李昭然，金華標

（武漢理工大學 船海與能源動力工程學院，武漢 430063）

船用VHF天線種類包含單極子天線、八木天線、貼片陣列天線等。單極子天線包括鞭狀天線、套筒天線等。單極子天線具有尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，在目前的通信設備中被廣泛應用于長、中、短波及超短波波段[1-4]。由于單極子天線中鞭狀天線制作簡單、成本較低，在船舶VHF通信中得到了廣泛應用。

將鞭狀天線應用于船舶通信當中，利用其全向性好的特點，可以使通信效果增強，工作更加穩(wěn)定。但是鞭狀天線帶寬較低，增益較低，限制了船舶通信的速度以及質(zhì)量，因此衍生出很多種天線，例如套筒天線、頂端彎折天線、異狀天線等。其中套筒天線已在其他頻段進行應用，但在VHF頻段船舶通信領域的應用較少[5-10]。

本文通過對船用套筒天線進行設計，將傳統(tǒng)的套筒單極子天線外部架設一層套筒，并在內(nèi)層套筒中內(nèi)部以中心對稱形式嵌入四塊短路板，通過ANSYS HFSS電磁軟件仿真分析新型雙層套筒天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電特性的影響。

1 新型雙套筒天線原理

對于套筒天線來說，以同軸線為基準外部架設金屬套筒，可以等效為將單極子天線振子半徑加粗，提高有限帶寬以及天線的輻射性能。由于套筒天線的等效半徑比普通單極子天線大，單筒天線的阻抗受頻率的變化比普通單極子天線的阻抗受頻率影響更為平緩。并且套筒天線的振子與其鏡像天線構(gòu)成短路線，而普通單極子與其鏡像構(gòu)成了一段開路線，二者的輸入電抗性質(zhì)不同，具有很好的互補性。綜上所述，套筒天線的工作帶寬優(yōu)于普通單極子天線。

為了提高通信帶寬，降低天線的Q值，實現(xiàn)較低的諧振頻率，在傳統(tǒng)套筒天線外側(cè)架設第二層套筒形成雙套筒天線，并且內(nèi)層套筒中嵌入四片短路板，抵消了同軸線饋電引入的電感，同時引入圓盤形狀的頂端加載，改善天線頂端電流。天線等效電路如圖1所示。

圖1 天線等效電路

2 新型雙套筒天線結(jié)構(gòu)設計

使用ANSYS HFSS對新型雙套筒天線進行參數(shù)化設計，天線振子半徑為Radius，高度為Length，頂端加載圓盤半徑為Radius5，雙層套筒高度為Height，內(nèi)層套筒半徑為Radius1，厚度為Radius2-Radius1，外層套筒半徑為Radius7，厚度為Radius8-Radius7，短路板寬度為Width，內(nèi)套筒高度Height，短路版高度為Height1，饋電點高度為gap。使用集總方式對天線進行饋電，端口輸入功率為1 W，端口阻抗為50 Ω。模型下端設計同軸線饋電探針，高度為10 mm。天線截面示意圖如圖2所示。

圖2 天線截面示意圖

3 天線仿真與參數(shù)分析

船用VHF天線通信頻段為156～162 MHz，此新型雙套筒天線模型仿真頻率范圍為整個VHF頻段30～300 MHz，頻率步長為5 MHz，迭代最大參數(shù)為0.02，由于集總端口激勵代表的是模型內(nèi)部激勵，而本文的天線模型激勵的位置在天線的內(nèi)部，所以選擇了集總端口激勵對天線進行仿真，在距離天線振子外表面λ/2處Boundaries設置輻射吸收邊界，仿真模型如圖3所示。

圖3 天線模型示意圖

影響天線性能的參數(shù)有天線的振子半徑、頂端加載的結(jié)構(gòu)、套筒高度等。本文將對天線頂端加載半徑、天線饋電高度、內(nèi)外套筒高度、短路板高度等對新型雙套筒天線性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真分析。

3.1 頂端加載分析

頂端加載作為降低天線的諧振頻率、擴展帶寬的常用技術(shù)得到了廣泛的應用。此新型雙套筒天線在頂端加入金屬圓盤，半徑Radius5仿真區(qū)間為 15～30 mm，仿真步長為 2 mm。S（1，1）表示天線回波損耗特性，其參數(shù)數(shù)值越小，表明天線能量反射越小，通信效率越高，能量輻射越大。所以此篇文章選擇以S（1，1）參數(shù)為判斷天線性能的指標。S（1，1）仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 對頂端加載半徑Radius5仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果得出，隨著頂端加載圓盤半徑的變化，天線的諧振點在船用VHF通信頻段內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的偏移，且對天線帶寬影響不大，輸入阻抗改變較小，具有良好的匹配特性。當頂端半徑Radius5=15 mm時，S（1，1）達到-39 dB，數(shù)值為最優(yōu)，輻射性能最佳。

