高频地波雷达电小多频天线设计

胡建涛，岳显昌,2，陈章友，王龙岗

（1.武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072；2.湖北珞珈实验室，湖北武汉 430072）

0 引 言

高频地波雷达工作在3～30 MHz 频段范围，其发射天线具有垂直极化的特点，使得电磁波可以绕着海面表面传播，克服了地球曲率的影响［1-2］，具有超视距、范围广、全天候及成本低等特点，是一种检测海洋状况的重要技术［3-4］。

高频地波雷达发射天线一般采用八木天线、单鞭天线、对数周期天线，因其工作频率（3～30 MHz）导致天线尺寸达到十米或数十米［4-6］，为了更好地监测海洋状况，高频地波雷达一般会采用架设天线阵的方式，但是由于其架设位置一般都在海岸沿途，地形狭窄崎岖，不易找到大范围平坦地带，天线数十米的高度极大地增加了架设难度，也增加了后期维护的成本，因此研究天线小型化和多频功能也变得十分重要［7-9］，并且天线小型化要尽量不改变其原有的主要性能。

针对高频地波雷达天线，马庆锋等［3］通过在单鞭天线顶部加载立体螺旋线圈实现天线小型化。但是通过对文献［3］中天线的实测发现，天线在谐振点的阻抗会受到周围空气电导率的影响。因文献［3］中天线架设位置在台湾海峡，冬季海风、海浪较大，海水撞击海岸发生破碎，导致海岸空气中夹杂着海水液滴，空气电导率会发生变化。随着电导率的变化，天线谐振点的阻抗也随之发生较大的变化，这极大影响了天线的工作性能。经仿真与实测发现文献［3］中天线顶部加载的立体线圈的存在导致了这个结果。将立体线圈变换成平面阿基米德螺线线圈，仿真和实测都验证了此平面线圈结构的加载减弱了空气电导率对天线谐振点阻抗的影响，天线谐振点的阻抗对空气电导率的变化不再那么敏感，天线性能的稳定性也得到了一定的改善。针对上述问题，本文提出了一种顶部加载和多枝节技术的方法实现了小型化双频功能。同时制作天线进行测试，以验证天线的可行性。

1 电小双频天线设计

本文通过在单鞭天线顶端加载一定长度的阿基米德螺线状的平面线圈实现天线小型化，并且经过调整使得天线高度仅为0.077λ，达到了电小天线的标准。为了同时检测海面目标和不同距离海流状态以更好地探测海洋状况［10］，利用多枝节技术，在天线顶端加载两段不同长度的平面线圈，从而实现双频功能，当频率为3.7 MHz 时，雷达探测距离超过250 km；当频率为6.5 MHz 时，雷达探测距离超过150 km［2］。并且通过Dixon 优化算法实现对双频的匹配。

通过在天线顶部加载阿基米德螺线状平面线圈，利用线圈延长电流路径的作用，改变了天线表面的电流分布，使得从天线馈电点到天线顶端的电流衰减变缓，在不改变天线高度的情况下降低天线谐振点，实现了天线的小型化。同时根据多枝节技术，将不同长度的两段平面线圈加载在天线顶部，通过附加的枝节产生多条电流路径，从而使天线工作在多个频点。可以通过调整平面线圈的长度来调节天线的谐振频率，操作比较简单，因此可以根据实际需求，采用相应长度的线圈，灵活调整两个谐振点的位置。

阿基米德螺线方程如下：

式中a为螺线起点到极坐标原点的距离，b为螺线增加单位角度随之增加的长度。

为了实现天线双频的功能，在单鞭天线顶部加载了两根长度不同的阿基米德螺线状平面线圈，并让两根线圈旋向相差180°使水平重量更加均匀，也使得每根线圈之间间距一样且达到最大间距，同时增大了天线的抗风性，本文设计的阿基米德螺线方程为r=1/20*θ，螺线每条臂之间的间距为π/10 m。为了使天线谐振在3.7 MHz和6.5 MHz，经过仿真和实测的调整，两根线圈分别旋转3.2、4.5圈。

加载阿基米德螺线状平面线圈的天线的整体结构如图1所示，其中H1为单鞭天线柱体高度，H2为阿基米德螺线状线圈离天线柱体的高度。

图1 天线结构图

图2为图1天线顶部加载的阿基米德螺线状平面线圈的结构图，其中Lmax为线圈水平方向上的横向最大尺寸。

图2 阿基米德螺线状平面线圈结构图

具体天线结构参数如表1所示。

表1 天线结构参数与尺寸

2 仿真与实测结果分析

2.1 仿真结果分析

为了探究电小双频天线的性能，通过三维电磁仿真软件CST STUDIO SUITE 进行仿真。仿真选择频域求解器，采用易于铺设的呈辐射状的细铁丝构成的地网，辐射状地网半径12 m，细铁丝根数为8根，地网以下的地面设置为电导率为0.005 S/m的边界，用来模拟真实地面情况。根据设计需求，天线需存在两个谐振点分别为3.7 MHz和6.5 MHz。图3为天线的反射系数仿真结果，由图3可知，天线的确存在两个谐振点，低频点在3.7 MHz 左右，高频点在6.5 MHz 左右，天线基本实现了双频功能。但是从图中可知天线两个频点的反射系数较大，是因为天线的尺寸对于低频点而言只有0.077λ，属于电小天线，天线的等效阻抗较小，采用同轴馈电时，与阻抗为50 Ω 的同轴线不匹配，进而导致天线反射系数较大，所以需要同时对两个频点做阻抗匹配，改善天线的阻抗特性，提高天线的发射性能。

