船舶定線制水域AIS基站的等離子體八木天線

孫洋　胡勤友　趙建森　袁秋夢　諶浩

摘要：

針對目前廣泛使用的AIS基站發(fā)射天線的不足，提出將等離子體八木天線應(yīng)用到海事智能通信領(lǐng)域，作為船舶定線制水域AIS基站的發(fā)射天線.該方法根據(jù)等離子體介電常數(shù)與電子密度的關(guān)系，利用HFSS構(gòu)建AIS基站等離子體八木天線模型.通過改變該模型等離子體參數(shù)、無源振子個(gè)數(shù)等，對其進(jìn)行方向圖仿真.仿真結(jié)果表明：當(dāng)關(guān)閉無源振子時(shí)，天線可作為全向天線；當(dāng)增加無源振子個(gè)數(shù)和電子密度時(shí)，該天線定向性增強(qiáng)，方向圖主瓣變窄.用該方法建立的天線可快速實(shí)現(xiàn)全向與定向之間的轉(zhuǎn)換，顯示出良好的可重構(gòu)性.仿真結(jié)果證明了船舶定線制水域AIS基站使用等離子體八木天線的可行性.該方法可改善定線制水域的通信效果和海事監(jiān)管能力.

關(guān)鍵詞：

船舶定線制； 等離子體； 八木天線； 可重構(gòu)性； 增益

0引言

伴隨著世界經(jīng)貿(mào)全球化、一體化進(jìn)程，我國國民經(jīng)濟(jì)得到持續(xù)、健康和快速發(fā)展.這帶動(dòng)了航運(yùn)市場的空前繁榮，但交通流密度的增大，使我國沿海海域在交通和環(huán)境方面存在安全隱患.船舶定線制指船舶在某些水域航行時(shí)要遵循或采用所規(guī)定的航線、航路或通航分道的一種制度[1]，是在水上交通密集區(qū)施行有效管理的主要途徑，是合理規(guī)劃、有效利用航路的重要方法，在規(guī)范船舶交通流、保障航行安全、預(yù)防沿海環(huán)境污染和提高交通效率方面起到至關(guān)重要的作用，在國際上被廣泛采用[2].

船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）在海事通信領(lǐng)域起到不可取代的作用[3]，然而對AIS基站發(fā)射天線的研究并未得到應(yīng)有的重視.目前在我國船舶定線制水域中，AIS基站發(fā)射天線主要采用全向金屬天線，雖然可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息群發(fā)，但也存在許多問題：

（1）我國成山角船舶定線制水域內(nèi)，部分水域離岸距離在20 n mile以上，甚至有些水域離岸距離超過25 n mile，而全向性天線增益較低，大大限制了AIS信息播發(fā)距離，這就需要定向天線來彌補(bǔ).

（2）AIS基站通信系統(tǒng)中，全向性發(fā)射天線功率在20 W以上，對周圍岸上設(shè)施及用戶有較強(qiáng)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(shí)隙沖突，大大增加了船舶交通管理系統(tǒng)（Vessel Traffic System，VTS）值班員的負(fù)擔(dān).因此，AIS基站可采用甚高頻（Very High Frequency，VHF）高增益定向天線以增強(qiáng)AIS基站與VHF岸臺通信效果.

本文提出將電控等離子體八木天線應(yīng)用到海事智能通信領(lǐng)域，將其作為船舶定線制水域AIS基站的發(fā)射天線.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(dǎo)介質(zhì)的一種天線，與金屬天線相比，具有質(zhì)量輕、隱身性能好、可重構(gòu)等特點(diǎn).[47]利用等離子體構(gòu)建八木天線時(shí)：當(dāng)無源振子全部關(guān)閉，天線系統(tǒng)只剩下有源振子時(shí)，該天線為全向天線；改變等離子體參數(shù)和增加引向振子個(gè)數(shù)可使天線方向性動(dòng)態(tài)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域通信.相比于金屬八木天線，等離子體八木天線具有可重構(gòu)性和低互耦性等優(yōu)點(diǎn).

