新型艦載超短波寬帶平面天線

李曉林 李 韓 熊 燁 陳永良 陳 聰

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所，湖北 武漢 430079)

1． 引 言

艦船隱身技術的發展，催生出集成化上層結構設計新思路。相應地，水面艦船對通信、雷達等無線電天線提出了“隱形”設計要求。運用集成天線技術進行天線平面化、集成化設計，將天線設計成平面式陣列天線嵌入、集成到上層結構中，使天線設計與艦體隱身設計有機地結合起來并組成一體化結構，成為艦船天線技術的重點發展方向[1-2]。與使用頻率較高、容易與平臺載體共形的各種雷達天線相比，超短波通信天線的集成化設計成為艦船集成天線的技術難點。國外公開報道了225 MHz以上頻段的特高頻(UHF)集成天線系統的研制情況[3-4]，天線單元采用平面寬帶偶極子，工作帶寬小于2∶1(如225～400 MHz)，并已形成裝備[5]。

艦船通信系統往往要求在很寬的頻率范圍內開通多個信道，分別完成不同的通信任務。而平臺載體上可供安裝天線的空間有限，為了減少天線數量，就必須廣泛使用寬頻帶天線。集成天線技術將多種輻射單元集成在尺寸更小的空間進行綜合設計，其電磁兼容/電磁干擾(EMC/EMI)問題更加嚴重，因此需要使用工作頻帶更寬、尺寸更小的平面天線輻射單元。低輪廓的超短波寬帶平面天線成為艦船通信領域亟需解決的關鍵技術。

圓錐形偶極天線是一種典型的寬頻帶天線，將其壓縮成二維結構，形成三角形板狀偶極天線，由此得到的輸入阻抗和輻射方向圖都具有一定的寬頻帶特性[6-8]。但是，三角形板狀偶極天線應用于超短波頻段時，天線尺寸太大[9-10]。針對不同的應用條件，人們圍繞低輪廓、寬頻帶性能對各種形狀的平面天線進行了深入研究[11-13]。其中，文獻[11][13]分析計算了圓形平板天線、橢圓形平板天線和Vivaldi天線等平面單極子天線的寬頻帶特性，運用鏡像原理計算的對稱結構偶極天線的輸入阻抗帶寬可以達到10.7∶1。但其方向圖帶寬最多不超過7.5∶1。天線的理論預測高度為0.428λmax，不適合在100 MHz以下頻段使用。

本文提出一種新型艦載超短波寬帶平面天線，工作頻率范圍30～400 MHz(實際使用頻段為30～175 MHz、225～400 MHz)。天線采用平面非對稱偶極子形式，高度僅為0.326λmax，可鑲嵌在艦船艙壁上或封閉桅桿側面，與艦船艙壁或封閉桅桿構成一個整體，實現隱身功能。

2． 天線設計與仿真分析

平面非對稱偶極子天線由上、下兩塊金屬板構成，具有一維小尺寸的平面結構特點，左右相互對稱。天線形狀及其坐標系見圖1所示，上輻射面采用橢圓擬合結構，下輻射面采用指數漸變梯形結構；上、下輻射面構成準電磁互補結構，能夠有效地擴展面狀天線的頻帶寬度。天線的高度為H，其中上輻射面的高度為H1、寬為W1，下輻射面的高度為H2、頂寬為W2、底寬為W3。

圖1 天線形狀及其坐標系

利用時域有限差分法(FDTD)計算了天線的輸入阻抗和輻射方向圖。FDTD方法以差分原理為基礎，直接從概括電磁場普遍規律的麥克斯韋旋度方程出發，將其轉換為差分方程組，在一定體積內和一段時間上對連續電磁場的數據取樣，通過逐點計算場變量的顯示差分方程，在時間上迭代求解，進行一次運算就可以得到天線的頻率特性。

本文所述天線為平面天線，其輻射體的厚度相對于其工作頻段的電磁波波長非常小。在采用FDTD方法對該天線進行仿真建模時，可將平面天線上的輻射體等效為無限薄的理想導體，即將處于該天線輻射體上網格的切向電場分量(Ex和Ez分量)和法向磁場分量(Hy分量)置零。此外，天線外形為曲線結構，其邊界與網格邊界不重合，在對天線建模時需采用共形網格的處理方法。

在網格劃分時，考慮到天線的細微結構及電磁波波長，網格采用正六面體Yee元胞，網格尺寸取δ=0.02 m(λmin/37.5)，饋電端口間距與該網格尺寸相同，因此，可將該網格位置處Ez分量設置為激勵端口，采用強迫激勵法。該網格尺寸既能充分體現天線的細微結構特征又不會引起數值色散。

