新型舰载超短波宽带平面天线

李晓林 李 韩 熊 烨 陈永良 陈 聪

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430079)

1． 引 言

舰船隐身技术的发展，催生出集成化上层结构设计新思路。相应地，水面舰船对通信、雷达等无线电天线提出了“隐形”设计要求。运用集成天线技术进行天线平面化、集成化设计，将天线设计成平面式阵列天线嵌入、集成到上层结构中，使天线设计与舰体隐身设计有机地结合起来并组成一体化结构，成为舰船天线技术的重点发展方向[1-2]。与使用频率较高、容易与平台载体共形的各种雷达天线相比，超短波通信天线的集成化设计成为舰船集成天线的技术难点。国外公开报道了225 MHz以上频段的特高频(UHF)集成天线系统的研制情况[3-4]，天线单元采用平面宽带偶极子，工作带宽小于2∶1(如225～400 MHz)，并已形成装备[5]。

舰船通信系统往往要求在很宽的频率范围内开通多个信道，分别完成不同的通信任务。而平台载体上可供安装天线的空间有限，为了减少天线数量，就必须广泛使用宽频带天线。集成天线技术将多种辐射单元集成在尺寸更小的空间进行综合设计，其电磁兼容/电磁干扰(EMC/EMI)问题更加严重，因此需要使用工作频带更宽、尺寸更小的平面天线辐射单元。低轮廓的超短波宽带平面天线成为舰船通信领域亟需解决的关键技术。

圆锥形偶极天线是一种典型的宽频带天线，将其压缩成二维结构，形成三角形板状偶极天线，由此得到的输入阻抗和辐射方向图都具有一定的宽频带特性[6-8]。但是，三角形板状偶极天线应用于超短波频段时，天线尺寸太大[9-10]。针对不同的应用条件，人们围绕低轮廓、宽频带性能对各种形状的平面天线进行了深入研究[11-13]。其中，文献[11][13]分析计算了圆形平板天线、椭圆形平板天线和Vivaldi天线等平面单极子天线的宽频带特性，运用镜像原理计算的对称结构偶极天线的输入阻抗带宽可以达到10.7∶1。但其方向图带宽最多不超过7.5∶1。天线的理论预测高度为0.428λmax，不适合在100 MHz以下频段使用。

本文提出一种新型舰载超短波宽带平面天线，工作频率范围30～400 MHz(实际使用频段为30～175 MHz、225～400 MHz)。天线采用平面非对称偶极子形式，高度仅为0.326λmax，可镶嵌在舰船舱壁上或封闭桅杆侧面，与舰船舱壁或封闭桅杆构成一个整体，实现隐身功能。

2． 天线设计与仿真分析

平面非对称偶极子天线由上、下两块金属板构成，具有一维小尺寸的平面结构特点，左右相互对称。天线形状及其坐标系见图1所示，上辐射面采用椭圆拟合结构，下辐射面采用指数渐变梯形结构；上、下辐射面构成准电磁互补结构，能够有效地扩展面状天线的频带宽度。天线的高度为H，其中上辐射面的高度为H1、宽为W1，下辐射面的高度为H2、顶宽为W2、底宽为W3。

图1 天线形状及其坐标系

利用时域有限差分法(FDTD)计算了天线的输入阻抗和辐射方向图。FDTD方法以差分原理为基础，直接从概括电磁场普遍规律的麦克斯韦旋度方程出发，将其转换为差分方程组，在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样，通过逐点计算场变量的显示差分方程，在时间上迭代求解，进行一次运算就可以得到天线的频率特性。

本文所述天线为平面天线，其辐射体的厚度相对于其工作频段的电磁波波长非常小。在采用FDTD方法对该天线进行仿真建模时，可将平面天线上的辐射体等效为无限薄的理想导体，即将处于该天线辐射体上网格的切向电场分量(Ex和Ez分量)和法向磁场分量(Hy分量)置零。此外，天线外形为曲线结构，其边界与网格边界不重合，在对天线建模时需采用共形网格的处理方法。

在网格划分时，考虑到天线的细微结构及电磁波波长，网格采用正六面体Yee元胞，网格尺寸取δ=0.02 m(λmin/37.5)，馈电端口间距与该网格尺寸相同，因此，可将该网格位置处Ez分量设置为激励端口，采用强迫激励法。该网格尺寸既能充分体现天线的细微结构特征又不会引起数值色散。

