AIS波段等離子體引向天線輻射特性分析

袁秋夢+梁澤鵬+趙滿堂+諶浩+唐新翻+趙建森

【摘 要】根據等離子體介電常數與電子密度的關系，利用HFSS，構建AIS通信頻段等離子體引向天線模型。通過改變該模型等離子體參數、無源引向振子個數，對其進行方向圖仿真。結果得到，當關閉無源振子時，天線可作為全向天線；當增加無源振子個數時，該天線定向性增大，方向圖主瓣變窄。同時，利用氣體放電管搭建等離子體八木天線，通過改變無源振子個數，天線增益明顯變化，顯示出良好的可重構特性。

【關鍵詞】AIS；等離子體；可重構；增益

0 引言

自動識別系統（AIS）在海事通信領域起到不可取代的作用[1]，然而AIS基站的發射天線研究并未得到應有的重視。目前在我國定線制水域中，AIS基站發射天線主要采用全向金屬天線，雖然可以在較大范圍內實現信息群發，但也存在許多問題：

1）我國成山角定線制水域內，部分水域離岸距離在20海里以上，甚至有些水域離岸距離超過25海里。而全向性天線增益較低，這大大降低了AIS信息播發距離；

2）AIS基站通信系統中，全向性發射天線功率在20W以上，對周圍岸上設施及用戶產生較強的電磁干擾；

3）由于水域交通流密度增大，通信信道常被占用，存在時隙沖突，大大增加了VTS值班員的負擔。

因此，新的定線制水域提案中交代，AIS岸站采用VHF高增益定向天線以增強AIS基站和VHF岸站通信效果。

我們提出了將電控等離子體引向天線應用到海事通信領域，將其作為定線制水域AIS基站的發射天線這一想法。等離子體天線是用等離子體代替金屬天線元作為電磁能量傳導介質的一種天線[2-3]。等離子體天線與金屬天線相比，具有重量輕、可隱身、可重構等特點[4]。利用等離子體構建引向天線時，當無源振子全部關閉，天線系統只剩下有源振子，該天線為全向天線；當改變等離子體參量和增加引向振子個數時，天線方向性動態可調，可實現不同區域通信。相比于金屬引向天線，等離子體引向天線具有可重構性和低互耦性等優點。

1 AIS頻段等離子體天線模型

AIS基站等離子體引向天線模型包括：有源等離子體振子、無源等離子體振子。根據等離子體天線理論，假設等離子體軸向、徑向分布均勻，其相對介電常數？著r為：

當信號頻率小于等離子體頻率時，相對介電常數？著r<0。電磁波不能在等離子體中傳播，而是在等離子體外表面與介質管內表面之間以表面波的形式傳播，而沿徑向傳播的電磁波迅速衰減。這時，等離子體可以作為天線進行電磁波的傳播。文獻[5]證明等離子體頻率遠大于信息頻率。

利用HFSS構建等離子體引向天線模型，根據公式（1）和（2），結合等離子體電子密度、碰撞頻率選取適當介電常數，天線中心頻率分別選擇AIS的兩個通信頻率161.975MHz和162.025MHz。通過改變等離子體參量和引向振子個數對天線方向圖進行仿真。等離子體引向天線模型如圖1所示。所設計的天線由一根有源振子、一根無源反射振子、三根無源引向振子構成，因為無源振子超過五根，每多加一根，天線的增益變化不是很大。這里為了突出天線明顯的可重構特性，只選用了三根無源引向振子。

為更加準確的進行仿真，天線外部是鋼化玻璃腔體，有源振子采用電容耦合饋電模式，如圖2所示。將金屬套環緊緊裹附在鋼化玻璃腔體外側，與內部等離子體構成耦合電容。通過改變無源振子工作狀態進行仿真。同時，利用放電管搭建了等離子體天線實物模型。等離子體振子電子密度可通過調節電源工作狀態進行調節。圖3表示的是利用電源調節天線電長度和等離子體參數。構建等離子體引向天線主要是借助該天線的動態可調控性。所以在此，主要側重于通過仿真結合實驗來研究等離子體參數對八木天線阻抗、增益及方向性影響。

