对海水天线的初步研究＊

杨 卓

（中国电子科技集团公司第三十六研究所 嘉兴 314033）

1 引言

金属具有良好的导电率，因此通常都是采用金属来制作天线，以获得优秀的辐射特性。近年来，专家发现在某些模式下，介质谐振器可以作为天线［1～4］，而且比普通天线（例如微带天线）具有更高的效率和更大的功率容量［5～8］，目前已在个人通信和移动通讯系统中获得了较多的应用。

海水是一种常见的材质（特别是位于海洋环境下），导电特性介于金属和介质之间，且具有液体流动性等特点。但经查阅资料发现，国内外目前很少有关于液体天线（特别是海水天线）的文献。本文，我们尝试对海水天线（seawater antenna，SA）进行分析仿真。正如其名字所言，海水天线是一种以海水为电磁辐射体的新式天线。与传统天线相比它具有液体流动性，重构性较强，雷达反射截面极低，电磁兼容方面也有相当优势。可以预见在军事通信（特别是舰船通信）方面具有一定的应用价值。

2 理论分析

近年来，已经有专家学者探讨了液体天线的可行性。文献［9］尝试利用纯净水制作介质谐振天线，在一定的条件下获得了较好的性能。但是纯净水的电特性随温度和频率变化较大，限制了纯净水天线的应用。

我们知道，水分子是一种强极性分子，本身具有偶电矩，导致其活动特性随频率而变：频率低时，水分子可以很容易随缓慢变化的电场取向；高频时，水分子很难跟上迅速变化的电场取向。反映在宏观世界，即水的介电常数随频率而变，是一种色散介质。但文献［10］指出，在水中存在盐离子，会缓冲水的介电常数的频率响应。文献［11］给出了NaCl溶液的介电常数频谱（图1），文中作者提到：盐溶液的极化驰豫时间（dielectric relaxation time）小于纯水，从而介电常数的频谱也相对较平滑；而且随盐浓度增大，介电响应将越来越平稳。这样一来，盐离子起了调节剂的作用，使得盐水的色散特性在广频段内优于纯净水。

图1 盐水的介电响应

海水是一种最典型的含有导电离子的液体，性质和高浓度盐水相类似，因此色散特性相对较优，有利于仿真实验的展开。由于海水的导电特性介于金属和介质之间，当海水作为天线使用时，麦克斯韦方程式将同时涉及到源电流密度（Ji）、传导电流密度（Ji）和位移电流密度（jwD），如下所示：

仅根据麦克斯韦方程和边界条件很难得到准确的解析表达式，而且海水天线又不能借鉴介质谐振天线分析方法（例如完全磁壁法）进行计算。因此对于含有自由离子的海水天线，我们主要借助数值计算工具对其进行仿真分析。

图2 海水天线建模图

近年来，随着计算机技术的发展，各种数值计算方法得到了越来越快的发展，目前应用较多的仿真软件是微波工作室的CST和Ansoft的HFSS。HFSS软件以有限元方法为核心，精度较高，并集成了多种辅助算法。本文以常规圆柱形海水天线为例（图2，外围采用PVC作为容器，底部采用探针馈电），使用HFSS对其进行分析。值得注意的是，HFSS中设置的海水各项参数（包括介电常数、损耗正切、导电率等等）都是室温下测得的平均值，这与实际情况不符。但在较低的频段内（＜500MHz），室温恒定的情况下，可以认为仿真结果是能近似接受的。

3 仿真数据

以上节所述模型为例，对主要几项结构参数进行参数扫描。考虑到海水中含有各种杂质，损耗较大，可以预见到海水天线的效率将比通常的金属天线低，阻抗特性也有所区别。因此，如何保证海水天线的效率问题，以及阻抗匹配，都将是我们仿真设计时考虑的主要问题，而天线的增益问题将留待下一步考虑。此外，为使分析结果具有普适性，对工作在VHF波段240MHz和HF波段25MHz的两种海水天线进行分析（不同的模型分别用SA1和SA2区别，外容器采用PVC，厚度为2mm，其他各项初始参数如表1所示）。

