基于海上浮标的短波鞭天线电气性能仿真分析

梁俊杰，翟 琦，王永斌

(海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033)

1 引言

对于短波鞭天线存在的效率低、通频带窄等问题，目前的研究多集中在加顶负载、加粗振子直径、使用宽带天线(如对数周期天线和菱形天线)等方面。但体积过大的宽带天线和加顶负载不适用于海上浮标短波天线的使用环境；鞭天线具有水平方向图全向、结构简单、体积小的特点，制作成本也低廉，适用于海上浮标短波天线设计。

由于海上风力和海浪的影响，为保证天线能够直立不倾倒，天线高度确定为6m，天线主要工作在5～30MHz频带内。天线的电长度在低频段不足0.1λ，属于电小天线，此时输入阻抗具有实部小、容抗大、阻抗变化剧烈的特点[1]。为解决天线低频段匹配难度较大的问题和扩展天线匹配后的工作带宽，通过优化天线参数，从而提高天线低频段电阻和平缓整个频段内天线的阻抗变化剧烈程度，使得天线频段内反射系数较好。

为使天线在5～30MHz频段内具有较高效率，需要对天线进行调谐匹配。舰用短波天线调谐匹配器常采用矢量检测调谐方案对天线进行快速匹配，但这种方法需要检测单元、匹配电路和控制单元等，结构复杂，而且由于海上环境因素，调谐精度受到影响。为避免矢量检测调谐方案的不足，采取预匹配方案，通过预置频率切换匹配网络，对天线进行无耗宽带匹配，实现5～30MHz频段内反射系数较好，天线效率高。

2 海上浮标短波天线模型

对于短波鞭天线主要为两种形式：直立鞭天线和螺旋鞭天线。螺旋鞭天线是特殊的鞭天线，通过对直立鞭天线进行分布加载，即将导线在非金属管上绕制成线圈来实现。对直立鞭天线和螺旋天线进行建模：高度为6m，导线半径4mm，天线束缚在非金属管上，螺旋半径为10cm，馈线为50Ω同轴线，接地为接入海水。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，在短波频段可以视为良导体[2]。直立鞭天线与螺旋鞭天线FEKO仿真模型如图1、图2所示。

图1 直立鞭天线

图2 螺旋鞭天线

3 电参数计算及仿真分析

天线电参数是衡量天线性能的尺度，通过对比分析天线的反射系数、阻抗特性等参数，可以更好地设计和选择合适的天线，达到预想的目的[3]。

3.1 反射系数

天线调谐器进行调谐和工作时，通常用电压反射系数Γ描述发射机与天线的匹配状态[4]。因此定义

(1)

其中Zi和Z0分别表示天线输入阻抗和发射机输出阻抗。反射系数Γ反映了天线输入阻抗与发射机阻抗的配谐程度，配谐越好反射系数越小。

3.2 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

(2)

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。辐射电阻反映了天线向自由空间辐射的实功率，而电抗分量则反映储存于天线附近的虚功率，因此在调谐时需减少电抗分量，从而提高辐射效率[2]。

3.3 仿真分析

通过改变单极子天线辐射体的几何外形、电尺寸的大小、顶端加载或者辐射体和地面短接都可以很好地展宽天线的阻抗带宽[5]。

对于海上浮标短波天线由于高度有所限制，直立鞭天线在低频段电长度较小，辐射电阻较小，为提高辐射电阻，除了增大天线半径外，还可提高天线的有效高度。对于海上浮标的使用环境，加顶负载不易实现，介质加载成本过高并增加损耗，所以使用分布加载方式。分布加载是在非金属管上绕制线圈，线圈匝数增加，天线分布电容增加，天线有效高度从而增加。对比等高度等导线半径的直立鞭天线和螺旋天线的反射系数如图3所示。

图3 对比螺旋鞭天线与直立鞭天线的反射系数

由图3可以看出在低频段螺旋鞭天线与直立鞭天线相比，反射系数有所改善，在谐振点附近反射系数值降低了3.76dB，天线匹配程度更好，但由于天线有效高度增加，谐振点向低频段方向移动，天线高频段匹配阻抗特性变化更为剧烈，天线效率降低。但对于高度有所限制的海上浮标天线来说，提高天线的电长度更为重要。因为电长度越大，天线辐射电阻也会增加，在天线效率低的低频段辐射效率提高。而且在高频段天线效率虽然下降，但对天线进行匹配后，这个问题可以很好地解决。所以海上浮标短波天线采用螺旋鞭天线形式[6]。

对于螺旋鞭天线，绕线匝数增加，即可有效地增高天线的有效高度，但对天线的电气性能也有所影响，考虑到天线匝数过多，导线各线圈间间隔减小，邻近效应的影响使螺旋天线的损耗增加，仅对线圈匝数30匝以下进行仿真。分别对天线线圈匝数5匝、10匝、15匝、20匝、25匝、30匝进行仿真，天线输入电阻和电抗如图4、图5所示。

