船用可調(diào)式倒L VHF天線設(shè)計

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(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

船用VHF天線從棒狀天線、鞭狀天線到套筒天線的發(fā)展歷程印證了對高性能的VHF天線的迫切需求，然而，雖然船用天線的電參數(shù)如全向性、增益等得到了極大提高，但同時其復(fù)雜性及價格也有不同程度的提高，目前船舶普遍使用的依然是結(jié)構(gòu)簡單、便于維護但性能不太突出的單極棒狀天線[1]。由于單極棒狀天線的窄帶寬特性限制了天線的多頻段運用，新式簡易的船舶寬帶天線有應(yīng)用需求[2]。基于平面倒F天線(PIFA)在手機射頻波段已有應(yīng)用，倒F天線可以看作是倒L天線(ILA)并聯(lián)一個等效為電感的接地分支，考慮將倒L結(jié)構(gòu)遷移至船舶VHF頻段作為天線基本形式，通過HFSS電磁軟件仿真分析倒L天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)、倒L天線特性參數(shù)與天線電特性的關(guān)系。

1 倒L單極天線機理

在VHF的中心頻段其阻抗匹配特性極差，帶寬極窄，對于工作頻率越來越低的情況，要想完全滿足λ/4垂直高度和全尺寸輻射導(dǎo)線尺寸條件愈加困難[3]。同時，若天線高輻射效率得以保持，天線的變短會帶來更高的品質(zhì)因數(shù)Q值，帶寬會進一步降低[4]。由于更高輻射阻抗值會帶來更高效率，電容頂端負載的方法可以用來對減少的天線尺寸進行補償，使垂直單極子天線調(diào)諧至諧振狀態(tài)，在天線頂端的垂直部分加一定長度的導(dǎo)線就形成了倒L天線。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于在移動端的ILA的研究及其特性[5-6]，設(shè)計船用倒L單極VHF天線，結(jié)構(gòu)示意于圖1。

圖1 倒L天線結(jié)構(gòu)示意

使用ANSYS HFSS軟件對ILA進行參數(shù)化建模，垂直輻射體的半徑為r1，長度為L1，頂端水平容性負載半徑為r2，長度為L2，r1等于r2，激勵饋電點端口設(shè)置端口阻抗為50 Ω的集總端口，端口輸入功率為1 W，積分路徑從接地上表面到垂直輻射體下表面，以Zpi端口為計算形式，使用終端驅(qū)動的求解模式，在距離天線的外表面λ/2處Boundaries設(shè)置為輻射吸收邊界(radiation)。采用HFSS搭建的仿真模型見圖2。

圖2 倒L天線HFSS仿真模型

3 影響因素分析

3.1 天線體結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，改變天線垂直輻射體長度L1，L1的選擇從500～1 000 mm，以100 mm為間距進行線性參數(shù)掃描掃頻分析。L1對天線自反射S(1,1)參數(shù)的影響見圖3。S(1,1)是對天線的輻射性能最好的標準參數(shù)，S(1,1)越小表明天線射頻能量反射越小，輻射能量越大，故選擇S(1,1)參數(shù)作為文章的天線主性能評價指標。

圖3 L1參數(shù)掃描S(1,1)-f曲線

由圖3可見，在S(1,1)<-10 dB時，隨著L1的逐漸增大，天線諧振頻點逐漸左移，諧振頻率逐漸變小，天線帶寬逐漸變窄，其端口阻抗逐漸變小直到諧振頻率點迅速增大，反射波系數(shù)在諧振點達到極小值，實現(xiàn)與50 Ω傳輸線達到匹配。

對等效為頂端水平容性負載的長度L2進行參數(shù)掃頻分析，L2從700～1 100 mm，S(1,1)變化見圖4。

圖4 L2參數(shù)掃描S(1,1)-f曲線

由圖4可見，容性頂端負載體L2的長度變化可以實現(xiàn)對諧振頻點的轉(zhuǎn)移，對天線帶寬的影響程度不大，較小程度的改變天線的輸入阻抗，可以在改變諧振頻率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)天線的較好的端口匹配特性。同時L2的掃頻變化可以產(chǎn)生較好的雙頻效果，值得重視。

同理，對垂直輻射體半徑r1進行參數(shù)掃描掃頻分析，掃頻范圍從14～30 mm，步長為2 mm，得到其S(1,1)自反射變化見圖5。

圖5 r1參數(shù)掃描S(1,1)-f曲線

由圖5可見，垂直輻射體的半徑r1對天線端口的自反射系數(shù)影響較小，天線的諧振頻率、帶寬、端口阻抗變化極小，可以視為不影響天線的特性參數(shù)。為了適用于船舶領(lǐng)域，在一般船舶上選取半徑為30 mm的鋼纜作為仿真半徑。

