袁秋夢(mèng)+梁澤鵬+趙滿(mǎn)堂+諶浩+唐新翻+趙建森

【摘 要】根據(jù)等離子體介電常數(shù)與電子密度的關(guān)系，利用HFSS，構(gòu)建AIS通信頻段等離子體引向天線模型。通過(guò)改變?cè)撃Ｐ偷入x子體參數(shù)、無(wú)源引向振子個(gè)數(shù)，對(duì)其進(jìn)行方向圖仿真。結(jié)果得到，當(dāng)關(guān)閉無(wú)源振子時(shí)，天線可作為全向天線；當(dāng)增加無(wú)源振子個(gè)數(shù)時(shí)，該天線定向性增大，方向圖主瓣變窄。同時(shí)，利用氣體放電管搭建等離子體八木天線，通過(guò)改變無(wú)源振子個(gè)數(shù)，天線增益明顯變化，顯示出良好的可重構(gòu)特性。

【關(guān)鍵詞】AIS；等離子體；可重構(gòu)；增益

0 引言

自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）在海事通信領(lǐng)域起到不可取代的作用[1]，然而AIS基站的發(fā)射天線研究并未得到應(yīng)有的重視。目前在我國(guó)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(nèi)實(shí)現(xiàn)信息群發(fā)，但也存在許多問(wèn)題：

1）我國(guó)成山角定線制水域內(nèi)，部分水域離岸距離在20海里以上，甚至有些水域離岸距離超過(guò)25海里。而全向性天線增益較低，這大大降低了AIS信息播發(fā)距離；

2）AIS基站通信系統(tǒng)中，全向性發(fā)射天線功率在20W以上，對(duì)周?chē)渡显O(shè)施及用戶(hù)產(chǎn)生較強(qiáng)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(shí)隙沖突，大大增加了VTS值班員的負(fù)擔(dān)。

因此，新的定線制水域提案中交代，AIS岸站采用VHF高增益定向天線以增強(qiáng)AIS基站和VHF岸站通信效果。

我們提出了將電控等離子體引向天線應(yīng)用到海事通信領(lǐng)域，將其作為定線制水域AIS基站的發(fā)射天線這一想法。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(dǎo)介質(zhì)的一種天線[2-3]。等離子體天線與金屬天線相比，具有重量輕、可隱身、可重構(gòu)等特點(diǎn)[4]。利用等離子體構(gòu)建引向天線時(shí)，當(dāng)無(wú)源振子全部關(guān)閉，天線系統(tǒng)只剩下有源振子，該天線為全向天線；當(dāng)改變等離子體參量和增加引向振子個(gè)數(shù)時(shí)，天線方向性動(dòng)態(tài)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域通信。相比于金屬引向天線，等離子體引向天線具有可重構(gòu)性和低互耦性等優(yōu)點(diǎn)。

1 AIS頻段等離子體天線模型

AIS基站等離子體引向天線模型包括：有源等離子體振子、無(wú)源等離子體振子。根據(jù)等離子體天線理論，假設(shè)等離子體軸向、徑向分布均勻，其相對(duì)介電常數(shù)？著r為：

當(dāng)信號(hào)頻率小于等離子體頻率時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)？著r<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(zhì)管內(nèi)表面之間以表面波的形式傳播，而沿徑向傳播的電磁波迅速衰減。這時(shí)，等離子體可以作為天線進(jìn)行電磁波的傳播。文獻(xiàn)[5]證明等離子體頻率遠(yuǎn)大于信息頻率。

利用HFSS構(gòu)建等離子體引向天線模型，根據(jù)公式（1）和（2），結(jié)合等離子體電子密度、碰撞頻率選取適當(dāng)介電常數(shù)，天線中心頻率分別選擇AIS的兩個(gè)通信頻率161.975MHz和162.025MHz。通過(guò)改變等離子體參量和引向振子個(gè)數(shù)對(duì)天線方向圖進(jìn)行仿真。等離子體引向天線模型如圖1所示。所設(shè)計(jì)的天線由一根有源振子、一根無(wú)源反射振子、三根無(wú)源引向振子構(gòu)成，因?yàn)闊o(wú)源振子超過(guò)五根，每多加一根，天線的增益變化不是很大。這里為了突出天線明顯的可重構(gòu)特性，只選用了三根無(wú)源引向振子。

為更加準(zhǔn)確的進(jìn)行仿真，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，如圖2所示。將金屬套環(huán)緊緊裹附在鋼化玻璃腔體外側(cè)，與內(nèi)部等離子體構(gòu)成耦合電容。通過(guò)改變無(wú)源振子工作狀態(tài)進(jìn)行仿真。同時(shí)，利用放電管搭建了等離子體天線實(shí)物模型。等離子體振子電子密度可通過(guò)調(diào)節(jié)電源工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3表示的是利用電源調(diào)節(jié)天線電長(zhǎng)度和等離子體參數(shù)。構(gòu)建等離子體引向天線主要是借助該天線的動(dòng)態(tài)可調(diào)控性。所以在此，主要側(cè)重于通過(guò)仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)來(lái)研究等離子體參數(shù)對(duì)八木天線阻抗、增益及方向性影響。

