韓 嘯，王 嬌，楊曉樂，鄧羽捷，梁俊杰，于 洋

（1.海軍研究院，北京100161；2.中國(guó)人民解放軍91208部隊(duì)，山東 青島266102；3.江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢430056；4.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢430033；5.海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)，湖北 武漢430033）

0 引 言

長(zhǎng)波波段（頻率為30～300 kHz）的電磁波穿透性強(qiáng)、衰減小，因此通常被應(yīng)用于羅蘭C導(dǎo)航、授時(shí)和水下通信等方面[1]。目前，長(zhǎng)波天線的主要形式有岸基固定天線、氣球天線和機(jī)載拖曳天線。其中，岸基固定天線陣龐大，抗毀性差；氣球天線機(jī)動(dòng)性差且受天氣的影響大；機(jī)載拖曳天線（如美國(guó)的TACAMO系統(tǒng)）則需要利用固定翼飛機(jī)，且對(duì)地面場(chǎng)站保障維護(hù)要求高。因此，設(shè)計(jì)一種靈活機(jī)動(dòng)、在不同環(huán)境下適用性強(qiáng)的長(zhǎng)波天線十分必要，而基于小型平臺(tái)的懸掛式長(zhǎng)波天線可以很好地避免上述問題[2]。

通常情況下，長(zhǎng)波發(fā)射天線是一種電小天線，輸入容抗大，必須在天線與發(fā)射機(jī)之間接入調(diào)諧單元，實(shí)現(xiàn)天線輸入阻抗與發(fā)射機(jī)輸出阻抗之間的良好匹配，以此提升天線的輻射效率。

本文針對(duì)懸掛式長(zhǎng)波天線在海洋環(huán)境中不同電長(zhǎng)度、不同傾斜度以及下端是否接入海水等情況，對(duì)天線的電氣性能進(jìn)行了仿真研究，為天線調(diào)諧器的應(yīng)用和天線的選擇提供了依據(jù)，并可為調(diào)諧算法的設(shè)計(jì)提供參考。

1 兩種天線模型的建立

平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性和在不同環(huán)境下的強(qiáng)適用性決定了搭載的長(zhǎng)波天線應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于快速收放。因此，本文建立了兩類天線模型。兩類模型均由單根天線和饋源構(gòu)成，可以達(dá)到快速收放、長(zhǎng)度可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的要求，主要區(qū)別在于天線下端是否接地。由于本文提到的長(zhǎng)波懸掛天線主要應(yīng)用于海洋環(huán)境下，因此建立模型時(shí)部分參數(shù)參考如下：海水的相對(duì)介電常數(shù)取81、導(dǎo)電率取4 S/m、相對(duì)磁導(dǎo)率取1，在長(zhǎng)波頻段可以視為良導(dǎo)體[3]。

1.1 模型一

模型一主要由電長(zhǎng)度為λ/4的天線和饋源組成。發(fā)信、調(diào)諧及供電設(shè)備位于天線下端，可以起到下置重物以穩(wěn)定天線的作用。發(fā)信機(jī)一端接天線，構(gòu)成上輻射體，另一端接吊艙外殼，構(gòu)成下輻射體。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 模型二

模型一在天線末端掛置饋源，距離海平面有一定的距離。在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，使饋源底端通過導(dǎo)線接入海水接地。由于天線底端直接接地，天線形式由雙極天線變?yōu)閱螛O天線[4]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 天線模型一

圖2 天線模型二

2 仿真結(jié)果

長(zhǎng)波懸掛天線高度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，所以天線的效率很低。通過天線的特性阻抗可以決定調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置，準(zhǔn)確地對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧使其達(dá)到最佳匹配性能，從而提升天線效率。因此，分析天線的阻抗特性和效率變化十分必要。本文通過FEKO軟件對(duì)上述兩種模型的阻抗特性和天線效率進(jìn)行了仿真計(jì)算，模型如圖3所示。

圖3 仿真軟件中建立的模型

2.1 阻抗特性

天線的輸入阻抗Zi定義為天線的輸入端電壓Ui與電流Ii之比，由輸入電阻Ri和輸入電抗Xi兩部分組成，即：

天線的輸入電阻Ri包括輻射電阻Rr和損耗電阻Rl兩部分。輸入電抗Xi是天線體分布電感和分布電容在輸入端的體現(xiàn)。電阻分量反映了天線向自由空間輻射的實(shí)功率，而電抗分量則反映了儲(chǔ)存于天線附近的虛功率，因此在調(diào)諧時(shí)需減少電抗分量，提高輻射效率。通過天線的阻抗特性，可以分析天線的輻射性能，也便于后續(xù)的天線調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2.1.1 不同電長(zhǎng)度

根據(jù)小型搭載平臺(tái)的限制，一般天線長(zhǎng)度為500～1 000 m，饋源位于天線末端，底端距離海平面1 m。通過改變信號(hào)的頻率，不同的頻率即對(duì)應(yīng)不同的電長(zhǎng)度。在頻率為30～300 kHz的長(zhǎng)波波段，天線對(duì)應(yīng)的電長(zhǎng)度為0.06λ～0.6λ，天線的阻抗特性如圖4～圖7所示。

