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(shù)的發(fā)展，催生出集成化上層結(jié)構(gòu)設(shè)計新思路。相應(yīng)地，水面艦船對通信、雷達等無線電天線提出了“隱形”設(shè)計要求。運用集成天線技術(shù)進行天線平面化、集成化設(shè)計，將天線設(shè)計成平面式陣列天線嵌入、集成到上層結(jié)構(gòu)中，使天線設(shè)計與艦體隱身設(shè)計有機地結(jié)合起來并組成一體化結(jié)構(gòu)，成為艦船天線技術(shù)的重點發(fā)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(shè)計成為艦船集成天線的技術(shù)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(tǒng)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(tǒng)往往要求在很寬的頻率范圍內(nèi)開通多個信道，分別完成不同的通信任務(wù)。而平臺載體上可供安裝天線的空間有限，為了減少天線數(shù)量，就必須廣泛使用寬頻帶天線。集成天線技術(shù)將多種輻射單元集成在尺寸更小的空間進行綜合設(shè)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(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

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(jié)構(gòu)，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(yīng)用于超短波頻段時，天線尺寸太大[9-10]。針對不同的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yù)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(cè)面，與艦船艙壁或封閉桅桿構(gòu)成一個整體，實現(xiàn)隱身功能。

2． 天線設(shè)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(gòu)成，具有一維小尺寸的平面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，下輻射面采用指數(shù)漸變梯形結(jié)構(gòu)；上、下輻射面構(gòu)成準電磁互補結(jié)構(gòu)，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(chǔ)，直接從概括電磁場普遍規(guī)律的麥克斯韋旋度方程出發(fā)，將其轉(zhuǎn)換為差分方程組，在一定體積內(nèi)和一段時間上對連續(xù)電磁場的數(shù)據(jù)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(dǎo)體，即將處于該天線輻射體上網(wǎng)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(jié)構(gòu)，其邊界與網(wǎng)格邊界不重合，在對天線建模時需采用共形網(wǎng)格的處理方法。

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

仿真計算時，設(shè)置的參數(shù)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(dāng)H1=1.44 m，H2=1.80 m時，保持其他參數(shù)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(dāng)W1=1.35 m，W2=0.90 m時，保持其他參數(shù)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(jié)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(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實現(xiàn)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(jié)果

根據(jù)設(shè)計分析的結(jié)果，天線的各個參數(shù)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(nèi)，天線的電壓駐波比仿真結(jié)果均在2.9以下，如圖6所示。

根據(jù)仿真模型，實際制作的平面非對稱偶極天線，上、下導(dǎo)體均為左右對稱的平面結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)移至底部，天線結(jié)構(gòu)如圖4所示。饋電結(jié)構(gòu)與下導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)上構(gòu)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(jié)構(gòu)上，與安裝平臺共形。

圖4 天線結(jié)構(gòu)

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(jié)果基本一致。在13.3∶1的頻帶寬度內(nèi)，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(jié)果，圖7(b)為YZ面(φ=90°)的仿真結(jié)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(xiàn)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(jié)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(jié)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?yōu)闄E圓直至蛻變?yōu)槊坊ㄐ螤睢?/p>

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(shù)，且滿足n≥72。 水平面方向圖失真度σ的計算結(jié)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(shè)計規(guī)范，滿足天線全向輻射技術(shù)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(jié)果，兩者吻合較好。

圖11 水平方向增益

4． 結(jié) 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(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(yīng)用中，全向?qū)拵炀€輸入阻抗(電壓駐波比)對天線結(jié)構(gòu)尺寸的變化較為敏感，而結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)果的準確性。

本文所述的寬帶天線，通過上、下輻射面構(gòu)成準電磁互補結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(tǒng)的需求，具有較好的實用價值。

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