用于海上无线通信的高效海水单极子天线外文翻译资料

用于海上无线通信的高效海水单极子天线

华常州，沈钟祥，资深成员，IEEE，陆健

文摘——本文介绍了一种用于海上无线通信的甚高频海水单极子天线的研究。海水单极子天线由馈电探头和由透明亚克力管固定的海水圆柱体组成。馈电探头在顶部加载圆盘，以改善TM模的激励。基于三项理论对海水单极子天线进行了理论研究，这在文献中还没有出现过。利用商用软件ANSYS、HFSS和FEKO对该天线进行了仿真。制作的半径为50 mm的海水单极子天线的实验结果与理论预测吻合较好。测试结果表明，该海水天线具有较高的辐射效率。同时，由于海水的透明性和流动性，所提出的天线几乎是光学透明的，并且可以很容易地重构。天线的中心频率可以通过加长或缩短水柱来调节，而天线的带宽可以通过加宽或缩小水柱来调节。

指数项——单极天线，辐射效率，可重构，海水，透明天线，甚高频频段。

1. 导言

近年来，液体天线[1]正成为一个有趣的话题。对于液体天线，携带离子形式的带电粒子的流体被用作辐射介质。由于流体的流动性，当天线被激活时，流体可以被泵入塑料管，从而“展开”，当天线被激活时，流体可以被泵出或排出，管道也可以被移除，从而产生非常小的占用空间和雷达散射截面(RCS)。水天线作为流体天线的一种特例，由于其成本低、使用方便，可能是最受欢迎的一种。到目前为止，已经报道了多种类型的水天线[2]-[6]。文献[2]、[3]提出了一种简单的宽带单极子水天线。通过将盐溶于纯水中，仔细研究了该天线的性能。在此设计的基础上，加载的馈电探头通过引入螺母和垫圈来提高水磁单极子天线的性能[4].在[5]中提出另一种单极子水天线，通过在水和地面之间插入导电基座来最大化带宽。在[6]中，针对低频段蒸馏水介电常数高、损耗低的特点，设计了一种体积紧凑的立方水介质谐振器天线(DRA)。

早期的水天线研究大多基于淡水，仅通过实验分析进行[2]-[5]。然而，在海洋环境中，海水比淡水更容易获得。在文献[7]中，SPAWAR制作了一种海水单极子天线，该天线主要由一个电流探头和一个泵提供的海水流组成。它具有动态性和可重构性的优点。然而，在较高的甚高频(VHF)和超高频(UHF)频段，这种海水单极子天线的效率很低，因为稀薄的海水流不是一个有效的辐射体。我们还知道，气流变得越细，损耗电阻就越大，辐射效率就越低[8]。

本文提出了一种工作在甚高频频段的透明可重构海水单极子天线，该天线非常适合于海上无线通信。与文献[7]中动力型海水单极子天线相比较而言，我们的结构相对简单，主要由一个透明的充入海水的塑料管和顶装进料探头组成。此外，由于采用了高效的馈电结构和厚的海水圆柱体，我们提出的天线具有更高的效率。提出了一种基于三项理论的海水单极子天线的理论研究[8]，这在文献中是没有出现过的。给出了实验结果，验证了理论计算的正确性，并与理论计算结果进行了比较，取得了较好的一致性。测量结果表明，由于海水单极子的表面电阻较小，与文献[2]-[5]中的水天线相比，我们提出的天线具有更高的辐射效率。此外，由于海水的透明性和流动性，所提出的天线几乎是光学透明的，并且可以很容易地重构。文中详细介绍了天线的设计和实验结果。

1. 海水单极子ANTENN的结构

图1显示了安装在地平面上的海水单极天线的几何形状。如图所示，为了容纳海水钢瓶，选择了一根透明的亚克力管子垂直固定在特氟龙底座上，并用硅胶垫片密封。它的透过率近乎完美，因此可以用来设计光学透明天线。进给探头在插入水中之前在顶部装有铝盘，提高了TM模式的激励性。为了实现所需的TM模式，透明亚克力管和馈电探头是同心的，以保持其结构对称性。显然，海水单极子天线可重构，即其中心频率和带宽可以通过改变海水圆柱的高度和半径来调节。

一般来说，海水的介电常数为81，电导率为4S/m，但值得一提的是，海水的电性取决于其化学成分，而化学成分因地而异，因时而异。此外，海水的电特性随温度、压力和频率而变化[9]、[10]。因此，本文采用同轴线反射法[11]来表征海水的电学性质，以获得精确的设计。结果表明，在30~300 MHz频率范围内，有效海水的介电常数在77.6~79.8之间变化，电导率在3.9~4.2S/m之间变化。