图3 双频天线的仿真结果

通过调节加载在顶部的平面线圈的长度来控制两个频点的分布，长度较长的线圈控制着天线低频谐振点的位置，长度较短的线圈控制着天线高频谐振点的位置。多枝节技术最关键的问题是尽可能减小不同枝节间的互耦作用，因此在设计双频天线时，需要关注调节天线一个谐振点位置的同时不影响另外一个谐振点位置的问题。

图4是改变长线圈长度时，天线反射系数所对应的曲线图。从图4可以看出，长线圈决定了天线低频谐振点的位置，并且随着此线圈长度的变化，天线高频谐振点基本不受其影响。说明天线低频谐振点是单鞭天线柱体和长线圈共同作用的结果，并且两个线圈之间基本不存在耦合作用。所以通过调节长线圈可随意调节天线低频谐振点的位置，并且不影响天线高频谐振点，天线的双频功能也具有一定的稳定性，同时也具有一定的可扩展性，适用性较大。

图4 低频线圈长度变化对天线影响的仿真结果

图5是调节短线圈长度时，天线的反射系数曲线图。从图5可以看出，短线圈控制着天线高频谐振点的位置，并且随着线圈长度的变化，天线低频谐振点基本不受影响，与图4中的变化规律大致相同。并且说明了高频点仅受单鞭天线柱体和短线圈的影响，再一次说明了长线圈和短线圈之间基本不存在耦合，天线频点可根据实际需求作调节，拓展了天线的实用性。

图5 高频线圈长度变化对天线影响的仿真结果

因此，在实际过程中我们可以根据实际需求，结合天线的安装难度、后期的维修成本，选择合适的线圈长度，设计相应的双频天线。

2.2 天线的实测结果分析

根据设计要求，实际过程中采用长度6 m 的单鞭天线，将直径为2 mm 的漆包线手工绕制成所需的阿基米德螺线状平面线圈，考虑到线圈的横向尺寸带来的横向重量，所以将线圈固定在八根细木头辐条上，辐条不仅让绕制过程更简便，对线圈起支撑作用，并且还让线圈绕制得更标准（线圈的形状标准与否对结果不影响，线圈长度起决定性作用），为了让顶部加载的线圈更加稳定，还定制了一个绝缘的支撑框，让辐条和线圈能够稳定固定在天线顶端。然后通过金属导线，将天线顶端平面与线圈起始端连接，起到稳定连通的效果。电小双频天线实物图如图6所示。

图6 电小双频天线实物图

通过使用矢量网络分析仪，测量天线的反射系数、阻抗和驻波比等参数，图7为天线反射系数的仿真与实测结果对比。从图7可以看出，实测结果与仿真结果变化趋势基本吻合，在3.7 MHz 和6.5 MHz 附近有两个谐振点，天线具有双频特性，与仿真结果基本一致。但是高低频谐振点处的仿真与实测结果也存在一定的差异，主要是反射系数和驻波比小于2带宽的不同，即天线在两个谐振点处的阻抗特性存在差异。这主要和天线架设的周围环境有关，由于实际位置非常靠近海面，周围平坦地面有限，地网只能根据实际地面来铺设，这影响了地网的效果，带来了地面损耗，使得天线的输入阻抗变大，更加接近50 Ω，反射系数减小，使得实测结果比仿真结果更好。从仿真和实测结果可以看到，天线在3.7 MHz 附近的反射系数比较大，驻波比小于2 的带宽不能满足60 kHz 的要求，天线在此频点无法正常工作。因此需要加入合适的匹配网络。

图7 双频天线仿真与实测结果

虽然6.5 MHz 频点附近的带宽满足工程实际要求，需对3.7 MHz 频点做阻抗匹配，但是仅仅对3.7 MHz 频点做阻抗匹配引入的电感电容器件必将会影响6.5 MHz 频点的工作性能。因此需要同时对两个频点做阻抗匹配，通过Dixon 优化算法对双频进行匹配，优化后得到的匹配电路采用Π型网络结构，匹配电路如图8所示，加入匹配电路后结果如图9所示，天线在3.7 MHz 频点附近的带宽大于60 kHz，在6.5 MHz 频点附近的带宽接近160 kHz，但是在6.5 MHz 处中心频率发生了偏移，偏移量在可接受范围内，不影响天线的正常工作。两个谐振点都能够满足工程实际要求。