仿真計算時，設置的參數為H=3.26 m，W3=4.20 m，饋電間距為0.02 m，仿真頻率為30～400 MHz. 在采用FDTD方法對該天線進行仿真時，輸出邊界距天線邊界略大于0.5λmax、距理想匹配層(PML)吸收邊界約為0.25λmax，總共采用970×930×760個Yee元胞，天線輻射體在整個計算空間中僅占很小的空間。

當H1=1.44 m，H2=1.80 m時，保持其他參數不變，天線輸入端口的電壓駐波比隨W1、W2的變化情況如圖2所示；當W1=1.35 m，W2=0.90 m時，保持其他參數不變，天線輸入端口的電壓駐波比隨H1、H2的變化情況如圖3所示。由仿真結果可以看出：上、下輻射面的高度和寬度均影響天線的輸入阻抗匹配性能，調整天線的結構參數，可以實現良好的寬頻帶阻抗匹配性能。

圖2 電壓駐波比隨W1、W2的變化

圖3 電壓駐波比隨H1、H2的變化

3． 計算與實驗結果

根據設計分析的結果，天線的各個參數最后選取為：H=3.26 m，H1=1.44 m，H2=1.80 m，W1=1.35 m，W2=0.90 m，W3=4.20 m，饋電間距為0.02 m. 在30～400 MHz的整個頻帶內，天線的電壓駐波比仿真結果均在2.9以下，如圖6所示。

根據仿真模型，實際制作的平面非對稱偶極天線，上、下導體均為左右對稱的平面結構，其中心軸位于同一直線上。在下輻射面的中軸上焊接一根銅管，將同軸電纜從銅管中穿出，在下輻射面底端接電纜連接器，使饋電點從天線中部轉移至底部，天線結構如圖4所示。饋電結構與下導體在結構上構成一個整體，避免了饋電電纜對天線阻抗匹配性能的影響。天線實物照片如圖5所示，整個天線可鑲嵌在一面狀結構上，與安裝平臺共形。

圖4 天線結構

圖5 天線實物照片

圖6為電壓駐波比曲線，實測值與仿真結果基本一致。在13.3∶1的頻帶寬度內，電壓駐波比小于2.9，而天線高度僅為0.326λmax.

圖6 電壓駐波比曲線

圖7為天線在幾個頻率點上的垂直面方向圖，圖7(a)為XZ面(φ=0°)的仿真結果，圖7(b)為YZ面(φ=90°)的仿真結果。在較低的30～175 MHz頻率范圍，垂直面方向圖的最大值基本上指向水平方向；隨著頻率的升高，垂直面方向圖開始出現裂瓣，其最大輻射方向仰角逐漸增加。但是，天線在水平方向的輻射場強基本上大于0 dB，僅Y軸方向(φ=90°)在345 MHz附近突然下降至-2 dB左右，滿足使用要求。天線在X軸方向(φ=0°)和Y軸方向(φ=90°)的輻射場強計算結果如圖8所示。

圖9為天線在幾個頻率點上的水平面方向圖仿真結果。在較低的30～175 MHz頻率范圍，其水平面方向圖近似為圓；隨著頻率的升高，在較高的225～400 MHz頻率范圍，水平面方向圖從圓形逐步變為橢圓直至蛻變為梅花形狀。

天線的水平面方向圖失真度σ按下式計算：

式中：Ei為方向圖場強值(dB)；n為采樣點數，且滿足n≥72。 水平面方向圖失真度σ的計算結果如圖10所示，σ≤3.8 dB，符合艦船超短波通信天線水平面方向圖失真度σ不大于5 dB的設計規范，滿足天線全向輻射技術要求。

(a) φ=0°

(b) φ=90°圖7 垂直面方向圖

圖8 水平方向輻射場強

圖9 水平面方向圖

圖10 水平面方向圖失真度

圖11給出了天線在水平方向(θ=90°,φ=90°)的增益實測值與仿真結果，兩者吻合較好。

圖11 水平方向增益

4． 結 論

本文提出了一種新型的超短波寬帶平面天線，采用非對稱結構實現寬頻帶性能；為準確分析該天線的性能，采用FDTD方法對該天線進行了仿真建模，計算了天線的輸入阻抗和輻射方向圖。

在工程應用中，全向寬帶天線輸入阻抗(電壓駐波比)對天線結構尺寸的變化較為敏感，而結構尺寸的變化對輻射方向圖的影響較小。本文仿真計算了該天線的電壓駐波比，與實測結果基本一致，天線帶寬大于13.3∶1；通過實測該天線水平方向增益，基本驗證了輻射方向圖仿真結果的準確性。

本文所述的寬帶天線，通過上、下輻射面構成準電磁互補結構，有效地擴展了該面狀天線的頻帶寬度，在工作帶寬大于13.3∶1前提下，天線高度僅為0.326λmax，實現了天線小型化。實踐證明該天線能夠滿足隱身艦船超短波通信系統的需求，具有較好的實用價值。

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