适用于复杂气象条件中的大环螺旋天线设计与优化*

张树伟 信 阳 王孝华 王世宇

（1.中国人民解放军92132部队 青岛 266071）（2.成都信息工程大学大气科学学院 成都 610225）（3.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

水下航行器能够通过漂浮在海面上的超高频拖曳天线接收卫星信号［1］。当通信卫星与拖曳天线之间的信道环境发生变化时，超高频卫星信号在此信道中的传播过程随之发生变化。海水是超高频电磁波的良导体，加之海水空气湿度大、含盐量高，因此海上的气象环境对于超高频拖曳天线有着较大的影响［2～4］。

一般来讲，海上的复杂气象条件对于超高频拖曳天线的具体影响具体表现在电磁波在雨水中的衰减、在高出天线部分海浪中的衰减和动态海浪对天线姿态的影响［5］。

图1为水下航行器通过超高频拖曳天线与卫星通信的示意图。

本文首先根据拖曳线缆的内部空间结构，设计出大环螺旋天线，然后基于FEKO电磁仿真软件对大环螺旋天线进行了仿真计算。

图2为拖曳线缆末端的漂浮线缆，内部包括天线、记忆金属和浮力泡沫［6］。通电后，记忆金属会形成“圈”型，提高拖曳天线在海面上的稳定性。该“圈”型结构能够有效避免超高频拖曳天线被海水淹没，是卫星在超高频频段与水下航行器通信的现实基础。

图2 “圈”型记忆金属浮力线缆

2 理论分析

超高频卫星与拖曳天线进行通信时，信道主要包括空气、云层和降雨［7］。因此选用抗雨衰效果较好的Ku波段电磁波进行通信设计。

因为电场在水下的传播损耗较大，磁性天线在近海面空间相较于电天线更具优势［8］。在超高频频段，没有合适的磁性材料可以采用，只能通过提高工作频段的方式，使得天线体积满足能置入拖曳线缆内部的要求［9］。

一般磁性天线的方向图与电偶极子天线的方向图类似，呈现“8”字形，在天线轴向方向存在增益极低的方向图缺口［10］。如图3和图4所示，大环天线与小环螺旋天线的方向图为相互正交的“8”字形图。

图3 大环天线的方向图

图4 小环螺旋天线（磁棒）的方向图

在复杂气象条件中，天线姿态随海浪动态变化，“8”字形的方向图不能有效接收来自可能任意一个方向的电磁波［11］。本文通过将大环天线与小环螺旋天线相结合，设计出大环螺旋天线并进行优化。

在Ku频段，磁性天线能够满足天线的外形要求［12］。对典型磁性天线的磁环大小进行改进，使得磁环相对于电磁波波长为电大环；采用两组旋转方向相反的螺旋磁环相接，降低线圈之间的感应电场，组成反射系数更低、增益更高的磁性天线。图5为大环螺旋天线的结构示意图。

图5 大环螺旋天线的结构示意图

将电磁波在空气中的波长取值设为λ1；将电磁波在海水中的波长取值设为λ2。大环螺旋天线结构中的磁环直径为工作频率对应的电磁波在空气中的半波长，即使得磁环相对于电磁波波长为电大环；采用两组旋转方向相反、匝数相同的两组螺旋磁环对称相接；在天线下方采用长度为g的短连接线和长度为l的直线振子将螺旋线圈首尾相接；g为电磁波在海水中的半波长，即g=λ2/2。因为电磁波在海水中的波长远小于电磁波在空气中的波长，将短连接线的取值定为g=λ2/2，有利于直线振子与线圈之间产生感应电流。

两组螺旋磁环的电感量如图所示分别为L1和L2。若两组螺旋磁环的旋转方向相同，则线圈的总电感值为

由式（3）可知，两组旋转方向相反的螺旋线圈相接时，电感值大于零且小于两组旋转方向相同的线圈。

所以本文设计的大环螺旋天线具有感抗值更低，即反射系数更低的优点。

在Ku频段，取12.75GHz为设计频率，通过增大磁环半径，设计出大环螺旋天线。天线长度和圆环直径均取值为半波长。通过对比不同匝数的天线性能，将大环磁性天线的匝数确定为10匝。

3 仿真验证

图6为大环螺旋天线的增益立体图和表面分布图。从图中可以看出，大环螺旋天线的方向图，相对于磁棒天线的“8”字形方向图，在天线轴向方向的增益得到了较大补偿。大环螺旋天线的全向性较磁棒天线和大环天线的全向性有所提升，但仍存在改进空间。

图6 大环螺旋天线的增益立体图和表面分布图

图7为大环螺旋天线的反射系数随频率变化关系。按照电磁波理论半波长设计的大环螺旋天线，谐振频率偏移至14.3GHz。调整大环螺旋天线的谐振频率有以下几种方法：减少线圈匝数、延长天线长度等。

图7 大环螺旋天线的反射系数

图8、图9分别为根据以上两种方法对大环螺旋天线性能的谐振频率调整结果。图8中4、6、8分别代表线圈匝数。对比图8和图9可以看出，匝数只能在小范围调整。调整匝数不能完全将天线谐振频率调整至工作频率。从图8和图9可以看出，8匝的大环磁性天线谐振频率由14GHz调整至了11.8GHz。通过调整天线长度对谐振频率进行调整的方法，对天线谐振频率的影响较大。图10和图11是在线圈匝数为8的基础上对天线长度进行调整。

图8 线圈匝数对大环螺旋天线谐振频率的影响

图9 天线长度缩短2mm时的反射系数

结合图7～9可知，通过调整线圈匝数的谐振频率方法为“微调”，调节天线长度的方法为“粗调”。将微调与粗调相结合，设计天线匝数为10匝，天线长度较半波长延长2mm。所得天线性能如图10、图11所示。对比图6与图10，优化后的大环磁性天线全向性得到了显著提升。

图10 优化后大环螺旋天线的方向图与增益

图11 优化后大环螺旋天线的反射系数

综上所述，得知大环螺旋天线的全向性较磁棒天线和大环天线等典型磁性天线有较大改善，能够在复杂的气象环境中保持全向性。

4 结语

本文概述了复杂气象条件对于超高频空对潜通信产生影响的具体因素；根据天线原理和拖曳线缆实际空间设计了大环螺旋天线结构；通过FEKO电磁仿真软件对Ku波段大环螺旋天线的增益、方向性和反射系数进行了仿真计算；多次对比不同结构参数的Ku波段大环螺旋天线性能，并对其进行优化。优化后Ku波段大环螺旋天线的增益为8dBi，谐振频点处的反射系数低于0.3，全向性较好，能够在复杂气象环境引起的动态海浪中接收来自卫星的超高频信号。