1AIS基站等離子體八木天線模型與樣機(jī)

AIS基站等離子體八木天線模型包括有源等離子體振子和無源等離子體振子.根據(jù)等離子體天線理論，假設(shè)等離子體軸向、徑向分布均勻，其相對介電常數(shù)[89]為

當(dāng)ω<ωpe時(shí)，εr<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(zhì)管內(nèi)表面之間以表面波的形式傳播，且沿徑向傳播的電磁波迅速衰減.這時(shí)，等離子體可以作為天線進(jìn)行電磁波的傳播.

利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）構(gòu)建等離子體引向天線模型，根據(jù)式（1）和（3），結(jié)合等離子體電子密度和碰撞頻率選取適當(dāng)?shù)南鄬殡姵?shù)，天線中心頻率分別選擇AIS的兩個(gè)通信頻率161.975 MHz和162.025 MHz.通過改變等離子體參數(shù)和引向振子個(gè)數(shù)對天線方向圖進(jìn)行仿真.等離子體八木天線仿真模型如圖1所示.所設(shè)計(jì)的天線由1根有源振子、1根無源

反射振子和3根無源引向振子構(gòu)成.因?yàn)闊o源引向

振子超過5根時(shí)，每多加1根，天線的增益變化不大，所以這里為了突出天線明顯的可重構(gòu)特性，只選用了3根無源引向振子.

由于等離子體內(nèi)部具有一定的電位，不能夠采用直連耦合進(jìn)行饋電.天線的饋電模式如圖2所示，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.將金屬套環(huán)緊緊裹附在鋼化玻璃腔體外側(cè)，與內(nèi)部等離子體構(gòu)成耦合電容，通過改變無源振子工作狀態(tài)進(jìn)行仿真.同時(shí)，利用放電管搭建等離子體天線實(shí)物模型.等離子體振子電子密度通過調(diào)節(jié)電源工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié).圖3為等離子體八木天線原理性樣機(jī).該天線樣機(jī)有1個(gè)有源振子，1個(gè)無源反射振子和3個(gè)無源引向振子，其中有源振子采用半波折合振子.所有天線振子外徑為12 mm，內(nèi)徑為10 mm，均利用20 kHz高壓激勵(lì)源進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)功率可以調(diào)節(jié).根據(jù)氣體放電潘寧效應(yīng)，放電管內(nèi)部的填充氣體是氖氣和少量氬氣.天線支架和活動(dòng)套環(huán)用于固定等離子體八木天線有源及無源振子，活動(dòng)套環(huán)可以沿支架軸向移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)天線振子之間的距離.可以更換不同長度的天線振子.因此，該天線樣機(jī)可通過調(diào)節(jié)放電狀態(tài)、振子間距、振子長度等，調(diào)節(jié)天線的方向性和阻抗帶寬.

