状天线制作简单、成本较低，在船舶VHF通信中得到了广泛应用。

将鞭状天线应用于船舶通信当中，利用其全向性好的特点，可以使通信效果增强，工作更加稳定。但是鞭状天线带宽较低，增益较低，限制了船舶通信的速度以及质量，因此衍生出很多种天线，例如套筒天线、顶端弯折天线、异状天线等。其中套筒天线已在其他频段进行应用，但在VHF频段船舶通信领域的应用较少[5-10]。

本文通过对船用套筒天线进行设计，将传统的套筒单极子天线外部架设一层套筒，并在内层套筒中内部以中心对称形式嵌入四块短路板，通过ANSYS HFSS电磁软件仿真分析新型双层套筒天线的结构参数对电特性的影响。

1 新型双套筒天线原理

对于套筒天线来说，以同轴线为基准外部架设金属套筒，可以等效为将单极子天线振子半径加粗，提高有限带宽以及天线的辐射性能。由于套筒天线的等效半径比普通单极子天线大，单筒天线的阻抗受频率的变化比普通单极子天线的阻抗受频率影响更为平缓。并且套筒天线的振子与其镜像天线构成短路线，而普通单极子与其镜像构成了一段开路线，二者的输入电抗性质不同，具有很好的互补性。综上所述，套筒天线的工作带宽优于普通单极子天线。

为了提高通信带宽，降低天线的Q值，实现较低的谐振频率，在传统套筒天线外侧架设第二层套筒形成双套筒天线，并且内层套筒中嵌入四片短路板，抵消了同轴线馈电引入的电感，同时引入圆盘形状的顶端加载，改善天线顶端电流。天线等效电路如图1所示。

图1 天线等效电路

2 新型双套筒天线结构设计

使用ANSYS HFSS对新型双套筒天线进行参数化设计，天线振子半径为Radius，高度为Length，顶端加载圆盘半径为Radius5，双层套筒高度为Height，内层套筒半径为Radius1，厚度为Radius2-Radius1，外层套筒半径为Radius7，厚度为Radius8-Radius7，短路板宽度为Width，内套筒高度Height，短路版高度为Height1，馈电点高度为gap。使用集总方式对天线进行馈电，端口输入功率为1 W，端口阻抗为50 Ω。模型下端设计同轴线馈电探针，高度为10 mm。天线截面示意图如图2所示。

图2 天线截面示意图

3 天线仿真与参数分析

船用VHF天线通信频段为156～162 MHz，此新型双套筒天线模型仿真频率范围为整个VHF频段30～300 MHz，频率步长为5 MHz，迭代最大参数为0.02，由于集总端口激励代表的是模型内部激励，而本文的天线模型激励的位置在天线的内部，所以选择了集总端口激励对天线进行仿真，在距离天线振子外表面λ/2处Boundaries设置辐射吸收边界，仿真模型如图3所示。

图3 天线模型示意图

影响天线性能的参数有天线的振子半径、顶端加载的结构、套筒高度等。本文将对天线顶端加载半径、天线馈电高度、内外套筒高度、短路板高度等对新型双套筒天线性能的结构参数进行仿真分析。

3.1 顶端加载分析

顶端加载作为降低天线的谐振频率、扩展带宽的常用技术得到了广泛的应用。此新型双套筒天线在顶端加入金属圆盘，半径Radius5仿真区间为 15～30 mm，仿真步长为 2 mm。S（1，1）表示天线回波损耗特性，其参数数值越小，表明天线能量反射越小，通信效率越高，能量辐射越大。所以此篇文章选择以S（1，1）参数为判断天线性能的指标。S（1，1）仿真结果如图4所示。

图4 对顶端加载半径Radius5仿真分析

根据仿真结果得出，随着顶端加载圆盘半径的变化，天线的谐振点在船用VHF通信频段内没有出现明显的偏移，且对天线带宽影响不大，输入阻抗改变较小，具有良好的匹配特性。当顶端半径Radius5=15 mm时，S（1，1）达到-39 dB，数值为最优，辐射性能最佳。

