對(duì)海水天線的初步研究＊

楊 卓

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所 嘉興 314033）

1 引言

金屬具有良好的導(dǎo)電率，因此通常都是采用金屬來制作天線，以獲得優(yōu)秀的輻射特性。近年來，專家發(fā)現(xiàn)在某些模式下，介質(zhì)諧振器可以作為天線［1～4］，而且比普通天線（例如微帶天線）具有更高的效率和更大的功率容量［5～8］，目前已在個(gè)人通信和移動(dòng)通訊系統(tǒng)中獲得了較多的應(yīng)用。

海水是一種常見的材質(zhì)（特別是位于海洋環(huán)境下），導(dǎo)電特性介于金屬和介質(zhì)之間，且具有液體流動(dòng)性等特點(diǎn)。但經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外目前很少有關(guān)于液體天線（特別是海水天線）的文獻(xiàn)。本文，我們嘗試對(duì)海水天線（seawater antenna，SA）進(jìn)行分析仿真。正如其名字所言，海水天線是一種以海水為電磁輻射體的新式天線。與傳統(tǒng)天線相比它具有液體流動(dòng)性，重構(gòu)性較強(qiáng)，雷達(dá)反射截面極低，電磁兼容方面也有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。可以預(yù)見在軍事通信（特別是艦船通信）方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2 理論分析

近年來，已經(jīng)有專家學(xué)者探討了液體天線的可行性。文獻(xiàn)［9］嘗試?yán)眉儍羲谱鹘橘|(zhì)諧振天線，在一定的條件下獲得了較好的性能。但是純凈水的電特性隨溫度和頻率變化較大，限制了純凈水天線的應(yīng)用。

我們知道，水分子是一種強(qiáng)極性分子，本身具有偶電矩，導(dǎo)致其活動(dòng)特性隨頻率而變：頻率低時(shí)，水分子可以很容易隨緩慢變化的電場(chǎng)取向；高頻時(shí)，水分子很難跟上迅速變化的電場(chǎng)取向。反映在宏觀世界，即水的介電常數(shù)隨頻率而變，是一種色散介質(zhì)。但文獻(xiàn)［10］指出，在水中存在鹽離子，會(huì)緩沖水的介電常數(shù)的頻率響應(yīng)。文獻(xiàn)［11］給出了NaCl溶液的介電常數(shù)頻譜（圖1），文中作者提到：鹽溶液的極化馳豫時(shí)間（dielectric relaxation time）小于純水，從而介電常數(shù)的頻譜也相對(duì)較平滑；而且隨鹽濃度增大，介電響應(yīng)將越來越平穩(wěn)。這樣一來，鹽離子起了調(diào)節(jié)劑的作用，使得鹽水的色散特性在廣頻段內(nèi)優(yōu)于純凈水。

圖1 鹽水的介電響應(yīng)

海水是一種最典型的含有導(dǎo)電離子的液體，性質(zhì)和高濃度鹽水相類似，因此色散特性相對(duì)較優(yōu)，有利于仿真實(shí)驗(yàn)的展開。由于海水的導(dǎo)電特性介于金屬和介質(zhì)之間，當(dāng)海水作為天線使用時(shí)，麥克斯韋方程式將同時(shí)涉及到源電流密度（Ji）、傳導(dǎo)電流密度（Ji）和位移電流密度（jwD），如下所示：

僅根據(jù)麥克斯韋方程和邊界條件很難得到準(zhǔn)確的解析表達(dá)式，而且海水天線又不能借鑒介質(zhì)諧振天線分析方法（例如完全磁壁法）進(jìn)行計(jì)算。因此對(duì)于含有自由離子的海水天線，我們主要借助數(shù)值計(jì)算工具對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

圖2 海水天線建模圖

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)值計(jì)算方法得到了越來越快的發(fā)展，目前應(yīng)用較多的仿真軟件是微波工作室的CST和Ansoft的HFSS。HFSS軟件以有限元方法為核心，精度較高，并集成了多種輔助算法。本文以常規(guī)圓柱形海水天線為例（圖2，外圍采用PVC作為容器，底部采用探針饋電），使用HFSS對(duì)其進(jìn)行分析。值得注意的是，HFSS中設(shè)置的海水各項(xiàng)參數(shù)（包括介電常數(shù)、損耗正切、導(dǎo)電率等等）都是室溫下測(cè)得的平均值，這與實(shí)際情況不符。但在較低的頻段內(nèi)（＜500MHz），室溫恒定的情況下，可以認(rèn)為仿真結(jié)果是能近似接受的。

