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        船用可調(diào)式倒L VHF天線設(shè)計(jì)

        2019-03-04 01:57:52,,,
        船海工程 2019年1期
        關(guān)鍵詞:饋電船用諧振

        ,,,

        (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(hù)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(yùn)用,新式簡易的船舶寬帶天線有應(yīng)用需求[2]?;谄矫娴笷天線(PIFA)在手機(jī)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(jī)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(jìn)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(fù)載的方法可以用來對減少的天線尺寸進(jìn)行補(bǔ)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(jì)

        基于在移動端的ILA的研究及其特性[5-6],設(shè)計(jì)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(jìn)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(fù)載半徑為r2,長度為L2,r1等于r2,激勵饋電點(diǎn)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(jì)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。

        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(diǎn)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(diǎn)迅速增大,反射波系數(shù)在諧振點(diǎn)達(dá)到極小值,實(shí)現(xiàn)與50 Ω傳輸線達(dá)到匹配。

        對等效為頂端水平容性負(fù)載的長度L2進(jìn)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(fù)載體L2的長度變化可以實(shí)現(xiàn)對諧振頻點(diǎn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行分析,射頻電流在不同材料中流過時,接地板相當(dāng)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(jì)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)的激勵電流與反射感應(yīng)電流的相位與饋電點(diǎn)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(diǎn)的高度gap,研究分析饋電點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)諧振其他位置回波損耗增大,天線電性能受饋電點(diǎn)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(diǎn)。

        4 天線的參數(shù)標(biāo)定

        依據(jù)上述分析,設(shè)計(jì)機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)制,主要根據(jù)L1和L2的長度,見圖10。

        圖10 機(jī)械可調(diào)式倒L天線設(shè)計(jì)

        2條鋼制有刻度標(biāo)記滑軌以實(shí)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(shí)現(xiàn)微量的底端加載,收線盒實(shí)現(xiàn)對多余長度鋼纜的存儲,滑軌的移動實(shí)現(xiàn)輻射體的長度調(diào)節(jié)。

        對上述調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行以下頻段(見表2)的標(biāo)定,讓天線調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行稍微運(yùn)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(biāo)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(diǎn)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(yàn)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(yùn)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(diǎn)進(jìn)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(fù)載,其長度的變化可以實(shí)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(diǎn)高度進(jìn)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(qiáng)度得以重分布,但諧振頻點(diǎn)不變化;饋電點(diǎn)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(jìn)行了標(biāo)定,繪制了參數(shù)標(biāo)定表;對船用VHF通信頻段天線進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,結(jié)果令人滿意。

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