船舶定線制水域AIS基站的等離子體八木天線

孫洋　胡勤友　趙建森　袁秋夢　諶浩

摘要：

針對目前廣泛使用的AIS基站發(fā)射天線的不足，提出將等離子體八木天線應用到海事智能通信領域，作為船舶定線制水域AIS基站的發(fā)射天線.該方法根據等離子體介電常數與電子密度的關系，利用HFSS構建AIS基站等離子體八木天線模型.通過改變該模型等離子體參數、無源振子個數等，對其進行方向圖仿真.仿真結果表明：當關閉無源振子時，天線可作為全向天線；當增加無源振子個數和電子密度時，該天線定向性增強，方向圖主瓣變窄.用該方法建立的天線可快速實現全向與定向之間的轉換，顯示出良好的可重構性.仿真結果證明了船舶定線制水域AIS基站使用等離子體八木天線的可行性.該方法可改善定線制水域的通信效果和海事監(jiān)管能力.

關鍵詞：

船舶定線制； 等離子體； 八木天線； 可重構性； 增益

0引言

伴隨著世界經貿全球化、一體化進程，我國國民經濟得到持續(xù)、健康和快速發(fā)展.這帶動了航運市場的空前繁榮，但交通流密度的增大，使我國沿海海域在交通和環(huán)境方面存在安全隱患.船舶定線制指船舶在某些水域航行時要遵循或采用所規(guī)定的航線、航路或通航分道的一種制度[1]，是在水上交通密集區(qū)施行有效管理的主要途徑，是合理規(guī)劃、有效利用航路的重要方法，在規(guī)范船舶交通流、保障航行安全、預防沿海環(huán)境污染和提高交通效率方面起到至關重要的作用，在國際上被廣泛采用[2].

船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）在海事通信領域起到不可取代的作用[3]，然而對AIS基站發(fā)射天線的研究并未得到應有的重視.目前在我國船舶定線制水域中，AIS基站發(fā)射天線主要采用全向金屬天線，雖然可以在較大范圍內實現信息群發(fā)，但也存在許多問題：

（1）我國成山角船舶定線制水域內，部分水域離岸距離在20 n mile以上，甚至有些水域離岸距離超過25 n mile，而全向性天線增益較低，大大限制了AIS信息播發(fā)距離，這就需要定向天線來彌補.

（2）AIS基站通信系統(tǒng)中，全向性發(fā)射天線功率在20 W以上，對周圍岸上設施及用戶有較強的電磁干擾.

（3）由于水域交通流密度增大，通信信道常被占用，存在時隙沖突，大大增加了船舶交通管理系統(tǒng)（Vessel Traffic System，VTS）值班員的負擔.因此，AIS基站可采用甚高頻（Very High Frequency，VHF）高增益定向天線以增強AIS基站與VHF岸臺通信效果.

本文提出將電控等離子體八木天線應用到海事智能通信領域，將其作為船舶定線制水域AIS基站的發(fā)射天線.等離子體天線是用等離子體代替金屬天線元作為電磁能量傳導介質的一種天線，與金屬天線相比，具有質量輕、隱身性能好、可重構等特點.[47]利用等離子體構建八木天線時：當無源振子全部關閉，天線系統(tǒng)只剩下有源振子時，該天線為全向天線；改變等離子體參數和增加引向振子個數可使天線方向性動態(tài)可調，實現不同區(qū)域通信.相比于金屬八木天線，等離子體八木天線具有可重構性和低互耦性等優(yōu)點.

1AIS基站等離子體八木天線模型與樣機

AIS基站等離子體八木天線模型包括有源等離子體振子和無源等離子體振子.根據等離子體天線理論，假設等離子體軸向、徑向分布均勻，其相對介電常數[89]為

當ω<ωpe時，εr<0，電磁波不能在等離子體中傳播，而是在等離子體外表面與介質管內表面之間以表面波的形式傳播，且沿徑向傳播的電磁波迅速衰減.這時，等離子體可以作為天線進行電磁波的傳播.

利用高頻結構仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）構建等離子體引向天線模型，根據式（1）和（3），結合等離子體電子密度和碰撞頻率選取適當的相對介電常數，天線中心頻率分別選擇AIS的兩個通信頻率161.975 MHz和162.025 MHz.通過改變等離子體參數和引向振子個數對天線方向圖進行仿真.等離子體八木天線仿真模型如圖1所示.所設計的天線由1根有源振子、1根無源

反射振子和3根無源引向振子構成.因為無源引向

振子超過5根時，每多加1根，天線的增益變化不大，所以這里為了突出天線明顯的可重構特性，只選用了3根無源引向振子.