图4 不同螺旋匝数对天线输入电阻的影响

图5 不同螺旋匝数对天线输入电抗的影响

由图4、图5可以明显看出随着线圈匝数增多，天线谐振点向低频段移动，谐振点数量也变多，但在5～30MHz频率范围内匹配难度增大，如30匝并联谐振点附近电阻最大值达到8kΩ，电抗最大值达到6kΩ，极难匹配，对该频点匹配后工作频带带宽会很窄。而且发信天线在功率一定的条件下，需要尽可能提高天线效率，所以在对天线进行调谐匹配过程需要做到低耗甚至无耗匹配。因此选择阻抗特性变化平缓、阻抗较小易于匹配的天线，通过图4、图5可以分析得出螺旋鞭天线匝数应选择5匝。

天线匝数确定后，为进一步扩展天线匹配后的工作带宽，还可以增大天线的导线半径，天线的导线半径增大，并联谐振点附近电阻降低，电抗绝对值降低，阻抗特性平缓，天线反射系数降低[7]。对比不同导线半径对天线的反射系数的影响如图6所示。

图6 不同导线半径对天线反射系数的影响

由图6可见通过增大天线的导线半径，7mm导线半径较3mm导线半径天线反射系数降低了约12dB，更有利于天线匹配，但如果天线过粗，增加浮标天线整体自重，所以螺旋鞭天线采用5mm导线半径。

尽管增大了导线半径优化了阻抗特性，反射系数降低，但低频段天线电阻仍然很低，为提高低频段匹配后的工作带宽，在优化天线导线半径和进行分布加载匝数的优化的基础上，还可以通过采用不同的绕制方法来增加低频段电阻，从而避免低频段由于匹配困难而使用电阻加载等有耗加载。

为提高天线低频段电阻，分析不同绕法对天线输入电阻的影响，针对前面所分析得出的螺旋匝数5匝，导线半径5mm的螺旋天线进行改进。本文针对天线进行不同位置分布加载和“反绕”[8](部分长度正向绕制，部分长度反向绕制)相结合方式进行分析，由于天线匝数只有5匝，过于复杂的绕制方式很难实现，所以在保证总匝数不变的情况下，仅针对天线上半部分、下半部分进行不同绕制分析，且为均匀绕制。

规定正向绕制为顺时针方向，反向绕制为逆时针方向，首先对0～3m正向绕制3～6m反向绕制和0～3m反向绕制3～6m正向绕制进行仿真分析，可以发现结果一致，所以排除类似不同绕法对天线电气性能的影响。本文针对高度为6m的螺旋鞭天线选择6种不同的绕制方式见表1。

表1 不同绕制方式

不同绕法对天线输入电阻特性的影响如图7所示。

图7 不同绕制方法对天线输入电阻的影响

由图7可见，方式⑤虽在5MHz附近提高输入电阻5 Ω左右，但在并联谐振点附近的输入电阻最大值点与方式①相比，电阻增大了700Ω，这会导致并联谐振点附近匹配非常困难，所以不采用此绕法。其它的绕法在并联谐振点附近电阻相差不大，所以着重比较其它几种绕法在5MHz附近电阻。比较发现，与方式①相比，方式④和方式⑥电阻更小，方式②基本不变，而方式③电阻提高了约1Ω，这有利于天线与50Ω同轴线进行匹配，所以采用方式③的绕制方法。

经过比较分析鞭天线与螺旋鞭天线在等高等导线半径的反射系数，并进一步比较分析螺旋鞭天线的不同导线半径、不同绕线匝数、不同绕法对天线电气性能的影响，仿真得出适用于海上浮标短波天线且易于无耗匹配的天线参数为：天线高度6m，天线导线半径5mm，天线螺旋半径10cm，绕制方式为0～3m为直立导线、3～6m正向绕制5匝导线。

4 结论

本文针对现有海上浮标短波天线由于环境影响尺寸限制并且为保证整体重量较轻，需要电路简单的匹配网络的特点，设计了鞭天线及螺旋鞭天线模型并利用FEKO软件对其电气性能进行仿真，通过深入研究比较鞭天线与螺旋鞭天线反射系数和螺旋鞭天线不同导线半径、不同绕线匝数、不同绕法对天线电气性能的影响，给出了海上浮标短波发信天线选择的指导性意见：选择螺旋鞭天线形式，有效提高天线的有效高度，改善低频段天线电阻较低难以匹配的问题；为提高天线带宽，在避免天线过重的情况下，选择5mm导线半径；在选择天线的绕线匝数和不同绕法的时候应当综合考虑，由于天线整体重量不易过重，所以绕线匝数不易过多，而且由于海上存在风浪的影响，天线绕制方式不易过于复杂。为尽可能提高天线有效高度和扩展天线的工作带宽，阻抗应较为平缓，低频段电阻应较大，所以选择绕线匝数5匝，绕制方式为0～3m为直立导线、3～6m正向绕制5匝导线。本文结合实际需求，并综合考虑与之匹配的匹配电路需要无耗宽带，为基于海上浮标的短波鞭状天线系统提供了一个易匹配、阻抗特性好的天线设计方案。