3 仿真數(shù)據(jù)

以上節(jié)所述模型為例，對(duì)主要幾項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描。考慮到海水中含有各種雜質(zhì)，損耗較大，可以預(yù)見到海水天線的效率將比通常的金屬天線低，阻抗特性也有所區(qū)別。因此，如何保證海水天線的效率問題，以及阻抗匹配，都將是我們仿真設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問題，而天線的增益問題將留待下一步考慮。此外，為使分析結(jié)果具有普適性，對(duì)工作在VHF波段240MHz和HF波段25MHz的兩種海水天線進(jìn)行分析（不同的模型分別用SA1和SA2區(qū)別，外容器采用PVC，厚度為2mm，其他各項(xiàng)初始參數(shù)如表1所示）。

表1 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 輻射效率

圖3 海水天線輻射效率隨h變化的曲線

從圖3可以看到，探針長(zhǎng)度過短時(shí)，對(duì)天線效率有一定的不利影響。探針在15mm～25mm時(shí)天線效率最好。隨著探針長(zhǎng)度增加，天線效率在整個(gè)頻段上反而有所下降。這說明：對(duì)于海水天線，設(shè)計(jì)過長(zhǎng)的探針是無(wú)必要的。

從圖4可以看到，a，d圍出了一塊三角形區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)天線效率最高，可以達(dá)到60%以上。水柱高度d在λ／4附近時(shí)，海水天線容易獲得高效率，可是水柱半徑a的取值范圍不容易確定，目前來看沒有明顯的規(guī)律可循，須借助軟件掃描得到。

圖4 海水天線輻射效率隨a、d變化的色溫圖

3.2 天線阻抗

圖5 海水天線輸入阻抗隨h變化的曲線

從圖5可以看到，探針長(zhǎng)度對(duì)天線輸入阻抗影響較小，不是決定阻抗的主要因素。

圖6 海水天線輸入阻抗隨a變化的曲線

圖7 海水天線輸入阻抗隨d變化的曲線

從圖6可以看到，水柱半徑對(duì)天線輸入阻抗影響較大。從趨勢(shì)來看，半徑越大，電阻及電抗在整個(gè)頻段上就越接近零，而且隨半徑增加曲線的變化趨勢(shì)也將逐漸減緩。

從圖7可以看到，隨水柱高度增加，天線輸入阻抗曲線有著類似的變化趨勢(shì)，均比較平穩(wěn)，無(wú)劇烈波動(dòng)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜合上述仿真結(jié)果，總結(jié)出了幾點(diǎn)設(shè)計(jì)海水天線的原則：

1）探針高度對(duì)海水天線各項(xiàng)性能的影響較小，選擇適當(dāng)高度（15mm～25mm）即可；

2）基于高輻射效率，海水高度可以按照λ／4的原則來確定；

3）水柱半徑對(duì)天線阻抗、效率影響較大，由于目前還缺乏明顯規(guī)律可循，可以借助工具軟件掃描參數(shù)后得到最優(yōu)值。

4）海水天線的阻抗在寬頻段內(nèi)變化平緩，電抗基本上都呈容性。這非常利于我們?cè)O(shè)計(jì)合適的阻抗匹配電路，從而在較寬頻段內(nèi)獲得接近1的駐波比，獲得寬帶天線。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用HFSS對(duì)海水天線進(jìn)行分析，得到了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線效率及阻抗的影響關(guān)系。但仿真軟件畢竟存在著一定局限性，下一步可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)。初步來看，海水作為天線材質(zhì)是可行的。充分考慮海水的各項(xiàng)電參數(shù)、饋電方式、容器結(jié)構(gòu)形式，配合仿真算法參數(shù)掃描，有可能設(shè)計(jì)出具有優(yōu)越性能的海水天線，這也是下一步我們研究的目標(biāo)。

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