由于等離子體內部具有一定的電位，不能夠采用直連耦合進行饋電.天線的饋電模式如圖2所示，天線外部是鋼化玻璃腔體，有源振子采用電容耦合饋電模式.將金屬套環(huán)緊緊裹附在鋼化玻璃腔體外側，與內部等離子體構成耦合電容，通過改變無源振子工作狀態(tài)進行仿真.同時，利用放電管搭建等離子體天線實物模型.等離子體振子電子密度通過調節(jié)電源工作狀態(tài)進行調節(jié).圖3為等離子體八木天線原理性樣機.該天線樣機有1個有源振子，1個無源反射振子和3個無源引向振子，其中有源振子采用半波折合振子.所有天線振子外徑為12 mm，內徑為10 mm，均利用20 kHz高壓激勵源進行激勵，激勵功率可以調節(jié).根據氣體放電潘寧效應，放電管內部的填充氣體是氖氣和少量氬氣.天線支架和活動套環(huán)用于固定等離子體八木天線有源及無源振子，活動套環(huán)可以沿支架軸向移動，進而調節(jié)天線振子之間的距離.可以更換不同長度的天線振子.因此，該天線樣機可通過調節(jié)放電狀態(tài)、振子間距、振子長度等，調節(jié)天線的方向性和阻抗帶寬.

2結果與分析

2.1等離子體八木天線阻抗帶寬特性

氣體輝光放電產生的等離子體的電子密度量級最高為1018m-3.經Langmuir雙探針診斷，利用20 kHz激勵源產生的等離子體的電子密度量級在1015m-3與1017 m-3之間.由于等離子體八木天線振子的激勵方式是雙向激勵，內部等離子體的電子密度軸向、徑向變化很小，因此在利用HFSS仿真時，可近似將等離子體參量看成是軸向、徑向均勻的.因為電子密度太小，對VHF段電磁波影響不大，而現有的等離子體激勵源技術難以產生高密度的等離子體，同時天線振子中的放電氣體氣壓很低，氣體碰撞頻率相對等離子體頻率可以被忽略，所以仿真中選取的等離子體電子密度量級在1015 m-3與1018 m-3之間.圖4是在等離子體電子密度量級分別為1016m-3和1017 m-3時，等離子體八木天線阻抗帶寬測量和仿真結果.這里天線阻抗場地為寬闊的操場，發(fā)射天線為等離子體八木天線，接收天線為金屬天線，此時天線無源引向振子全部打開，測試儀器為矢量網絡分析儀（Agilent， E5071C），工作頻率為161.975 MHz（AIS1）.無源反射振子長度為0.52個波長，有源振子有效長度為0.48個波長，3根無源引向振子等長且為0.45個波長，各相鄰振子之間等間距且為0.2個波長.仿真選取的天線振子外徑為12 mm，內徑為10 mm，饋電模式為電容耦合模式，天線振子長度可改變.根據式（3），等離子體相對介電常數設置為-31.7～-283.76.在圖4中，利用探針診斷法測量等離子體八木天線在不同放電功率下的電子密度區(qū)間，進而將等離子體電子密度調到1016 m-3量級.從圖4a可以看出，當八木天線的各振子長度固定不變時，測量和仿真所得到的回波損耗（S11）數值相近，仿真值略高于測量值，且仿真所得到的阻抗帶寬小于測量值，這可能是因為天線振子等離子體內存在一定的軸向、徑向密度梯度.從圖4b中可以看出，當電子密度接近1017 m-3時，S11明顯降低，阻抗帶寬也一定增加.S11的實測值與仿真值相差不大，說明當碰撞頻率低且電子密度較高時，仿真結果的可靠性較高，等離子體八木天線輻射性能較好.

2.2等離子體八木天線輻射特性

2.2.1電子密度對八木天線輻射特性的影響

天線輻射特性主要取決于方向性和增益.通過改變各振子工作狀態(tài)、振子間距及振子長度來研究等離子體八木天線的輻射特性及重構特性.天線方向性及增益的測量場地同回波損耗.增益采用比較法測量.在測量方向圖時，等離子體八木天線作為發(fā)射天線被安放在自制的天線轉臺上，金屬全向天線

作為接收天線.每隔10°測一次數據，因為任何天線測試都有不確定度，所以對每一條件下的方向圖測量6次后取平均值.等離子體八木天線在電子密度1017 m-3量級上的E面歸一化方向圖實測與仿真結

果見圖6，天線工作頻率為161.975 MHz.從測量結

果中可以看出，當振子全開時，天線具有較好的定向性，實測值與仿真值相差不大，其中實測方向圖的后向散射略大于仿真值，這是因為場地本身存在反射.