圖4 模型一輸入電阻隨天線電長(zhǎng)度變化的情況

圖5 模型一輸入電抗隨天線電長(zhǎng)度變化的情況

通過圖4～圖7可以得知：

（1）電阻分量?jī)煞N天線變化趨勢(shì)一致。在長(zhǎng)波波段，隨著電長(zhǎng)度的增大，天線的電阻分量逐漸增加，在電長(zhǎng)度達(dá)到λ/2時(shí)接近最大值，之后急劇降低。特別要說明的是，本文中的模型一由于設(shè)計(jì)成不對(duì)稱振子，構(gòu)成了不對(duì)稱激勵(lì)天線，其阻抗特性可以等效為兩個(gè)分別以上、下臂長(zhǎng)為高度的單極天線的疊加，致其電阻分量相對(duì)模型二較高[5]。

圖6 模型二輸入電阻隨天線電長(zhǎng)度變化的情況

圖7 模型二輸入點(diǎn)抗隨天線電長(zhǎng)度變化的情況

（2）電抗分量?jī)煞N天線表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。模型二下端接地，等效于上半自由空間的對(duì)稱振子，因此其電抗特性符合對(duì)稱振子的電抗特性。隨著電長(zhǎng)度從0開始不斷增大，天線的容抗不斷減小，過零點(diǎn)后變?yōu)楦行?，感抗不斷增大，到達(dá)最大值后急劇減小，過第二個(gè)零點(diǎn)回到容性狀態(tài)，達(dá)到容抗最大值后，重復(fù)上述過程。模型一的上臂與下臂長(zhǎng)度相差很大，導(dǎo)致容抗巨大，在數(shù)值上達(dá)到105～106數(shù)量級(jí)。隨著電長(zhǎng)度的增大，電抗分量不斷趨近于0。

為了驗(yàn)證上述結(jié)果的普適性，修改天線長(zhǎng)度，相應(yīng)改變天線的電長(zhǎng)度，通過仿真得到如圖8～ 圖11所示的阻抗特性。

圖8 模型一輸入電阻隨天線電長(zhǎng)度變化的情況

圖9 模型一輸入電抗隨天線電長(zhǎng)度變化的情況

圖10 模型二在不同電長(zhǎng)度下輸入阻抗的變化情況

圖11 模型二在不同電長(zhǎng)度下輸入阻抗的變化情況

經(jīng)驗(yàn)證，天線長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，天線電長(zhǎng)度隨之改變，結(jié)論依舊有效。

2.1.2 不同傾斜角度

由于天線高度高、線徑細(xì)，在實(shí)際使用過程中會(huì)受到搭載平臺(tái)的移動(dòng)、風(fēng)等因素的影響，所以分析發(fā)信天線在不同傾斜度情況下的電氣性能很有必要。以天線長(zhǎng)度600 m、電長(zhǎng)度λ/4在傾斜0°～75°的情況下進(jìn)行仿真分析，alpha定義為天線傾斜時(shí)與海平面法線的夾角。傾斜角度改變情況下的阻抗特性如圖12所示。

由圖12可知，兩類天線模型電阻特性變化趨勢(shì)一致，而電抗特性不一致。天線在傾斜角度發(fā)生變化時(shí)，電阻分量減小；由于仿真選擇的天線電長(zhǎng)度為λ/4，單極天線處于第一諧振點(diǎn)附近，隨著傾斜角度的增大，第一諧振點(diǎn)前移；雙極天線在不同電長(zhǎng)度下一直呈容性，隨著傾斜角度的增大，容抗不斷減小，其阻抗特性也發(fā)生了前移。經(jīng)分析，阻抗特性前移是由于天線的傾斜導(dǎo)致天線的有效高度降低，使天線電長(zhǎng)度l/λ減小。

由圖12可以看出，單極天線在傾斜30°時(shí)電阻分量降為直立狀態(tài)的79.10%，電抗分量為原來(lái)的66.49%；而雙極天線電阻分量降為直立狀態(tài)的79.23%，電抗分量為原來(lái)的99.53%。為了保持天線的輻射效率，應(yīng)盡量使天線在直立狀態(tài)下工作。

2.2 天線效率

天線的輻射效率ηα滿足下列關(guān)系式：

圖12 在傾斜0°～75°輸入阻抗變化情況

式中Pai、Pr、Pal分別為天線的輸入功率、輻射功率和損耗功率，Rr、Ral為天線的輻射電阻和損耗電阻。

以電長(zhǎng)度為0.06λ～0.6λ的單極懸掛天線為例，對(duì)天線的輻射效率進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖13所示。

圖13 在不同電長(zhǎng)度天線效率變化情況

由圖13可知，單極天線隨著天線電長(zhǎng)度的增大，天線效率不斷升高，在λ/2左右達(dá)到最大值69.98%，之后天線效率隨電長(zhǎng)度的增大而降低；雙極天線的效率穩(wěn)定在40%左右，在電長(zhǎng)度達(dá)到λ/2后由于天線接近第二諧振點(diǎn)，輸入阻抗變化明顯，天線效率變化劇烈，因此電長(zhǎng)度達(dá)到λ/2后的數(shù)據(jù)無(wú)參考意義。

