歐陽(yáng)耀果 劉云 劉旭東

摘要：某型高精度定位系統(tǒng)基于擴(kuò)頻體制展開(kāi)設(shè)計(jì)，在中短波段工作，具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，工作范圍大等特點(diǎn)。系統(tǒng)中存在天線體積過(guò)大，難于安裝以及維護(hù)的難點(diǎn)。文中提出了一種基于雙Hilbert分形設(shè)計(jì)的小型天線。同時(shí)針對(duì)艦船電磁環(huán)境惡劣，天線受影響較大的問(wèn)題，對(duì)細(xì)導(dǎo)線、同軸線等進(jìn)行天線建模并分析。結(jié)果表明，文中天線高度僅13cm，可以諧振在1.5～10MHz頻段，實(shí)現(xiàn)了全向接收，能夠滿足中短波段導(dǎo)航系統(tǒng)要求。

Abstract： Maritime radio navigation system which is belonged to the spread system， working in the MW and SW section， is provided with high positioning accuracy， wide coverage and good security. However， the antenna is so large that hard to be installed. This paper proposes a new-designed double-Hilbert fractal antenna. Also， because of the abominable electromagnetic condition on the ship， this paper builds on the model of this antenna based on several pivotal techniques which belongs to the FDTD， coaxial line analysis， etc. The results show that the antenna whose height is only 13cm can work in 1.5～10MHz band with the characteristics of omni-direction， meets requirements of the navigation system working in the MW and SW band.

關(guān)鍵詞：無(wú)線電導(dǎo)航;船用天線;雙Hilbert分形;FDTD

Key words： radio navigation;marine antenna;double-Hilbert fractal;FDTD

中圖分類(lèi)號(hào)：TN82? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）21-0222-02

0? 引言

某型高精度定位系統(tǒng)工作在中短波段，具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，工作范圍大等特點(diǎn)[1]。該頻段信號(hào)波長(zhǎng)大，天線尺寸需大于信號(hào)波長(zhǎng)的1/4[2]，天線體積過(guò)大，難于安裝及維護(hù)成為了技術(shù)難點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)平臺(tái)天線林立，電磁環(huán)境惡劣[3]，天線的接收特性會(huì)受到較大影響。FDTD是分析天線特性的有效數(shù)值方法之一。該方法能夠在特定頻帶內(nèi)通過(guò)一次計(jì)算完成針對(duì)天線特性的分析，在天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣的條件下具有更高的估計(jì)精度及更加優(yōu)良的性能[4]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種雙Hilbert分形的小型天線，構(gòu)建了天線模型;進(jìn)行了天線電磁特性分析。結(jié)果表明，文中天線高度僅為13cm，能夠諧振在1.5～10MHz的中短波段，適合于工程應(yīng)用。

1? 基于雙Hilbert分形的天線結(jié)構(gòu)

文中天線屬電小天線范疇，存在輻射效率低的問(wèn)題。Hilbert分形天線具有良好自相似特性，在有限空間內(nèi)可以有效加大天線輻射電阻，提高天線增益及效率，天線模型如圖1。天線主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)為：尺寸為26cm×13cm;材料為半徑0.5mm的銅線;Hilbert分形階數(shù)為6階;電長(zhǎng)度約為8.2m。

2? 基于FDTD方法的天線建模及特性分析

2.1 細(xì)導(dǎo)線算法

對(duì)細(xì)導(dǎo)線進(jìn)行建模是天線特性估計(jì)精度的理論基礎(chǔ)。令細(xì)導(dǎo)線截面直徑為r，近場(chǎng)近似1/r變化。天線位于yoz面內(nèi)，目標(biāo)導(dǎo)線沿Z軸方向分布，場(chǎng)由貫穿細(xì)導(dǎo)線橫截面的四個(gè)離散網(wǎng)格決定。此時(shí)，穿過(guò)細(xì)導(dǎo)線截面的一個(gè)離散網(wǎng)格y方向電場(chǎng)強(qiáng)度及x方向磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

根據(jù)經(jīng)典FDTD，下一時(shí)間步x軸磁場(chǎng)分量為：

由圖1，細(xì)導(dǎo)線由拐點(diǎn)構(gòu)成。場(chǎng)分布由其夾角內(nèi)外磁場(chǎng)決定。對(duì)其分析可參照中小環(huán)天線的角點(diǎn)進(jìn)行解算。設(shè)含拐點(diǎn)細(xì)導(dǎo)線沿z軸和y軸放置，夾角內(nèi)的場(chǎng)分量由下式：

拐點(diǎn)夾角外磁場(chǎng)分量可由下式表示：

遞推以上過(guò)程可得圖1結(jié)構(gòu)天線的場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型。

2.2 天線分析

根據(jù)安培環(huán)路定理，天線饋電點(diǎn)電流的時(shí)域形式可寫(xiě)為：

因激勵(lì)電壓為先驗(yàn)信息，則在某頻段內(nèi)，輸入阻抗Z可表示為：

當(dāng)場(chǎng)穩(wěn)定后，通過(guò)近—遠(yuǎn)場(chǎng)變換即可系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)。

3? 天線仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)主要指標(biāo)如第一小節(jié)，其它條件設(shè)定如下：①激勵(lì)源：如式（6）的Gauss脈沖;②掃頻范圍：1.5～10MHz;③網(wǎng)格結(jié)構(gòu)：漸變離散網(wǎng)格，最小網(wǎng)格寬度？姿/40;④吸收邊界：PML，8。

仿真結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

對(duì)圖2、圖3進(jìn)行分析，可得以下結(jié)論：①天線可在1.5～10MHz頻帶諧振，回波損耗低于-15dB;②帶內(nèi)天線駐波比低于1.5;③天線全向接收，其中E面方向圖120度存在一定凹陷;H面方向圖則圓度較好。

4? 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了一種雙Hilbert分形的小型接收天線，解決了天線難以安裝及維護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)。采用FDTD方法建立了天線數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，文中天線高13cm，長(zhǎng)26cm，能夠工作在1.5～10MHz頻段，具有體積小、低輪廓、全向性特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]維施可夫，M.B.編著.船舶通信天線[M].船用通信天線翻譯組，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

[4]葛德彪，閆玉波.電磁波時(shí)域有限差分方法[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[5]Niruth Prombutr， Prayoot Akkarackthalin. Model of Hilbert Curve Fractal Antenna Fed by Coplanar Waveguide for Multi-band Wireless Communications [J]. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2007.