3.2 天線的地面效應(yīng)影響

1)對接地材料影響因素進行分析，射頻電流在不同材料中流過時，接地板相當于等效電容C和分流電阻R的并聯(lián)，希望得到極大的R和適中的C，射頻電流在R上產(chǎn)生損耗，以此分析不同接地材料對天線近場效應(yīng)的影響。

地面效應(yīng)等效電路圖見圖6，R和C與接地材料的屬性相關(guān)，R和C的存在是為了盡量減少接地射頻電流存在。

圖6 地面等效電路

仿真選用的接地材料特性見表1。

表1 接地材料特性

由下式計算趨膚深度[7]。

(1)

式中：δ為趨膚深度，m；ω=2πf，f為頻率，Hz；δ為電導(dǎo)率，S/m；ε為介電常數(shù)，F(xiàn)/m；μ為磁導(dǎo)率，H/m。

在距離地表面20 mm處設(shè)置一個平面，其表面電流分布見圖7。

圖7 地面20 mm處平面電流幅值分布

可以看出兩者電流分布(相位0°)均為激勵點處電流極大，但是由于銅的更深趨膚深度，銅表面的電流更大，作為鏡像的表面與天線輻射體之間互相耦合，天線的輻射電阻進一步增大，天線的輸入阻抗增大，輻射品質(zhì)因數(shù)Q值更低，但是輻射效率更大。

如圖8可見，接地材料的變化在諧振點處的確造成了端口的反射系數(shù)增大約6 dB，阻抗匹配性能降低，天線傳輸效率降低。

圖8 銅、鐵地面S(1,1)-f曲線

2)對不同的饋點高度影響因素分析。天線向下的輻射被地面反射，反射信號方向豎直向上，穿過天線感應(yīng)電流。發(fā)射機的激勵電流與反射感應(yīng)電流的相位與饋電點與地面的高度(電特性)有關(guān)，天線的輸入阻抗受到天線距地高度的影響。改變饋電點的高度gap，研究分析饋電點高度對天線的電性能影響，S(1,1)參數(shù)隨著饋電高度gap(1～901 mm,步長100 mm)的變化見圖9。

圖9 不同饋電點高度S(1,1)-f曲線

由圖9可見，天線的架設(shè)距地高度極大影響匹配特性，天線的地面回波在天線表面感應(yīng)電流，不同的饋電高度對應(yīng)與不同的相位電流，疊加或者削減，從而產(chǎn)生圖9中某個頻點諧振其他位置回波損耗增大，天線電性能受饋電點位置影響，在天線結(jié)構(gòu)受限情況下，饋電位置選擇頗為重要，觀察不同相位電流分布圖以最大電流處作為饋電點。

4 天線的參數(shù)標定

依據(jù)上述分析，設(shè)計機械調(diào)節(jié)機制，主要根據(jù)L1和L2的長度，見圖10。

圖10 機械可調(diào)式倒L天線設(shè)計

2條鋼制有刻度標記滑軌以實現(xiàn)對鋼纜的長度的控制，使用同軸電纜饋電，增加可調(diào)節(jié)微電容器對天線實現(xiàn)微量的底端加載，收線盒實現(xiàn)對多余長度鋼纜的存儲，滑軌的移動實現(xiàn)輻射體的長度調(diào)節(jié)。

對上述調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行以下頻段(見表2)的標定，讓天線調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行稍微運動(L1、L2變化)，使其工作更多的頻段，等效于寬帶處理。

由于大多數(shù)船用VHF頻段工作于160 MHz左右，使用ANSYS HFSS的Optimetrics功能，得到天線工作在160 MHz頻段天線的具體參數(shù)如下：L1=901 mm，L2=559 mm，gap=gap1=30 mm，r1=r2=20 mm。

表2 頻段標定表

圖11 S(1,1)-f曲線

由圖11可見，該優(yōu)化尺寸天線在船用VHF頻段(156～165 MHz)的中心頻段160 MHz頻點處產(chǎn)生諧振，在滿足S(1,1)<-10 dB的反射條件下，該天線的工作帶寬在152 MHz到168 MHz之間，滿足船用通信頻段，驗證了結(jié)構(gòu)可行性。

5 結(jié)論

倒L結(jié)構(gòu)在船用VHF頻段的運用從仿真層面看具有可行性；作為天線主輻射體的長度可以有效的對天線諧振點進行調(diào)節(jié)，對帶寬影響較大且其長度在可允許的范圍之內(nèi)；作為容性的頂端負載，其長度的變化可以實現(xiàn)對諧振曲線的有效平移，幾乎不影響天線的有效帶寬；輻射半徑對天線的電性能幾乎無影響；對地面材料和饋電點高度進行研究，得到不同材料趨膚深度不同影響其作為“鏡面”表面電流，鏡像極天線電流強度得以重分布，但諧振頻點不變化；饋電點高度的不同決定輻射體內(nèi)二次電流的相位，決定天線的電參數(shù)；對可調(diào)節(jié)式天線頻段進行了標定，繪制了參數(shù)標定表；對船用VHF通信頻段天線進行了參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果令人滿意。