3.2 馈电高度分析

对天线的馈电高度进行参数分析，天线向下辐射的电磁波被地面反射，反射方向为竖直向上，输入端电流、反射电流相位与馈电位置距离地面的距离有关。馈电高度对天线的带宽、增益、阻抗匹配有着较大的影响。本文模型将天线馈电高度设置为gap=3 mm，并对其进行扫频设置，其实数值范围为1～10 mm，仿真步长为2 mm。经HFSS软件仿真的S（1，1）结果如图5所示。

图5 对馈电高度gap仿真分析

仿真结果得出，在船用VHF频段区间，天线的馈电高度对天线效率有着显著影响，当馈电高度为1 mm、3 mm、7 mm、9 mm和10 mm时都不具备良好的输入回波损耗，当馈电高度为5 mm时，天线射频能量反射最小，辐射出去的能量最大，带宽较大。在船用VHF频段附近损耗最小，且随着距离增大，回波损耗逐渐增大，天线的性能逐渐下降。次模谐振点的回波损耗也逐渐减小，但是次模谐振点不在工作频段内，在这不予以讨论。

3.3 内套筒高度分析

对内套筒高度Height进行仿真，仿真区间为460～520 mm，仿真步长为5 mm，双层套筒材料设均置为铜。经过软件仿真后结果如图6所示。

图6 对套筒高度Height仿真分析

通过仿真截图得出，随着套筒高度Height的增加，天线S（1，1）参数的主要谐振点向右偏移，且天线带宽降低，通信效率降低。当Height=460 mm时，天线谐振点频率为 158 MHz，S（1，1）参数达到-43 dB，能够实现良好的能量辐射。

3.4 外套筒高度分析

为了探究双套筒天线中内外套筒高度差对天线性能是否有影响，将外套筒高度Height7进行仿真，仿真区间为480～520 mm，仿真步长为5 mm，仿真结果如图7所示。

图7 对外套筒Height7仿真分析

根据仿真结果得知，随着外套筒高度增加，天线谐振频点左移，在内外套筒高度相同，外层套筒高度为Height7=505 mm的情况下，天线S（1，1）参数达到最优值，辐射效果最佳，天线回波损耗最低。

3.5 短路板高度分析

短路板的引用可类比微带天线短路针，其目的为影响天线电流流通路径，实现天线小型化，带宽增强。此新型双套筒天线中以振子为轴心，对称嵌入四块短路板，材料设置为铜，对短路板高度Height1进行仿真，仿真范围为180～230 mm，仿真步长为5 mm。仿真结果如图8所示。

图8 对短路板高度Height1仿真分析

根据仿真结果可知，短路板高度Height1对天线的谐振频率没有影响，但是影响了天线的谐振点。根据套筒天线的套筒高度约等于λ/4波长的理论，在短路板高度Height1=215 mm时，天线谐振点最低，为最合适的套筒高度。

3.6 天线参数优化设计

通过对新型套筒天线的参数进行设计，并对其主要参数如顶端圆盘加载半径、双层套筒高度、短路板高度进行Optimetrics功能优化，得到性能最优的S（1，1）曲线，如图9所示。

图9 经过参数优化后的天线S（1，1）参数曲线

根据优化后的图像分析得出，以-10 dB为标准衡量，天线的带宽为147～167 MHz，能够做到以高效率通信覆盖船用VHF频段，且在158 MHz处天线辐射强度最大，S（1，1）参数为-50 dB。

3.7 天线VSWR参数仿真

通过优化得出天线最佳结构参数后，需要对天线的VSWR参数进行仿真观察其阻抗匹配特性。VSWR为电波腹电压与波谷电压之比，当VSWR等于1时，表明此时天线馈线与阻抗完全匹配，入射波的能量几乎被完全接受，天线的效率最高。经过软件仿真后，新型双套筒天线的VSWR曲线如图10所示。

