Ku 波段新型双辐射体天线的电气特性分析

王世宇 李丽华 王龙飞 付天晖 冯士民 王永斌

（海军工程大学电子工程学院，武汉 430000）

引 言

目前水下航行器一般采用甚低频(very low frequency, VLF)或超低频(super low frequency, SLF)等传统拖曳天线在安全深度以下接收来自水面上的电磁波信息[1]. 传统拖曳天线能保证水下航行器的隐蔽性，但通信速率很低，已不能满足信息时代战争对通信的需求. 通过漂浮在海面上或海水表层的拖曳天线进行跨越海面的高速数据传输，可以在保持隐蔽性的同时，将水下航行器纳入现代战争的空战与海面战体系中. 图1 为水下航行器的Ku 频段拖曳天线系统示意图. 可以看出，水下航行器在安全深度以下，通过漂浮在海面上或海水表层的尾端天线与空基平台进行高速通信；天线接收到微弱电磁波信号后，经过信号放大器、光电转换器、光纤传输至水下航行器；尾端天线在实际的海面环境中，会淹没在海水表层；无线电信号需跨越空气、海水和拖曳线缆三种介质才能传输至尾端天线. 设计Ku 频段拖曳天线系统的首要工作，是设计出能在复杂海况中，稳定接收空中电磁波信号的线缆尾端天线.

图1 水下航行器的Ku 频段拖曳天线系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of the Ku band trailing antenna system of the underwater vehicle

本文结合现代战争的高速数据传输需求，设计出Ku 波段的新型双辐射体天线，为水下航行器在隐蔽状态下接收来自海面上的高速数据提供了现实基础. 水下航行器可通过Ku 频段接收外放无人机或舰载直升机的电磁波信号. Ku 频段电磁波具有覆盖面积广和抗雨衰效果好等优点，其下行范围为10.70～12.75 GHz，上行范围为12.75～18.10 GHz[2]. 本文以12.75 GHz 为例，对天线结构进行设计与验证.

1 天线设计

传统的双辐射体结构是在主要辐射体的正交方向加入长度与主要辐射体近似的寄生辐射体，通过增加天线在同一介质中带宽的方式，提高稳定性[3].本文在传统的双辐射体结构基础上对其进行改进，基于电磁波在海水中的波长，大幅缩短了寄生辐射体的长度，使得新型双辐射体天线能够置入拖曳线缆中.

图2 为天线的新型双辐射体结构[4]. 新型双辐射体天线是在双辐射体结构的基础上，结合电磁波在空气和海水中不同的波长特性设计出的变形天线.主要辐射体的基本结构为半波振子，短辐射体是主要辐射体上的寄生振子. 两组天线以正交方式放置，可有效避免产生寄生电容影响天线性能[5-6]. 短辐射体以长辐射体为中线，通过正交方式垂直连接在长辐射体两侧. 新型双辐射体结构与传统的双辐射体结构相比，拥有严格计算长度且远短于主要辐射体的寄生辐射体；与半波振子天线相比，天线的轴向增益得到明显改善. 寄生辐射体之间存在水平间距d.水平间距d和寄生辐射体长度的取值决定于中心频率在海水中的波长. 目前还未见有公开发表文献提出新型双辐射体天线并进行电气特性分析. 天线的新型双辐射体结构亟需验证其科学性，进而求解具体结构参数.

图2 新型双辐射体天线结构图[4]Fig. 2 Structure of the new dual radiator antenna[4]

在沉没在海面下的浮力光缆中，天线的电气特性受近距离介质的影响很小，即浮力光缆本身仅起到保护天线不被海水短路和传输信号的作用，不影响天线的电气特性[7].

根据文献[8-9]，电磁波在海水中的波长为

根据式(1)计算，海水中同一频率电磁波的波长远小于在空气中的波长. 新型双辐射体是在空气中和海水中对应同一频率的半波振子的组合. 在图3所示的坐标系中，对新型双辐射体天线进行分析. 设长辐射体单臂长为l1，短辐射体单臂长为l2，短辐射体之间水平间距为d，电磁波在空气中波长为λ1，在海水中波长为λ2，则新型双辐射体天线上的电流分布可由式(2)近似表达. 当天线半径远小于波长时，辐射体上的电流分布近似为正弦分布. 在海水中对天线结构进行设计，长辐射体中的电流分布可以近似写为

式中，α 为电磁波在海水中的波数，天线末端开路处电流为0；当Z=0，I(0)=Imax，即馈电点电流为最大值；在海水中，当d=λ2/2 时，I(d/2)=I(-d/2)≈0，即长、短辐射体连接点处感应电流近似为0. 结合天线位于拖曳线缆狭窄空间中的实际情况，将长辐射体单臂长度l1取值为λ1/4，短辐射体单臂长度l2取值为λ2/4. 通过近似计算天线在中心频点的电流分布，把短辐射体的水平间距d取值为λ2/2，使得长、短辐射体连接处的电流近似为0. 新型双辐射体天线的长辐射体总长度为2l1，短辐射体总长度为2l2. 从图3 中可以看出，短辐射体的辐射方向能够弥补长辐射体的轴向增益.