3.2 饋電高度分析

對天線的饋電高度進行參數(shù)分析，天線向下輻射的電磁波被地面反射，反射方向為豎直向上，輸入端電流、反射電流相位與饋電位置距離地面的距離有關。饋電高度對天線的帶寬、增益、阻抗匹配有著較大的影響。本文模型將天線饋電高度設置為gap=3 mm，并對其進行掃頻設置，其實數(shù)值范圍為1～10 mm，仿真步長為2 mm。經(jīng)HFSS軟件仿真的S（1，1）結(jié)果如圖5所示。

圖5 對饋電高度gap仿真分析

仿真結(jié)果得出，在船用VHF頻段區(qū)間，天線的饋電高度對天線效率有著顯著影響，當饋電高度為1 mm、3 mm、7 mm、9 mm和10 mm時都不具備良好的輸入回波損耗，當饋電高度為5 mm時，天線射頻能量反射最小，輻射出去的能量最大，帶寬較大。在船用VHF頻段附近損耗最小，且隨著距離增大，回波損耗逐漸增大，天線的性能逐漸下降。次模諧振點的回波損耗也逐漸減小，但是次模諧振點不在工作頻段內(nèi)，在這不予以討論。

3.3 內(nèi)套筒高度分析

對內(nèi)套筒高度Height進行仿真，仿真區(qū)間為460～520 mm，仿真步長為5 mm，雙層套筒材料設均置為銅。經(jīng)過軟件仿真后結(jié)果如圖6所示。

圖6 對套筒高度Height仿真分析

通過仿真截圖得出，隨著套筒高度Height的增加，天線S（1，1）參數(shù)的主要諧振點向右偏移，且天線帶寬降低，通信效率降低。當Height=460 mm時，天線諧振點頻率為 158 MHz，S（1，1）參數(shù)達到-43 dB，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的能量輻射。

3.4 外套筒高度分析

為了探究雙套筒天線中內(nèi)外套筒高度差對天線性能是否有影響，將外套筒高度Height7進行仿真，仿真區(qū)間為480～520 mm，仿真步長為5 mm，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 對外套筒Height7仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果得知，隨著外套筒高度增加，天線諧振頻點左移，在內(nèi)外套筒高度相同，外層套筒高度為Height7=505 mm的情況下，天線S（1，1）參數(shù)達到最優(yōu)值，輻射效果最佳，天線回波損耗最低。

3.5 短路板高度分析

短路板的引用可類比微帶天線短路針，其目的為影響天線電流流通路徑，實現(xiàn)天線小型化，帶寬增強。此新型雙套筒天線中以振子為軸心，對稱嵌入四塊短路板，材料設置為銅，對短路板高度Height1進行仿真，仿真范圍為180～230 mm，仿真步長為5 mm。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 對短路板高度Height1仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果可知，短路板高度Height1對天線的諧振頻率沒有影響，但是影響了天線的諧振點。根據(jù)套筒天線的套筒高度約等于λ/4波長的理論，在短路板高度Height1=215 mm時，天線諧振點最低，為最合適的套筒高度。

3.6 天線參數(shù)優(yōu)化設計

通過對新型套筒天線的參數(shù)進行設計，并對其主要參數(shù)如頂端圓盤加載半徑、雙層套筒高度、短路板高度進行Optimetrics功能優(yōu)化，得到性能最優(yōu)的S（1，1）曲線，如圖9所示。

圖9 經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的天線S（1，1）參數(shù)曲線

根據(jù)優(yōu)化后的圖像分析得出，以-10 dB為標準衡量，天線的帶寬為147～167 MHz，能夠做到以高效率通信覆蓋船用VHF頻段，且在158 MHz處天線輻射強度最大，S（1，1）參數(shù)為-50 dB。

3.7 天線VSWR參數(shù)仿真

通過優(yōu)化得出天線最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)后，需要對天線的VSWR參數(shù)進行仿真觀察其阻抗匹配特性。VSWR為電波腹電壓與波谷電壓之比，當VSWR等于1時，表明此時天線饋線與阻抗完全匹配，入射波的能量幾乎被完全接受，天線的效率最高。經(jīng)過軟件仿真后，新型雙套筒天線的VSWR曲線如圖10所示。