图10 新型双套筒天线的VSWR曲线

根据仿真图像分析，在船用VHF频段内，天线的VSWR参数近似等于1，满足现如今天线VSWR参数1.13∶1至1.38∶1的数值区间，表明在此结构参数下，新型套筒的天线的辐射强度良好，能量损耗较低。

4 天线对比分析

4.1 与去掉短路板的天线对比

增设短路板作为微带天线增加带宽和阻抗匹配的常用技术，将其运用在双套筒天线内层套筒中，以90度对称排列布置，短路板接地后能够将套筒中的电场辐射。利用软件对其远电场分析，结果如图11所示。

图11 短路板电场仿真图

经过仿真的电场线可以看出，短路板面向天线振子一侧，电场强度比套筒圆弧部分有所增强，能够有效地增强天线辐射。

为了更好显示短路板增强带宽的作用，将天线模型去掉短路板，保持其他模型参数相同，经仿真后的S（1，1）参数如图12所示。

图12 去掉短路板后天线S（1，1）曲线图

由仿真结果得出在结构参数相同，以-10 dB为标准，缺少短路板的情况下，普通双套筒天线的S（1，1）曲线会出现三个谐振点，使得在船用VHF通信频段不能得到好的匹配阻抗；回波损耗特性效率较高的两个谐振点频率为156 MHz和221 MHz，但是效率低于带有短路板的天线，在船用VHF频段内带宽也低于双套筒天线，不能满足日常海上通信需求。

4.2 与缺少外侧套筒天线进行对比

套筒天线中的套筒作用为等效加粗振子，可以使用不对称形式的馈电。针对天线模型中双层套筒的作用，在保持天线其他结构参数不变的条件下，将天线外层套筒去除并进行仿真，得到的S（1，1）参数曲线如图13所示。

图13 单套筒天线S（1，1）曲线仿真图

对缺少外层套筒的单套筒天线的VSWR参数进行仿真，结果如图14所示。

图14 单套筒天线VSWR仿真图

通过仿真可以看出，在同等结构参数条件下，单套筒天线在船用VHF频段内VSWR参数呈下降趋势。但是VSWR峰值达到了2.66，使得天线效率变低，并且未达到良好匹配。

天线E面曲线图能够体现出天线在特定角度的电场辐射强度以及增益水平，为了更好地验证外层套筒的作用，对单套筒天线进行E面方向图仿真，结果如图15所示；同时对双套筒天线E面方向图进行仿真，结果如图16所示。

图15 单套筒天线E面仿真图

图16 双套筒天线E面仿真图

通过对去掉外层套筒和双套筒天线E面方向图进行对比，可以看出双套筒天线中外层套筒对天线的方向性有着显著提高，同时在辐射效果最强的角度提升了天线的最大增益，使得辐射效果增强。

5 结论

本文针对现如今船用VHF天线普遍存在的尺寸较长、带宽较低等问题，对传统套筒天线进行设计与改进。通过架设第二层套筒，在内部嵌入短路板，并在天线顶端引入圆盘加载。从仿真结果看出，此新型双套筒天线用于船用VHF频段通信的可行性较高。架设双层套筒能够等效加粗振子，增强天线辐射带宽，提升天线传输效率。在双套筒内部架设短路板模拟微带天线增强带宽功能，能够提升天线内部电场电荷密度。对天线顶端圆盘进行仿真，其半径变化不影响天线通信带宽，但是对S（1，1）参数存在影响。通过仿真天线馈电高度，找出影响阻抗匹配的天线馈电高度，不同的馈电高度决定了天线振子二次电流的相位，继而决定了天线的电参数。

经过以上仿真结果证明，本文设计的新型双套筒天线在船舶通信的VHF频段（156～162 MHz）有着良好的驻波信号比、回波损耗特性以及通信带宽等特性，能够充分满足船舶VHF频段通信需求。