图3 新型双辐射体天线求解示意图Fig. 3 Schematic diagram of solving the new dual-radiator antenna

2 仿真计算

在FEKO 电磁仿真软件中，建立空气-海水-发泡聚乙烯(拖曳线缆)空间分层电磁模型，对天线的电气特性使用Sommerfeld 积分求解.

根据自由空间中电磁波波长的计算公式及式(1)可以分别求出工作频率12.75 GHz 对应在空气中的波长λ1=0.024 m，对应在海水中的波长λ2=0.014 m.长辐射体的单臂长度l1=0.006 m，短辐射体的单臂长度l2=0.003 5 m，短辐射体之间的水平间距d=0.007 m.

在FEKO 软件中设定天线直径为1 mm，材质为铜. 由于线天线在非自由空间中的缩短效应，仿真结果会存在少量误差. 发泡度70%聚乙烯泡沫的相对介电常数为1.2[10]. 图4 为空气-发泡聚乙烯(线缆)-海水空间分层电磁模型的线缆剖面，天线位于线缆内部；线缆处于海面之下，在多组仿真计算过程中，保持与天线的相对位置不变. 天线馈电点设置在水下1 cm深度，在还原天线实际工作环境的同时，确保天线在不同的运动姿态下均能整体淹没在海面以下，保持变量统一.

图4 分层电磁模型中的新型双辐射体天线Fig. 4 The dual-radiator antenna in a layered electromagnetic model

2.1 增益与方向图

拖曳线缆在实际的工作环境中，受海浪的影响处于不稳定的运动状态，影响天线的收信性能[11]. 图5为拖曳线缆在复杂海况中可能的运动轨迹，其中包括沿XOZ平面倾斜和沿YOZ方向旋转.

图5 拖曳线缆在复杂海况中的倾斜、旋转范围Fig. 5 Range of tilt and rotation of the towed cable in complex sea conditions

根据电磁波跨越空气-海水平面的传播特性可知，电磁波由空气射入海水后，方向均偏向水平面的法向方向，如图6 所示[12]，θi、θo、θt分别表示入射角、反射角和折射角. 若采用半波振子作为拖曳天线系统的尾端天线，当线缆倾斜于海平面时，天线的最大增益方向与电磁波传播方向不再吻合.

图6 电磁波在跨空气-海水平面的传播方向Fig. 6 The direction of electromagnetic wave propagation across the air-sea plane

由图2 中新型双辐射体的结构可以看出，尾端天线不论在任何角度上倾斜，总有一组辐射体朝向接收信号的最大增益方向，有利于在复杂海况中接收来自空中的电磁波信号. 将图7 所示新型双辐射体天线不同姿态时的立体方向图表面展开可以得到图8 所示全部方向的具体增益. 图7 和图8 中完全展示了新型双辐射体天线在水中不同姿态时的立体方向图与增益. 可以看出，新型双辐射体天线在不同的倾斜角度中，在天线所处平面以上，具备全向性.θ 为XOZ平面上以Z轴为0°的角度划分，当θ 大于90°或小于-90°时，天线方向图呈现深蓝色，表示天线不存在所处水平面以下的增益. φ 为方向图表面展开后与θ 相对的坐标轴变量. 新型双辐射体天线在水中接收信号的增益范围为-40～-35 dBi. 增益数值相对于自由空间中的天线较低；但相对于在海水中接收空中Ku 频段电磁波信号的常规天线，增益较高且稳定.

图7 新型双辐射体天线不同姿态时的立体方向图与增益Fig. 7 Stereo directivity diagram and gain of a new dual radiator antenna with different postures

图8 新型双辐射体天线在水下处于不同姿态时的增益展开表面图Fig. 8 The surface view of the expanded gain of the new dual radiator antenna underwater

结合天线结构和电磁波入水后的传播方向可知，在拖曳线缆沿XOZ方向的倾斜过程中，由于短辐射体的存在，新型双辐射体天线在水下的全向性优于半波振子. 图9 为在水中倾斜0°、30°、60°和90°的新型双辐射体天线与半波振子方向图XOZ剖面的对比. 可以看出，半波振子天线在倾斜90°即垂直于海面时，天线轴线方向的增益很差，新型双辐射体天线完美地弥补了这一点. 在其他倾斜角度上，新型双辐射体天线和半波振子天线的增益差别不大. 当θ 大于90°或小于-90°时，天线方向图骤降，表明天线在所处水平面之下无增益.图10 为新型双辐射体天线在短辐射体呈水平姿态的基础上分别旋转0°、30°、60°和90°方向图的XOZ平面剖面. 可以看出，新型双辐射体天线的旋转对天线增益的影响在3 dB 以内.