1. 理论分析

在40到100兆赫的频率范围内，海水可以被视为良导体，但淡水只能被视为不完美的介质。因此，海水圆柱体充当单极子天线，而淡水圆柱体则充当介质谐振器天线。在本文中，我们只关注海水制成的单极子天线。利用King和Wu提出的非理想导电圆柱天线的三项理论对海水单极子天线进行了分析[8]。它从著名的Pocklington积分方程开始，描述了海水制成的圆柱形半波长偶极子天线的表面电流。为简单起见，选择海水的介电常数为78.7，在工作频率范围内的电导率为4S/m。同时，透明丙烯酸管材的厚度远小于工作波长，因此其影响几乎可以忽略不计。圆柱偶极子天线沿圆柱系统的轴线方向表示圆柱坐标半径为a和高度为2h，其中h是单极天线的高度。它在z=0处由间隙三角函数源和电动势(EMF)驱动的。这种圆柱偶极子天线的Pocklington积分方程可表示为[8]

并且是海水圆柱体单位长度的表面阻抗。在感兴趣的频率范围内，海水可被视为良导体，其表面阻抗可很好地近似为[12]

然后，利用三项理论从上述积分方程中近似求解圆柱偶极子天线的表面电流。圆柱偶极子天线的输入阻抗可以得到如下表达式

对于相应的圆柱单极子天线，众所周知，表面电流的分布与圆柱偶极子天线相同，输入阻抗可以表示为

一旦确定了输入阻抗，该圆柱单极子天线的反射系数就可以得到如下公式

并且是馈电传输线的特性阻抗。

图2(a)表示了具有不同半径值a的圆柱单极的理论表面电流。发现随着半径a的增加，电流的两个分量持续增加，但是，随着半径的增大，增加的速度会变慢。当半径大于60 mm(大约一个蒙皮深度)时，虚分量的大小只有很小的变化。同时，如前所述，海水的电学性质并不总是一成不变的，因此必须为电流分布提供不同的电导率值。图2(b)显示了不同电导率值下的理论表面电流。可以清楚地看到，电流的两个分量都随着电导率的增加而增大。与图2(a)类似，随着电导率的增加，增加的速度变慢。另一方面，从理论计算结果也可以看出，介电常数对电流分布的影响不大。

图3分别显示了不同半径a和不同电导率的圆柱单极子的理论反射系数。如图3(a)所示，圆柱形单极子天线的带宽随着半径a的增加而增加。这意味着可以通过选择不同半径的透明亚克力管来调节海水单极子天线的带宽。此外，从图3(b)可以看出，圆柱形单极子天线的谐振频率随着电导率的增加而略有上移，而带宽几乎保持不变。

天线辐射效率的研究具有重要的实际意义，因为它是评价天线性能的最重要的指标之一，根据理论电流分布，加热天线时内部消耗的功率与总功率之比可求为[13]

这里和分别是表面阻抗和输入阻抗的实部。因此，柱面单极子的辐射效率可以写成

如果设计得当，这种海水单极子天线也可以用于宽带应用。因此，在很宽的频率范围内（从40到200兆赫兹）观察它的辐射特性可能是有趣的，尽管在100兆赫兹到200兆赫兹的高频范围内略大的值和相对较小的值可能会导致较大的逼近误差。图4分别显示了不同半径a和不同电导率下的理论辐射效率。从图4(a)和图4(b)都可以观察到，辐射效率逐渐增加，并在达到最大值后随着频率的增加而趋于振荡。随着半径a或电导率的增大，曲线的峰值向低频方向移动。它还发现了辐射效率随着半径a或电导率的增加而不断增加。然而，随着半径或电导率的进一步增加，增加的速度变慢。

需要指出的是，海水温度也可能影响天线的工作。当水温升高时，其电导率也随之增加[14]。因此，根据图3(b)，很明显，当温度升高时，单极子天线的谐振频率会略微上移，而带宽几乎保持不变。此外，从图4(b)可以看出，辐射效率会随着温度的升高而不断增加。

1. 实验表征

我们制作的海水单极子天线的尺寸如下：

和t=3mm

图5显示了我们制作的单极子原型的照片。如图所示，为了便于测量，使用了一个底部开口的小金属盒来支撑天线。在进行测量时，将带小金属盒的海水单极子放置在非常大的导电接地上，其尺寸与工作波长相比是非常大的。金属箱体通过铝带与地平面相连。HFSS仿真结果表明，小盒对天线辐射的影响可以忽略不计。在照片中也可以看到，由于压克力管和海水的透明性，整个天线看起来几乎是透明的。图6对实测的反射系数、模拟的反射系数和理论预测的反射系数进行了比较。结果表明，HFSS和FEKO的模拟结果基本一致。实验结果与模拟结果有较好的一致性，但实验公差引起的误差较大。10dB阻抗带宽实测为27.8%(53.8~71.2MHz)，仿真为27.5%(54.3~71.6 MHz)。

除了第三节提到的可重新配置带宽外，很明显这种海水单极子天线也是频率可重新配置的。测得的海水柱体不同高度的反射系数如图7所示。结果表明，当海水柱体高度h在300~1000mm范围内变化时，天线的中心频率可在62.5~180.2 MHz的较宽频率范围内调谐，带宽在26.1%到49.2%之间变化。这些结果是非常有利的，因为海水圆柱体的高度可以很容易地通过抽入或抽出海水来调整。