图8 双频匹配电路

图9 双频天线匹配前后结果

电小双频天线在两个谐振点处的方向图如图10所示，天线在3.7 MHz 时的方向性系数为5.41 dBi，半功率波束角为42.9°；天线在6.5 MHz时的方向性系数为5.67 dBi，半功率波束角为32.9°。天线在水平方向H 面上具有全向性，在E 面，随着仰角的不断变大，方向性系数越来越小，这和未加载的单鞭天线方向图变化趋势大致相同，本文设计的电小双频天线是在单鞭天线顶部加载一定长度的螺线线圈，因此两者的方向图基本不会存在太大差异。

图10 双频天线方向图

在双频基础上增加一根阿基米德螺线状平面线圈使天线实现了三频功能，线圈缠绕圈数接近3圈，天线仰视图如图11所示。利用矢量网络分析仪对天线进行测量，仿真与实测结果如图12所示。由图可知，电小三频天线的实测结果和仿真结果基本吻合，反射系数曲线走势大致相同，并且天线谐振在3.7 MHz、6.5 MHz、8 MHz 这三个频点，但是仿真和实测结果也存在一定的差异，这和电小双频天线实测一样，天线所处的环境导致其输入阻抗变大，导致实测结果比仿真结果更好。电小三频天线无论是实测还是仿真结果都与电小双频天线性能相似，所以可以合理调节单鞭天线顶部线圈个数，设计出性能稳定的电小多频天线，拓宽了天线的适用性。

图11 电小三频天线实物仰视图

图12 三频天线仿真与实测结果

虽然6.5 MHz 和8 MHz 两个频点附近的带宽满足大于60 kHz 的设计需求，但是仅仅对3.7 MHz进行阻抗匹配引入的电感电容器件一定会影响另外两个频点的工作性能。因此利用Dixon 优化算法设计三频匹配网络，并对其优化得到如图13所示的三频匹配电路。加入匹配电路后天线反射系数如图14所示，天线3 个频点处带宽都大于60 kHz，满足了天线设计要求，同时也提高了天线的工程实用性，并且对于6.5 MHz 和8 MHz 附近的两个谐振点，中心频点更接近所设计的频率。

图13 三频匹配电路

图14 三频天线匹配前后结果

电小三频天线在3 个谐振点处的方向图如图15所示，在3 个谐振点，天线的方向性系数分别为5.43，5.64，5.39 dBi，半功率波束角分别为42.1°，32.5°，33.9°。天线在水平方向H 面上具有全向性，在E 面，随着仰角的不断变大，方向性系数越来越小，这和未加载的单鞭天线方向图变化趋势大致相同，本文设计的电小三频天线是在单鞭天线顶部加载一定长度的螺线线圈，因此两者的方向图基本不会存在太大差异。

图15 三频天线方向图

3 空气电导率对天线性能的影响分析

因天线实际架设位置靠近海岸，周围空气环境比较潮湿，天线周围电导率发生变化，导致天线谐振点阻抗发生较大的变化，影响天线的整体性能。文献［3］中天线在空气干燥和空气潮湿两种情况下谐振点阻抗的实测结果如图16所示，当空气干燥和空气潮湿时天线在6.85 MHz 附近的阻抗分别为36.3+j3.93 Ω和84.6-j33.6 Ω。图17所示为设置空气电导率为1.5×10-14S/m 和3×10-5S/m 时，文献［3］中天线性能的仿真结果，从阻抗圆图中可知不同电导率情况下天线在6.85 MHz 附近阻抗分别为31.94+j3.65 Ω 和84.07-j24.06 Ω，仿真结果与实测结果比较接近。图18所示为顶部加载阿基米德螺线状平面线圈天线在两种不同电导率情况下的天线性能的仿真结果，可以看到不同电导率情况下平面线圈加载的天线在6.88 MHz 附近阻抗分别为23.47+j7.14 Ω 和52.01-j1.10 Ω，说明平面线圈加载的天线减轻了空气电导率对天线性能的影响，解决了文献［3］中天线遇到的实际问题。

图16 不同空气环境下文献［3］中天线的实测结果

图17 不同空气环境下文献［3］中天线的仿真结果

图18 不同空气环境下平面线圈加载天线的仿真结果

4 结束语

本文提出了一款基于阿基米德螺线状平面线圈加载的电小多频天线，解决了文献［3］中天线受环境影响的问题。天线分别在3.7 MHz、6.5 MHz、8 MHz 谐振，对于3.7 MHz 而言，天线电尺寸仅为0.077λ。顶部加载的平面线圈长度可灵活调节，从而可选择实际所需求的天线谐振点；并且在双频天线基础上拓展出了三频天线，两者性能相似，为多频天线提供了可行性依据。利用Dixon 优化算法设计出了双频匹配电路，并优化了匹配电路，减少了其对天线的损耗，实现了对天线两个频点的阻抗匹配，并且两个频点附近驻波比小于2的带宽都满足大于60 kHz 的要求。在双频匹配电路的基础上设计了三频匹配电路，实现了三频匹配，达到了带宽大于60 kHz的设计要求，满足工程实际需求。