图9 不同倾斜角度下的新型双辐射体天线和半波振子天线方向图对比Fig. 9 Directivity diagram comparison of the new dual radiator antenna and the half wave dipole antenna at different tilt angles

图10 不同旋转角度下的新型双辐射体天线方向图Fig. 10 Directivity diagram of new dual radiator antenna with different rotation angles

2.2 反射系数

图11 为新型双辐射体天线与半波振子天线在Ku 频段的反射系数对比. 可以看出，受海水影响，新型双辐射体天线的反射系数偏高，但在工作频率12.75 GHz 处的反射系数低于处在相同环境中的半波振子天线；在全Ku 频段，新型双辐射体天线的反射系数均在0.45 以下. 在介质不发生变化的情况下，天线的反射系数与倾斜角度、旋转角度无关.

图11 新型双辐射体天线和半波振子天线在水下的反射系数对比Fig. 11 Comparison of reflection coefficients between the new dual radiator antenna and the half-wave dipole antenna under water

3 远场测量

为提高实验准确度，降低传播路径对实验结果的影响，采用缩比模型试验方法降低天线工作频率，在微波暗室中对天线实物进行测量. 根据相似原理在水下接收天线设计中的应用，缩比模型测量结果与原型天线一致[13].

在Ku 频段天线系统中可通过对电导率和频率进行缩比，提高测试的精确性. 缩比因子k＜1 时，可以将Ku 频段的天线测试缩比至特高频进行测试，有效降低环境对测试结果的干扰. 原型天线的中心频率为12.75 GHz，令缩比因子k=0.1，则缩比模型天线的测量频段为1.275 GHz. 图12 为水下天线缩比模型测试平台的实用结构，天线可在支架上水平放置或垂直放置. 在水平360°和竖直120°半径为R的曲面范围内，分别取间隔为45°或30°的11 个点位，采用频谱仪对天线全向性进行测试. 实验前通过调节水箱中盐水浓度，对介质的电导率进行调节. 从天线远场的定义中可以求出R：

图12 天线全向性缩比模型测试平台的结构Fig. 12 The structure of the omnidirectional shrinkage model test platform

表1 为本次实验中部分盐水浓度与对应电导率的关系[15]. 表2 为实验中原型和缩比模型间对应关键参数的缩比关系[13]. 图13 为Ku 波段新型双辐射体天线放大10 倍的模型.

图13 Ku 波段新型双辐射体天线的模型(k=0.1)Fig. 13 The model of the new dual-radiator antenna at Ku band(k =0.1)

表1 部分盐水浓度与对应电导率的关系Tab. 1 The relationship between the concentration of partial brine and the corresponding conductivity

表2 原型天线和缩比模型间对应关键参数的缩比关系Tab. 2 Scaling relationships of the key parameters between prototype antenna, environment and scale model

表3 为缩比模型测试平台中各点位天线收信性能测试结果. A 为新型双辐射体天线的接收信号幅度；B 为半波振子天线接收信号幅度，k=0.1. 受天线在盐水工作环境中的缩短效应影响，实验结果存在微弱误差.

表3 缩比模型测试平台中天线全向性测试结果Tab. 3 Antenna omnidirectional test results in the scale model test platform dBmv

从表3 中可看出，天线处于水平姿态的测试结果中，新型双辐射体天线与半波振子天线的接收信号幅度不存在明显差异；在天线处于竖直姿态时，新型双辐射体天线增益明显高于半波振子天线. 结合表3 的测量结果和相似原理，可以得出以下结论：

1)新型双辐射体天线能在水下有效接收Ku 波段电磁波.

2)水平放置的天线和竖直放置的新型双天线，在11 处测量点位的接收信号幅度之差均未超过2 dB，验证了新型双辐射体天线的全向性；同时也可以看出新型双辐射体天线在轴线方向的增益较半波振子高.

实验测量不仅验证了Ku 波段新型双辐射体天线作为水下航行器拖曳天线的可行性，还验证了新型双辐射体结构的电气特性推导和仿真计算结果.结合仿真计算和实验结果可知，新型双辐射体天线在任何姿态中均在所处水平面以上呈现全向性.

4 结 论

本文对天线的新型双辐射体结构进行了电气特性计算，验证了新型双辐射体天线的科学性，得出了新型双辐射体结构的电气特性. 基于新型双辐射体结构，设计了可置于拖曳线缆内部的Ku 波段新型双辐射体天线，并在FEKO 电磁仿真软件中，对Ku 波段新型双辐射体天线的增益、方向图和反射系数进行了仿真计算，与理论结果相互印证；采用缩比模型试验方法，搭建水下接收天线测试平台，对Ku 波段新型双辐射体天线的方向性进行了测试，并与半波振子进行对比. 结果表明，新型双辐射体结构是一种可靠、高效、全向的水下接收天线结构；基于新型双辐射体结构设计的Ku 波段接收天线收信效果良好，能够置入拖曳线缆内部作为前置收信天线. 但受海水影响，天线的增益较自由空间中的天线更低，反射系数更高，这是客观工作环境所导致的. 水下航行器的短距离通信需要一种在复杂海况中能稳定工作、在同等工作条件下呈现较高增益的海面下全向前端天线，本文为水下航行器在海面下安全深度采用拖曳天线接收Ku 频段电磁波提供了新型、全向、较高增益的天线形式，也为新型双辐射体结构在其他高损耗介质中的应用提供了理论支撑.