表1 初始结构参数

3.1 辐射效率

图3 海水天线辐射效率随h变化的曲线

从图3可以看到，探针长度过短时，对天线效率有一定的不利影响。探针在15mm～25mm时天线效率最好。随着探针长度增加，天线效率在整个频段上反而有所下降。这说明：对于海水天线，设计过长的探针是无必要的。

从图4可以看到，a，d围出了一块三角形区域，该区域内天线效率最高，可以达到60%以上。水柱高度d在λ／4附近时，海水天线容易获得高效率，可是水柱半径a的取值范围不容易确定，目前来看没有明显的规律可循，须借助软件扫描得到。

图4 海水天线辐射效率随a、d变化的色温图

3.2 天线阻抗

图5 海水天线输入阻抗随h变化的曲线

从图5可以看到，探针长度对天线输入阻抗影响较小，不是决定阻抗的主要因素。

图6 海水天线输入阻抗随a变化的曲线

图7 海水天线输入阻抗随d变化的曲线

从图6可以看到，水柱半径对天线输入阻抗影响较大。从趋势来看，半径越大，电阻及电抗在整个频段上就越接近零，而且随半径增加曲线的变化趋势也将逐渐减缓。

从图7可以看到，随水柱高度增加，天线输入阻抗曲线有着类似的变化趋势，均比较平稳，无剧烈波动。

3.3 实验结论

综合上述仿真结果，总结出了几点设计海水天线的原则：

1）探针高度对海水天线各项性能的影响较小，选择适当高度（15mm～25mm）即可；

2）基于高辐射效率，海水高度可以按照λ／4的原则来确定；

3）水柱半径对天线阻抗、效率影响较大，由于目前还缺乏明显规律可循，可以借助工具软件扫描参数后得到最优值。

4）海水天线的阻抗在宽频段内变化平缓，电抗基本上都呈容性。这非常利于我们设计合适的阻抗匹配电路，从而在较宽频段内获得接近1的驻波比，获得宽带天线。

4 结语

本文采用HFSS对海水天线进行分析，得到了主要结构参数对天线效率及阻抗的影响关系。但仿真软件毕竟存在着一定局限性，下一步可以通过实验来验证仿真数据。初步来看，海水作为天线材质是可行的。充分考虑海水的各项电参数、馈电方式、容器结构形式，配合仿真算法参数扫描，有可能设计出具有优越性能的海水天线，这也是下一步我们研究的目标。

［1］魏峰，史小卫.介质谐振天线的发展［J］.电子科技，2003（23）：31～33

［2］于晓乐，倪大宁，张福顺.介质谐振器天线的研究进展［J］.空间电子技术，2006（1）：8～12

［3］汤小蓉.双极化介质谐振器天线和低旁瓣圆极化微带天线阵的研究［D］.上海：上海大学，2009：15～22

［4］宫育蓉.无线通信中的超宽带介质谐振天线研究［D］.成都：电子科技大学，2008：2～5

［5］Long S A，McAllister M W，Shen L C.The resonant cylindrical dielectric cavity antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1983，31（3）：406～412

［6］Drossos G，Wu Z，Davis L E.Theoretical and experimental investigation of cylindrical dielectric resonator antennas［J］.Microwave and Optical Technology Letters，1996，13（3）：119～123

［7］高艳华，张丹，张广求.一种采用同轴探针馈电的半球形介质谐振天线［J］.微波学报，2006（5）：56～59

［8］邢英，李建新.一种新型介质棒天线［J］.微波学报，2010（8）：110～112

［9］Steven G O，Simon P K.Tunability of liquid dielectric resonator antennas［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2007，31（6）：533～536

［10］Kaatze U.Dielectric spectrum of a 0.5Maqueous NaCl solution［J］.Physical Chemistry，1987，91：3111～3113

［11］Buchner R，May M P.Dielectric relaxation of aqueous NaCl solutions［J］.Physical Chemistry，1999，103：1～9