1.等離子體；2.放電管；3.金屬套環；4.介質層；5.接地面；6.同軸線

圖 3 等離子體天線單一振子電控實體圖

2 仿真結果

2.1 不同等離子體參數下天線的輻射特性

在仿真中，選取等離子體電子密度范圍從1016m-3到1018m-3量級。因為電子密度太小，對甚高頻段電磁波起作用不大，而現有的等離子體激勵源技術難以產生高密度的等離子體，目前文獻中所給出的輝光放電產生的最高電子密度約為1018m-3量級。當電子密度減小時，由表1給出結果可知，天線半功率波束寬度（HPBW）變寬，增益與方向性系數減小?？赏ㄟ^調整電子密度動態調節天線方向圖，而電子密度僅僅通過調節放電功率即可實現，這樣天線覆蓋區域的調節比金屬天線更加靈活。當電子密度在1018m-3量級時，天線具有較高的增益，接近7.5dBi。我們利用HFSS軟件仿真了與等離子體八木天線相同規格及尺寸的金屬八木天線，增益在8.3dBi左右?？梢?，高密度等離子體天線增益可以與金屬天線增益媲美。

表1 不同電子密度下天線垂直面半功率角及增益

2.2 引向振子個數對方向圖影響

當關閉所有振子激勵源時，天線變成放電管，雷達散射截面很小，可以實現隱身，具有很高的軍事應用價值。當無源振子全部關閉，只有有源振子工作時，天線為單極子天線，此時水平面方向性為全向性，可實現信息全向廣播。當開啟反射振子并改變引向振子個數時，定向性瞬間變化，通信區域也快速改變。當無源振子全部關閉時，天線為半波對稱振子天線，水平方向為全向性。當開啟全部無源振子（一個反射振子，三個引向振子）時，天線的指向性迅速變化，這說明等離子體八木天線僅僅通過改變振子的工作狀態便可以實現全向和定向的快速變換。在AIS基站發射系統中，為了增大通信距離，有必要開啟多個無源振子。

表2給出的是在開啟一個反射振子的條件下，不同引向振子個數對等離子體八木天線垂直面方向圖主瓣HPBW的影響。當關閉全部引向振子時，天線半功率角非常大，在110°左右，不斷增加反射振子個數時，天線的定向性增加，通信范圍變窄，半功率波束寬度減小，當引向振子個數增加到3個時，HPBW減小到50°左右。因此，等離子體電子密度一定的條件下，通過改變無源振子個數，可以快速調整天線方向性，增加引向振子個數，天線方向圖中前向和后向的電場振幅比增大，定向性增大，半功率角變窄。但由于重量等原因不能一直增加振子個數，需折中考慮。這里僅給出了有源振子為半波對稱振子，并含有三個引向振子的引向天線在AIS通信頻段下，通過改變振子個數，等離子體電子密度，天線方向性、通信覆蓋區域及增益的仿真結果。當然，等離子體引向天線的性能也受振子長度、振子間距等參數的影響，這些影響的研究目前正在進行當中。

表 2 引向振子個數對天線垂直面方向圖半功率角影響

3 等離子體引向天線增益實驗分析

利用等離子體放電管根據文獻[2]制作等離子體八木天線，放電管長度約為半波長，反射振子長度略長，約0.6個波長。通過調節放電管開關電源，改變等離子體振子個數。

4 結論

通過對等離子體引向天線模型仿真和實驗研究，得出：

1）通過改變等離子體電子密度，反射振子、引向振子個數及工作狀態，可以動態調整天線的方向性、增益、輸入阻抗等天線參數，實現等離子體天線快速動態可調。等離子體八木天線可以作為智能天線。

2）等離子體引向天線在AIS通信頻段率上可以在不施加任何匹配網絡的情況下，僅調整等離子體狀態便可實現阻抗匹配。

3）等離子體引向天線在功耗、電磁兼容、增益、可重構性等方面均能得到改善，并滿足AIS岸站發射天線通信需求，可以作為定線制水域AIS岸站的發射天線使用。

【參考文獻】

[1]劉軼華，肖英杰，關克平.基于AIS海上交通調查的寧波-舟山核心港區船舶定線制[J].上海海事大學學報，2014，35（1）：1-5.

[2]趙會超，劉少斌，孔祥鯤，等.等離子體八木天線的仿真與實驗研究[J].微波學報，2014，30（1）：20-23.

[3]Borg G G， Harris J H， Martin N M. Plasma as antennas： Theory， experiment and applications[J].Physics of plasmas，2000，7（5）：2198-2202.

[4]梁志偉，趙國偉，徐杰，等.柱形等離子體天線輻射特性矩量法分析[J].電波科學學報，2008，23（4）：749-753.

[5]宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播（第二版）[M].西安電子科技大學出版社，2011.

[責任編輯：王楠]