仿真计算时，设置的参数为H=3.26 m，W3=4.20 m，馈电间距为0.02 m，仿真频率为30～400 MHz. 在采用FDTD方法对该天线进行仿真时，输出边界距天线边界略大于0.5λmax、距理想匹配层(PML)吸收边界约为0.25λmax，总共采用970×930×760个Yee元胞，天线辐射体在整个计算空间中仅占很小的空间。

当H1=1.44 m，H2=1.80 m时，保持其他参数不变，天线输入端口的电压驻波比随W1、W2的变化情况如图2所示；当W1=1.35 m，W2=0.90 m时，保持其他参数不变，天线输入端口的电压驻波比随H1、H2的变化情况如图3所示。由仿真结果可以看出：上、下辐射面的高度和宽度均影响天线的输入阻抗匹配性能，调整天线的结构参数，可以实现良好的宽频带阻抗匹配性能。

图2 电压驻波比随W1、W2的变化

图3 电压驻波比随H1、H2的变化

3． 计算与实验结果

根据设计分析的结果，天线的各个参数最后选取为：H=3.26 m，H1=1.44 m，H2=1.80 m，W1=1.35 m，W2=0.90 m，W3=4.20 m，馈电间距为0.02 m. 在30～400 MHz的整个频带内，天线的电压驻波比仿真结果均在2.9以下，如图6所示。

根据仿真模型，实际制作的平面非对称偶极天线，上、下导体均为左右对称的平面结构，其中心轴位于同一直线上。在下辐射面的中轴上焊接一根铜管，将同轴电缆从铜管中穿出，在下辐射面底端接电缆连接器，使馈电点从天线中部转移至底部，天线结构如图4所示。馈电结构与下导体在结构上构成一个整体，避免了馈电电缆对天线阻抗匹配性能的影响。天线实物照片如图5所示，整个天线可镶嵌在一面状结构上，与安装平台共形。

图4 天线结构

图5 天线实物照片

图6为电压驻波比曲线，实测值与仿真结果基本一致。在13.3∶1的频带宽度内，电压驻波比小于2.9，而天线高度仅为0.326λmax.

图6 电压驻波比曲线

图7为天线在几个频率点上的垂直面方向图，图7(a)为XZ面(φ=0°)的仿真结果，图7(b)为YZ面(φ=90°)的仿真结果。在较低的30～175 MHz频率范围，垂直面方向图的最大值基本上指向水平方向；随着频率的升高，垂直面方向图开始出现裂瓣，其最大辐射方向仰角逐渐增加。但是，天线在水平方向的辐射场强基本上大于0 dB，仅Y轴方向(φ=90°)在345 MHz附近突然下降至-2 dB左右，满足使用要求。天线在X轴方向(φ=0°)和Y轴方向(φ=90°)的辐射场强计算结果如图8所示。

图9为天线在几个频率点上的水平面方向图仿真结果。在较低的30～175 MHz频率范围，其水平面方向图近似为圆；随着频率的升高，在较高的225～400 MHz频率范围，水平面方向图从圆形逐步变为椭圆直至蜕变为梅花形状。

天线的水平面方向图失真度σ按下式计算：

式中：Ei为方向图场强值(dB)；n为采样点数，且满足n≥72。 水平面方向图失真度σ的计算结果如图10所示，σ≤3.8 dB，符合舰船超短波通信天线水平面方向图失真度σ不大于5 dB的设计规范，满足天线全向辐射技术要求。

(a) φ=0°

(b) φ=90°图7 垂直面方向图

图8 水平方向辐射场强

图9 水平面方向图

图10 水平面方向图失真度

图11给出了天线在水平方向(θ=90°,φ=90°)的增益实测值与仿真结果，两者吻合较好。

图11 水平方向增益

4． 结 论

本文提出了一种新型的超短波宽带平面天线，采用非对称结构实现宽频带性能；为准确分析该天线的性能，采用FDTD方法对该天线进行了仿真建模，计算了天线的输入阻抗和辐射方向图。

在工程应用中，全向宽带天线输入阻抗(电压驻波比)对天线结构尺寸的变化较为敏感，而结构尺寸的变化对辐射方向图的影响较小。本文仿真计算了该天线的电压驻波比，与实测结果基本一致，天线带宽大于13.3∶1；通过实测该天线水平方向增益，基本验证了辐射方向图仿真结果的准确性。

本文所述的宽带天线，通过上、下辐射面构成准电磁互补结构，有效地扩展了该面状天线的频带宽度，在工作带宽大于13.3∶1前提下，天线高度仅为0.326λmax，实现了天线小型化。实践证明该天线能够满足隐身舰船超短波通信系统的需求，具有较好的实用价值。

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