適用于復雜氣象條件中的大環螺旋天線設計與優化*

張樹偉 信 陽 王孝華 王世宇

（1.中國人民解放軍92132部隊 青島 266071）（2.成都信息工程大學大氣科學學院 成都 610225）（3.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

水下航行器能夠通過漂浮在海面上的超高頻拖曳天線接收衛星信號［1］。當通信衛星與拖曳天線之間的信道環境發生變化時，超高頻衛星信號在此信道中的傳播過程隨之發生變化。海水是超高頻電磁波的良導體，加之海水空氣濕度大、含鹽量高，因此海上的氣象環境對于超高頻拖曳天線有著較大的影響［2～4］。

一般來講，海上的復雜氣象條件對于超高頻拖曳天線的具體影響具體表現在電磁波在雨水中的衰減、在高出天線部分海浪中的衰減和動態海浪對天線姿態的影響［5］。

圖1為水下航行器通過超高頻拖曳天線與衛星通信的示意圖。

本文首先根據拖曳線纜的內部空間結構，設計出大環螺旋天線，然后基于FEKO電磁仿真軟件對大環螺旋天線進行了仿真計算。

圖2為拖曳線纜末端的漂浮線纜，內部包括天線、記憶金屬和浮力泡沫［6］。通電后，記憶金屬會形成“圈”型，提高拖曳天線在海面上的穩定性。該“圈”型結構能夠有效避免超高頻拖曳天線被海水淹沒，是衛星在超高頻頻段與水下航行器通信的現實基礎。

圖2 “圈”型記憶金屬浮力線纜

2 理論分析

超高頻衛星與拖曳天線進行通信時，信道主要包括空氣、云層和降雨［7］。因此選用抗雨衰效果較好的Ku波段電磁波進行通信設計。

因為電場在水下的傳播損耗較大，磁性天線在近海面空間相較于電天線更具優勢［8］。在超高頻頻段，沒有合適的磁性材料可以采用，只能通過提高工作頻段的方式，使得天線體積滿足能置入拖曳線纜內部的要求［9］。

一般磁性天線的方向圖與電偶極子天線的方向圖類似，呈現“8”字形，在天線軸向方向存在增益極低的方向圖缺口［10］。如圖3和圖4所示，大環天線與小環螺旋天線的方向圖為相互正交的“8”字形圖。

圖3 大環天線的方向圖

圖4 小環螺旋天線（磁棒）的方向圖

在復雜氣象條件中，天線姿態隨海浪動態變化，“8”字形的方向圖不能有效接收來自可能任意一個方向的電磁波［11］。本文通過將大環天線與小環螺旋天線相結合，設計出大環螺旋天線并進行優化。

在Ku頻段，磁性天線能夠滿足天線的外形要求［12］。對典型磁性天線的磁環大小進行改進，使得磁環相對于電磁波波長為電大環；采用兩組旋轉方向相反的螺旋磁環相接，降低線圈之間的感應電場，組成反射系數更低、增益更高的磁性天線。圖5為大環螺旋天線的結構示意圖。

圖5 大環螺旋天線的結構示意圖

將電磁波在空氣中的波長取值設為λ1；將電磁波在海水中的波長取值設為λ2。大環螺旋天線結構中的磁環直徑為工作頻率對應的電磁波在空氣中的半波長，即使得磁環相對于電磁波波長為電大環；采用兩組旋轉方向相反、匝數相同的兩組螺旋磁環對稱相接；在天線下方采用長度為g的短連接線和長度為l的直線振子將螺旋線圈首尾相接；g為電磁波在海水中的半波長，即g=λ2/2。因為電磁波在海水中的波長遠小于電磁波在空氣中的波長，將短連接線的取值定為g=λ2/2，有利于直線振子與線圈之間產生感應電流。

兩組螺旋磁環的電感量如圖所示分別為L1和L2。若兩組螺旋磁環的旋轉方向相同，則線圈的總電感值為

由式（3）可知，兩組旋轉方向相反的螺旋線圈相接時，電感值大于零且小于兩組旋轉方向相同的線圈。

所以本文設計的大環螺旋天線具有感抗值更低，即反射系數更低的優點。

在Ku頻段，取12.75GHz為設計頻率，通過增大磁環半徑，設計出大環螺旋天線。天線長度和圓環直徑均取值為半波長。通過對比不同匝數的天線性能，將大環磁性天線的匝數確定為10匝。

3 仿真驗證

圖6為大環螺旋天線的增益立體圖和表面分布圖。從圖中可以看出，大環螺旋天線的方向圖，相對于磁棒天線的“8”字形方向圖，在天線軸向方向的增益得到了較大補償。大環螺旋天線的全向性較磁棒天線和大環天線的全向性有所提升，但仍存在改進空間。

圖6 大環螺旋天線的增益立體圖和表面分布圖

圖7為大環螺旋天線的反射系數隨頻率變化關系。按照電磁波理論半波長設計的大環螺旋天線，諧振頻率偏移至14.3GHz。調整大環螺旋天線的諧振頻率有以下幾種方法：減少線圈匝數、延長天線長度等。

圖7 大環螺旋天線的反射系數

圖8、圖9分別為根據以上兩種方法對大環螺旋天線性能的諧振頻率調整結果。圖8中4、6、8分別代表線圈匝數。對比圖8和圖9可以看出，匝數只能在小范圍調整。調整匝數不能完全將天線諧振頻率調整至工作頻率。從圖8和圖9可以看出，8匝的大環磁性天線諧振頻率由14GHz調整至了11.8GHz。通過調整天線長度對諧振頻率進行調整的方法，對天線諧振頻率的影響較大。圖10和圖11是在線圈匝數為8的基礎上對天線長度進行調整。

圖8 線圈匝數對大環螺旋天線諧振頻率的影響

圖9 天線長度縮短2mm時的反射系數

結合圖7～9可知，通過調整線圈匝數的諧振頻率方法為“微調”，調節天線長度的方法為“粗調”。將微調與粗調相結合，設計天線匝數為10匝，天線長度較半波長延長2mm。所得天線性能如圖10、圖11所示。對比圖6與圖10，優化后的大環磁性天線全向性得到了顯著提升。

圖10 優化后大環螺旋天線的方向圖與增益

圖11 優化后大環螺旋天線的反射系數

綜上所述，得知大環螺旋天線的全向性較磁棒天線和大環天線等典型磁性天線有較大改善，能夠在復雜的氣象環境中保持全向性。

4 結語

本文概述了復雜氣象條件對于超高頻空對潛通信產生影響的具體因素；根據天線原理和拖曳線纜實際空間設計了大環螺旋天線結構；通過FEKO電磁仿真軟件對Ku波段大環螺旋天線的增益、方向性和反射系數進行了仿真計算；多次對比不同結構參數的Ku波段大環螺旋天線性能，并對其進行優化。優化后Ku波段大環螺旋天線的增益為8dBi，諧振頻點處的反射系數低于0.3，全向性較好，能夠在復雜氣象環境引起的動態海浪中接收來自衛星的超高頻信號。