經(jīng)過分析仿真數(shù)據(jù)，可以初步對(duì)天線的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行估值。調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化圖如圖15所示，其中Za=Ra+jXa為天線輸入阻抗，X1為電抗元件的電抗，Zin=Rin+jXin為匹配后的阻抗。當(dāng)天線呈容性時(shí)，滿足：

可以看出，長(zhǎng)波天線效率低[5]，小型平臺(tái)提升輻射效率的難度高，因此對(duì)天線的選擇和調(diào)諧匹配的性能提出了更高的要求。

2.3 天線模型的選擇

由于海上使用條件的限制和調(diào)諧匹配的便利性，應(yīng)當(dāng)選擇阻抗特性中電阻分量和電抗分量小的單極天線。在天線電長(zhǎng)度方面，在使用單極天線時(shí)應(yīng)盡量滿足電長(zhǎng)度在λ/4左右。受到大風(fēng)大浪等天氣環(huán)境因素的影響，天線會(huì)發(fā)生傾斜，導(dǎo)致天線阻抗特性變化，故應(yīng)盡量使天線保持直立。天線呈容性且容抗大，因此在調(diào)諧時(shí)應(yīng)主要考慮通過電感抵消天線的容抗，且在調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中注意過壓?jiǎn)栴}。

3 調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

天線調(diào)諧器進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，通常用電壓反射系數(shù)Γ和駐波比系數(shù)VSWR描述發(fā)射機(jī)與天線的匹配狀態(tài)。因此，定義[6]：

其中Γ為反射系數(shù)；VSWR為駐波比系數(shù)，反映了天線阻抗與發(fā)射機(jī)阻抗的配諧程度。配諧越好，反射系數(shù)越小，駐波比系數(shù)也越小。

天線調(diào)諧基本原理：消除天線的電抗部分，將天線調(diào)諧在純阻區(qū)，利用變阻器T1將其調(diào)至純阻50 Ω，達(dá)到天線輸入阻抗與發(fā)射機(jī)輸出阻抗的匹配。因此，根據(jù)前文中的仿真數(shù)據(jù)，針對(duì)天線的阻抗特性主要呈容性的特點(diǎn)，調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)采用調(diào)電感為主的調(diào)諧方式。當(dāng)天線呈容性時(shí)，利用串聯(lián)電感L將其調(diào)至純阻區(qū)，再利用變壓器T1調(diào)諧至匹配狀態(tài)；若天線呈感性時(shí)，采用T型匹配網(wǎng)絡(luò)，利用串、并聯(lián)電容C1、C2將其調(diào)至容性后，再按照天線呈容性時(shí)的調(diào)諧方法進(jìn)行匹配調(diào)諧。調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式如圖14所示。

圖14 調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)

圖15 調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化圖

若要使Z1呈純阻性，則需Xa+X1=0，即X1=-Xa， 然后利用變壓器T1將電阻調(diào)至50 Ω附近。根據(jù)FEKO仿真天線輸入阻抗的數(shù)據(jù)可知，在30～300 kHz 的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以單極懸掛天線在電長(zhǎng)度λ/4的情況為例進(jìn)行計(jì)算。由X1=2πfL可計(jì)算得L=22.92 μH， 從而得出天線呈容性時(shí)電感參數(shù)范圍為22.92 μH ～2.2 mH。

根據(jù)設(shè)計(jì)，繞制1 μH～2mH共計(jì)11個(gè)電感線圈串聯(lián)在匹配網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)電感并聯(lián)一個(gè)電磁繼電器，用電磁繼電器控制串聯(lián)電感的數(shù)量和大小。電磁繼電器的開閉由單片機(jī)控制，控制信號(hào)由4位二進(jìn)制數(shù)組成，每種排列方式均為唯一碼。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有長(zhǎng)波發(fā)信系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性差、保障成本高的特點(diǎn)，提出了兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于海洋環(huán)境的可快速收放的長(zhǎng)波天線模型。利用FEKO軟件對(duì)其電氣性能進(jìn)行仿真，并通過深入研究天線傾斜角度、不同電長(zhǎng)度對(duì)其電氣性能的影響，給出了天線設(shè)計(jì)和海洋環(huán)境下的使用意見：下端接入海水的單極底饋天線較不接入海水的雙極中饋天線效果好；天線的傾斜程度會(huì)使輻射性能降低，但不是主要影響因素；不同電長(zhǎng)度會(huì)影響天線的輻射效率，使用中可以調(diào)整天線長(zhǎng)度，以保證最好的輻射效率。

最后考慮到小型長(zhǎng)波天線容抗大的特點(diǎn)，選擇主要以電感為主的調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)，通過大電感消除其容抗，使其達(dá)到匹配狀態(tài)；對(duì)調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，使其可以通過單片機(jī)自動(dòng)調(diào)諧，比傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)更準(zhǔn)確快速。