1.等離子體；2.放電管；3.金屬套環(huán)；4.介質(zhì)層；5.接地面；6.同軸線

圖 3 等離子體天線單一振子電控實(shí)體圖

2 仿真結(jié)果

2.1 不同等離子體參數(shù)下天線的輻射特性

在仿真中，選取等離子體電子密度范圍從1016m-3到1018m-3量級(jí)。因?yàn)殡娮用芏忍?，?duì)甚高頻段電磁波起作用不大，而現(xiàn)有的等離子體激勵(lì)源技術(shù)難以產(chǎn)生高密度的等離子體，目前文獻(xiàn)中所給出的輝光放電產(chǎn)生的最高電子密度約為1018m-3量級(jí)。當(dāng)電子密度減小時(shí)，由表1給出結(jié)果可知，天線半功率波束寬度（HPBW）變寬，增益與方向性系數(shù)減小?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整電子密度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)天線方向圖，而電子密度僅僅通過(guò)調(diào)節(jié)放電功率即可實(shí)現(xiàn)，這樣天線覆蓋區(qū)域的調(diào)節(jié)比金屬天線更加靈活。當(dāng)電子密度在1018m-3量級(jí)時(shí)，天線具有較高的增益，接近7.5dBi。我們利用HFSS軟件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8.3dBi左右。可見(jiàn)，高密度等離子體天線增益可以與金屬天線增益媲美。

表1 不同電子密度下天線垂直面半功率角及增益

2.2 引向振子個(gè)數(shù)對(duì)方向圖影響

當(dāng)關(guān)閉所有振子激勵(lì)源時(shí)，天線變成放電管，雷達(dá)散射截面很小，可以實(shí)現(xiàn)隱身，具有很高的軍事應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)無(wú)源振子全部關(guān)閉，只有有源振子工作時(shí)，天線為單極子天線，此時(shí)水平面方向性為全向性，可實(shí)現(xiàn)信息全向廣播。當(dāng)開(kāi)啟反射振子并改變引向振子個(gè)數(shù)時(shí)，定向性瞬間變化，通信區(qū)域也快速改變。當(dāng)無(wú)源振子全部關(guān)閉時(shí)，天線為半波對(duì)稱(chēng)振子天線，水平方向?yàn)槿蛐?。?dāng)開(kāi)啟全部無(wú)源振子（一個(gè)反射振子，三個(gè)引向振子）時(shí)，天線的指向性迅速變化，這說(shuō)明等離子體八木天線僅僅通過(guò)改變振子的工作狀態(tài)便可以實(shí)現(xiàn)全向和定向的快速變換。在AIS基站發(fā)射系統(tǒng)中，為了增大通信距離，有必要開(kāi)啟多個(gè)無(wú)源振子。

表2給出的是在開(kāi)啟一個(gè)反射振子的條件下，不同引向振子個(gè)數(shù)對(duì)等離子體八木天線垂直面方向圖主瓣HPBW的影響。當(dāng)關(guān)閉全部引向振子時(shí)，天線半功率角非常大，在110°左右，不斷增加反射振子個(gè)數(shù)時(shí)，天線的定向性增加，通信范圍變窄，半功率波束寬度減小，當(dāng)引向振子個(gè)數(shù)增加到3個(gè)時(shí)，HPBW減小到50°左右。因此，等離子體電子密度一定的條件下，通過(guò)改變無(wú)源振子個(gè)數(shù)，可以快速調(diào)整天線方向性，增加引向振子個(gè)數(shù)，天線方向圖中前向和后向的電場(chǎng)振幅比增大，定向性增大，半功率角變窄。但由于重量等原因不能一直增加振子個(gè)數(shù)，需折中考慮。這里僅給出了有源振子為半波對(duì)稱(chēng)振子，并含有三個(gè)引向振子的引向天線在AIS通信頻段下，通過(guò)改變振子個(gè)數(shù)，等離子體電子密度，天線方向性、通信覆蓋區(qū)域及增益的仿真結(jié)果。當(dāng)然，等離子體引向天線的性能也受振子長(zhǎng)度、振子間距等參數(shù)的影響，這些影響的研究目前正在進(jìn)行當(dāng)中。

表 2 引向振子個(gè)數(shù)對(duì)天線垂直面方向圖半功率角影響

3 等離子體引向天線增益實(shí)驗(yàn)分析

利用等離子體放電管根據(jù)文獻(xiàn)[2]制作等離子體八木天線，放電管長(zhǎng)度約為半波長(zhǎng)，反射振子長(zhǎng)度略長(zhǎng)，約0.6個(gè)波長(zhǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)放電管開(kāi)關(guān)電源，改變等離子體振子個(gè)數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)等離子體引向天線模型仿真和實(shí)驗(yàn)研究，得出：

1）通過(guò)改變等離子體電子密度，反射振子、引向振子個(gè)數(shù)及工作狀態(tài)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整天線的方向性、增益、輸入阻抗等天線參數(shù)，實(shí)現(xiàn)等離子體天線快速動(dòng)態(tài)可調(diào)。等離子體八木天線可以作為智能天線。

2）等離子體引向天線在AIS通信頻段率上可以在不施加任何匹配網(wǎng)絡(luò)的情況下，僅調(diào)整等離子體狀態(tài)便可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

3）等離子體引向天線在功耗、電磁兼容、增益、可重構(gòu)性等方面均能得到改善，并滿(mǎn)足AIS岸站發(fā)射天線通信需求，可以作為定線制水域AIS岸站的發(fā)射天線使用。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]