用改进的Wheeler帽法[15]测量海水单极子天线的辐射效率，同时用[16]中的方法改变天线与金属盒之间的有效电距离，而不是改变盒的尺寸。与传统的Wheeler帽方法[17]相比，改进的Wheeler帽方法允许使用大的金属盒，因为帽中的共振效应可以被有效地抵消[15]。我们的海水单极子天线的实测辐射效率、模拟辐射效率和理论辐射效率如图8所示。参照该图，模拟结果和测量结果有很好的一致性，误差主要由实验公差引起。理论计算与实验结果也有较好的一致性。同时，测量的辐射效率在50.2%到72.3%之间，工作频段为40-200兆赫兹。

值得一提的是，图8所示的效率不是天线的总辐射效率，而是不包括反射损耗的辐射效率。值得注意的是，与文献[2]-[5]中描述的水天线相比，该天线具有更高的辐射效率。这是因为水单极子天线的辐射效率主要取决于它的表面电阻。表面电阻越小，辐射效率越高，在感兴趣的频率范围内，这种水柱可以近似地当作好的导体来对待，表面电阻相对较小，辐射效率较高。

从图6和图8可以看出，实验结果和理论结果之间有一些差异。这些分歧可以归因于以下三个原因。1)理论预测只考虑主波。2)三项理论在求解Pocklington积分方程时涉及到一定的近似。根据[8]，它在高度h、半径a和电导率方面的有效性如下：

和。

我们理论模型的参数是：S/m,h=1m和a=50mm。因此，在40-100 MHz的设计频率范围内，这些参数都在三项理论的有效范围内。但在100-200 MHz的频率范围内，值变得稍大，而相对较小，因此，辐射效率的实测值和预测值之间的差异增大，如图8所示。3)由于理论模型的简化，我们制作的模型与理论模型并不完全相同。在理论模型中，分析只考虑了单极高度h，而忽略了聚四氟乙烯底座的高度。发现该高度会影响单极子天线的反射系数。图9显示了不同高度值的模拟反射系数。可以看出，当增大时，海水单极子天线的谐振频率下移。在我们的设计中，由于最佳的回波损耗，我们选择为50 mm。

1. 结论

本文给出了一种用于海上无线通信的甚高频频段海水单极子天线的详细设计。设计了一种顶部加载的探头，可以有效地激发主导TM模。为了设计一种光学透明的天线，选择了一根透明的丙烯酸管子来容纳海水。对单极子海水天线进行了理论研究，文献中未见报道。实验结果与理论预测吻合较好。这种单极子的中心频率可以通过控制海水柱的高度来调节，而天线的带宽可以通过加宽或缩小水柱来调节。实测10dB阻抗带宽为27.8%(53.8-71.2MHZ)，天线的中心频率可在62.5MHZ~180.2 MHZ的较宽频率范围内调谐，带宽在26.1%~49.2%之间变化。同时，在40~200 MHz频段内，实测辐射效率在50.2%~72.3%之间变化。单极子海水天线的主要特点是辐射效率高、透明度高、可重构性好、成本低、结构简单。所有这些特性使得该天线在海上甚高频和短波无线通信中非常有用。

并激式高效海水单极子天线

摘要——采用一种新的并联激励馈电结构，提出了一种高效率的动态型海水单极子天线。分流励磁馈电结构主要由导电管和靠近顶部连接到导电管的伽马形(Gamma;形)馈电臂构成。利用等效电路模型和ANSYS HFSS软件对海水单极子天线进行了分析和设计。为了验证设计思想的正确性，设计并制作了静态型和动态型两种并联激励海水单极子天线样机。制作的两个天线样机的测量结果与仿真结果吻合较好，表明所提出的并联激励馈电结构为设计高效动态型海水单极子天线提供了很大的潜力。

近年来，水单极子天线在几篇研究文章中都有报道，其中提出了各种馈电方式[1]-[4]。文献[1]将馈电探头直接插入水中，设计了一种宽A带水单极子天线。在文献[2]中，引入了一个装有螺母和垫圈的馈电探头来改善水单极子天线的性能。在文献[3]中提出了另一种水单极子天线，在水和地平面之间插入介质基座以最大化带宽。

早期的水单极子天线多为静止型[1]-[3]。在这种水天线中，需要绝缘体将水单极子与地面分开/绝缘，通常需要塑料管来容纳水。静电型水单极子天线虽然设计和制造简单，但在实际应用中存在一定的局限性。例如，在设计高频天线时，需要一个很长的管子来容纳水。然而，在实际实施中，要搬运和装配这么长的管子是很困难的。为了克服这些缺点，利用电流探头激励细海水流，制作了一种动态型海水单极子天线[4]。它具有动态(实时)和快速可重构的优点。然而，这种海水单极子天线的效率很低，因为电流探头中的环形铁氧体磁芯在甚高频(VHF)时是有损耗的，而且稀薄的海水流不是一个有效的辐射体[5]。因此，设计一种简单易行的高效动态型海水单

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