圖10 新型雙套筒天線的VSWR曲線

根據(jù)仿真圖像分析，在船用VHF頻段內(nèi)，天線的VSWR參數(shù)近似等于1，滿足現(xiàn)如今天線VSWR參數(shù)1.13∶1至1.38∶1的數(shù)值區(qū)間，表明在此結(jié)構(gòu)參數(shù)下，新型套筒的天線的輻射強度良好，能量損耗較低。

4 天線對比分析

4.1 與去掉短路板的天線對比

增設短路板作為微帶天線增加帶寬和阻抗匹配的常用技術(shù)，將其運用在雙套筒天線內(nèi)層套筒中，以90度對稱排列布置，短路板接地后能夠?qū)⑻淄仓械碾妶鲚椛?。利用軟件對其遠電場分析，結(jié)果如圖11所示。

圖11 短路板電場仿真圖

經(jīng)過仿真的電場線可以看出，短路板面向天線振子一側(cè)，電場強度比套筒圓弧部分有所增強，能夠有效地增強天線輻射。

為了更好顯示短路板增強帶寬的作用，將天線模型去掉短路板，保持其他模型參數(shù)相同，經(jīng)仿真后的S（1，1）參數(shù)如圖12所示。

圖12 去掉短路板后天線S（1，1）曲線圖

由仿真結(jié)果得出在結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，以-10 dB為標準，缺少短路板的情況下，普通雙套筒天線的S（1，1）曲線會出現(xiàn)三個諧振點，使得在船用VHF通信頻段不能得到好的匹配阻抗；回波損耗特性效率較高的兩個諧振點頻率為156 MHz和221 MHz，但是效率低于帶有短路板的天線，在船用VHF頻段內(nèi)帶寬也低于雙套筒天線，不能滿足日常海上通信需求。

4.2 與缺少外側(cè)套筒天線進行對比

套筒天線中的套筒作用為等效加粗振子，可以使用不對稱形式的饋電。針對天線模型中雙層套筒的作用，在保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下，將天線外層套筒去除并進行仿真，得到的S（1，1）參數(shù)曲線如圖13所示。

圖13 單套筒天線S（1，1）曲線仿真圖

對缺少外層套筒的單套筒天線的VSWR參數(shù)進行仿真，結(jié)果如圖14所示。

圖14 單套筒天線VSWR仿真圖

通過仿真可以看出，在同等結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，單套筒天線在船用VHF頻段內(nèi)VSWR參數(shù)呈下降趨勢。但是VSWR峰值達到了2.66，使得天線效率變低，并且未達到良好匹配。

天線E面曲線圖能夠體現(xiàn)出天線在特定角度的電場輻射強度以及增益水平，為了更好地驗證外層套筒的作用，對單套筒天線進行E面方向圖仿真，結(jié)果如圖15所示；同時對雙套筒天線E面方向圖進行仿真，結(jié)果如圖16所示。

圖15 單套筒天線E面仿真圖

圖16 雙套筒天線E面仿真圖

通過對去掉外層套筒和雙套筒天線E面方向圖進行對比，可以看出雙套筒天線中外層套筒對天線的方向性有著顯著提高，同時在輻射效果最強的角度提升了天線的最大增益，使得輻射效果增強。

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)如今船用VHF天線普遍存在的尺寸較長、帶寬較低等問題，對傳統(tǒng)套筒天線進行設計與改進。通過架設第二層套筒，在內(nèi)部嵌入短路板，并在天線頂端引入圓盤加載。從仿真結(jié)果看出，此新型雙套筒天線用于船用VHF頻段通信的可行性較高。架設雙層套筒能夠等效加粗振子，增強天線輻射帶寬，提升天線傳輸效率。在雙套筒內(nèi)部架設短路板模擬微帶天線增強帶寬功能，能夠提升天線內(nèi)部電場電荷密度。對天線頂端圓盤進行仿真，其半徑變化不影響天線通信帶寬，但是對S（1，1）參數(shù)存在影響。通過仿真天線饋電高度，找出影響阻抗匹配的天線饋電高度，不同的饋電高度決定了天線振子二次電流的相位，繼而決定了天線的電參數(shù)。

經(jīng)過以上仿真結(jié)果證明，本文設計的新型雙套筒天線在船舶通信的VHF頻段（156～162 MHz）有著良好的駐波信號比、回波損耗特性以及通信帶寬等特性，能夠充分滿足船舶VHF頻段通信需求。