通過改變放電功率，改變等離子體電子密度，可以實現天線的方向圖快速動態(tài)重構.圖7給出了當電子密度量級為1017m-3和1018m-3時，引向振子為5根時，等離子體八木天線水平面歸一化方向圖仿真結果.在現有的實驗條件下，激勵源產生的等離子體電子密度范圍較窄，達不到1018 m-3，因此這里只給出仿真結果.從圖中可以看出：當電子密度在1018 m-3量級時，天線主瓣尖銳，通信范圍變窄；當電子密度減小且較低時，天線通信范圍較寬，體現了較好的方向圖可重構性.表1給出了不同電子密度下，等離子體八木天線半功率波束寬度（Half Power

Beam Width，HPBW）、增益與方向性系數減小的測量結果.當電子密度在1018 m-3量級時，天線具有較高的增益，接近7.5 dBi，而且天線的通信覆蓋角度很小；利用HFSS仿真了與等離子體八木天線相同規(guī)格及尺寸的金屬八木天線，增益在9 dBi左右.可見，高密度等離子體天線的增益接近金屬天線的增益.當電子密度在1017 m-3量級時，通信區(qū)域變寬，天線的半功率角接近60°，最大輻射方向增益降低到6 dBi左右.當電子密度在1016 m-3量級左右時，HPBW接近70°，最大方向增益約5 dBi.因為僅僅通過調節(jié)天線激勵源的功率就可以實現電子密度的快速轉換，所以等離子體八木天線具有非常好的方向圖可重構性，可快速構建AIS基站通信覆蓋區(qū)域.

2.2.2引向振子工作狀態(tài)對天線可重構性影響

當關閉所有振子激勵源時，雷達散射截面很小，可以實現隱身，具有很高的軍事應用價值.當無源振子全部關閉，只有有源振子工作時，天線為單極子天線，此時水平面方向性為全向性，可實現信息全向廣播.當開啟無源反射振子并改變無源引向振子個數時，定向性瞬間變化，通信區(qū)域也快速改變.圖8是信號頻率為AIS2 （162.025 MHz）的條件下，當無源振子全部關閉和全部開啟時，等離子體八木天線的三維方向圖仿真結果.可以看出，當關閉全部無源振子時，天線為半波對稱振子天線，水平方向為全向性.當開啟全部無源振子（1個無源反射振子，3個無源引向振子）時，天線的指向性迅速變化，這說明等離子體八木天線僅僅通過改變振子的工作狀態(tài)便可以實現全向與定向的快速變換.在AIS基站發(fā)射系統(tǒng)中，為增大通信距離，有必要開啟多個無源振子.

2.2.3天線振子長度對方向圖可重構性的影響

參考金屬八木天線理論，天線性能也受振子長度的影響.實驗中選取不同長度的天線振子進行測試.天線無源反射振子的長度分別為926 mm和1 100 mm，外徑12 mm，內徑10 mm，內部充有氖與氬的混合氣體，氣壓為100 Pa，激勵源為20 kHz交流電源.文獻[13]給出了電容耦合饋電模式下，等離子體天線具有較寬的阻抗帶寬特性.本實驗通過對大量測試結果的分析得出：不同長度等離子體振子在電子密度相差不大的情況下，由于等離子體天線的特殊性質，天線振子的阻抗特性變化不大.

圖9給出了無源反射振子在不同長度（分別為926 mm和1 100 mm）下等離子體八木天線的方向圖測試結果.通信頻率為162 MHz，有源振子（0.48個波長）和5根無源引向振子（0.45個波長）長度保持不變.可以看出，兩種條件下天線的方向性和增益相差很小，因此無源反射振子的長度對等離子體八木天線性能的可重構貢獻不大.而且，在AIS基站等離子體八木天線系統(tǒng)中，等離子體充滿整個放電管時電子密度才會很高，天線增益才能滿足要求.更換不同長度的放電管顯然滿足不了快速動態(tài)重構的要求，因此更換不同長度振子對快速實現波束轉換的意義不大.

3可行性分析

實驗結合仿真的結果說明，通過調節(jié)等離子體參數，可實現等離子體天線系統(tǒng)與傳輸線匹配.同時，通過調節(jié)天線振子個數、振子間距和振子長度可以動態(tài)調節(jié)天線方向性及增益，調整天線的覆蓋區(qū)域.當僅僅開啟天線系統(tǒng)的有源振子，關閉所有無源振子時，等離子體八木天線可以作為全向性天線使用，實現AIS信息廣播.金屬天線為了達到不同的工作頻率，必須改變天線的尺寸或形狀，在VHF通信頻段上，一般只能實現雙頻或三頻通信.因此，在可重構方面，等離子體天線要方便得多.

文獻[13]給出了等離子體振子對電磁波吸收與反射的實驗結果，當等離子體頻率足夠大時，對電磁波反射性能增強.當增加等離子體電子密度時，無源反射振子對電磁波的反射作用增強，在此基礎上增加無源引向振子個數時，天線的定向性增強，后向散射減小，進而降低了天線后向電磁干擾.當不需要天線工作時，關閉天線振子，可實現零干擾.

在能源消耗方面，文獻[14]給出了等離子體天線激勵源維持1 m長天線工作時所需要的功率，在kHz級交流電源的激勵模式下，放電功率一般小于2 W.

另外，在等離子體天線系統(tǒng)中，如果適當調整等離子體參數，可減小等離子體放電管的尺寸，這樣可以將等離子體八木天線小型化，同時天線重量減少，故在此方面等離子體八木天線比金屬天線有一定的優(yōu)勢.

在天線增益及電磁兼容性方面，等離子體天線跟金屬天線相比有一定差距.目前MHz級交流與kHz級交流等離子體激勵源均可產生較高密度的等離子體，利用先進的濾波技術及屏蔽技術可大幅度降低電磁干擾.因此，在不久的將來等離子體天線可應用到海事通信領域，以改善船舶定線制水域的通信效果和海事監(jiān)管能力.

4結論

通過對等離子體八木天線模型的仿真和實驗研究及等離子體天線用于船舶定線制水域AIS基站發(fā)射天線的可行性分析，得出：

（1）通過改變等離子體電子密度、無源振子個數及工作狀態(tài)，可以動態(tài)調整天線的方向性、增益、輸入阻抗等天線參數，實現等離子體天線快速動態(tài)可調，使其可以作為智能天線.

（2）等離子體八木天線在AIS通信頻段上可以在不施加任何匹配網絡的情況下，僅通過調整等離子體狀態(tài)便可實現阻抗匹配.

（3）等離子體八木天線在功耗、電磁兼容、增益、可重構性等方面均有改善，并滿足AIS基站發(fā)射天線的通信需求，因此可以作為船舶定線制水域AIS基站的發(fā)射天線使用.

參考文獻：

[1]

張浩， 俞斌， 肖英杰， 等. 船舶定線制設計方案評價[J]. 上海海事大學學報， 2010， 31（3）： 59.

[2]黃常海， 肖英杰， 高德毅， 等. 定線制水域航行危險度評價模型及其應用[J]. 中國安全科學學報， 2014， 24（2）： 9399.

[3]劉軼華， 肖英杰， 關克平. 基于AIS海上交通調查的寧波舟山核心港區(qū)船舶定線制[J]. 上海海事大學學報， 2014， 35（1）： 15.DOI：10.13340/j.jsmu.2014.01.001.

[4]趙會超， 劉少斌， 孔祥鯤， 等. 等離子體八木天線的仿真與實驗研究[J]. 微波學報， 2014， 30（1）： 2023.

[5]RAYNER J P， WHICHELLO A P， CHEETHAM A D. Physical characteristics of plasma antennas[J]. IEEE Transactions on Plasma Science， 2004， 32（1）： 269281.

[6]黃方意， 時家明， 袁忠才， 等. 基于等離子體的定向天線陣理論與實驗研究[J]. 物理學報， 2013， 62（15）： 155201.

[7]BELYAEV B A， LEKSIKOV A A， LEKSIKOV A A， et al. Nonlinear behavior of plasma antenna vibrator[J]. IEEE Transactions on Plasma Science， 2014， 42（6）： 15521559.

[8]梁志偉， 趙國偉， 徐杰， 等. 柱形等離子體天線輻射特性的矩量法分析[J]. 電波科學學報， 2008， 23（4）： 749753.

[9]袁忠才， 時家明， 余桂芳. 表面波激勵等離子體天線的原理與實現[J]. 電子信息對抗技術， 2006， 21（4）： 3841.

[10]宋錚， 張建華， 黃冶. 天線與電波傳播[M]. 2版. 西安： 西安電子科技大學出版社， 2011： 88.

[11]KRAUS J D. 天線[M]. 章文勛， 譯. 3版. 電子工業(yè)出版社， 2006： 94.

[12]ZHANG Z T， ZHAO J S， XU X W， et al. Experimental study on the interaction of electromagnetic waves and glow plasma[J]. Plasma Science and Technology， 2011， 13（3）： 279285.

[13]趙建森， 張芝濤， 俞哲， 等. 一種基于5～20 kHz交流激勵的U形等離子體天線[J]. 物理學報， 2012， 61（19）： 301307.

[14]趙建森， 張芝濤， 徐曉文， 等. 等離子體陣面吸收與反射電磁波的實驗探索[J]. 廣東工業(yè)大學學報， 2011， 28（1）： 9497.

（編輯趙勉）