2結(jié)果與分析

2.1等離子體八木天線阻抗帶寬特性

氣體輝光放電產(chǎn)生的等離子體的電子密度量級最高為1018m-3.經(jīng)Langmuir雙探針診斷，利用20 kHz激勵(lì)源產(chǎn)生的等離子體的電子密度量級在1015m-3與1017 m-3之間.由于等離子體八木天線振子的激勵(lì)方式是雙向激勵(lì)，內(nèi)部等離子體的電子密度軸向、徑向變化很小，因此在利用HFSS仿真時(shí)，可近似將等離子體參量看成是軸向、徑向均勻的.因?yàn)殡娮用芏忍?，對VHF段電磁波影響不大，而現(xiàn)有的等離子體激勵(lì)源技術(shù)難以產(chǎn)生高密度的等離子體，同時(shí)天線振子中的放電氣體氣壓很低，氣體碰撞頻率相對等離子體頻率可以被忽略，所以仿真中選取的等離子體電子密度量級在1015 m-3與1018 m-3之間.圖4是在等離子體電子密度量級分別為1016m-3和1017 m-3時(shí)，等離子體八木天線阻抗帶寬測量和仿真結(jié)果.這里天線阻抗場地為寬闊的操場，發(fā)射天線為等離子體八木天線，接收天線為金屬天線，此時(shí)天線無源引向振子全部打開，測試儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent， E5071C），工作頻率為161.975 MHz（AIS1）.無源反射振子長度為0.52個(gè)波長，有源振子有效長度為0.48個(gè)波長，3根無源引向振子等長且為0.45個(gè)波長，各相鄰振子之間等間距且為0.2個(gè)波長.仿真選取的天線振子外徑為12 mm，內(nèi)徑為10 mm，饋電模式為電容耦合模式，天線振子長度可改變.根據(jù)式（3），等離子體相對介電常數(shù)設(shè)置為-31.7～-283.76.在圖4中，利用探針診斷法測量等離子體八木天線在不同放電功率下的電子密度區(qū)間，進(jìn)而將等離子體電子密度調(diào)到1016 m-3量級.從圖4a可以看出，當(dāng)八木天線的各振子長度固定不變時(shí)，測量和仿真所得到的回波損耗（S11）數(shù)值相近，仿真值略高于測量值，且仿真所得到的阻抗帶寬小于測量值，這可能是因?yàn)樘炀€振子等離子體內(nèi)存在一定的軸向、徑向密度梯度.從圖4b中可以看出，當(dāng)電子密度接近1017 m-3時(shí)，S11明顯降低，阻抗帶寬也一定增加.S11的實(shí)測值與仿真值相差不大，說明當(dāng)碰撞頻率低且電子密度較高時(shí)，仿真結(jié)果的可靠性較高，等離子體八木天線輻射性能較好.

2.2等離子體八木天線輻射特性

2.2.1電子密度對八木天線輻射特性的影響

天線輻射特性主要取決于方向性和增益.通過改變各振子工作狀態(tài)、振子間距及振子長度來研究等離子體八木天線的輻射特性及重構(gòu)特性.天線方向性及增益的測量場地同回波損耗.增益采用比較法測量.在測量方向圖時(shí)，等離子體八木天線作為發(fā)射天線被安放在自制的天線轉(zhuǎn)臺上，金屬全向天線

作為接收天線.每隔10°測一次數(shù)據(jù)，因?yàn)槿魏翁炀€測試都有不確定度，所以對每一條件下的方向圖測量6次后取平均值.等離子體八木天線在電子密度1017 m-3量級上的E面歸一化方向圖實(shí)測與仿真結(jié)

果見圖6，天線工作頻率為161.975 MHz.從測量結(jié)

果中可以看出，當(dāng)振子全開時(shí)，天線具有較好的定向性，實(shí)測值與仿真值相差不大，其中實(shí)測方向圖的后向散射略大于仿真值，這是因?yàn)閳龅乇旧泶嬖诜瓷?

通過改變放電功率，改變等離子體電子密度，可以實(shí)現(xiàn)天線的方向圖快速動(dòng)態(tài)重構(gòu).圖7給出了當(dāng)電子密度量級為1017m-3和1018m-3時(shí)，引向振子為5根時(shí)，等離子體八木天線水平面歸一化方向圖仿真結(jié)果.在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，激勵(lì)源產(chǎn)生的等離子體電子密度范圍較窄，達(dá)不到1018 m-3，因此這里只給出仿真結(jié)果.從圖中可以看出：當(dāng)電子密度在1018 m-3量級時(shí)，天線主瓣尖銳，通信范圍變窄；當(dāng)電子密度減小且較低時(shí)，天線通信范圍較寬，體現(xiàn)了較好的方向圖可重構(gòu)性.表1給出了不同電子密度下，等離子體八木天線半功率波束寬度（Half Power

Beam Width，HPBW）、增益與方向性系數(shù)減小的測量結(jié)果.當(dāng)電子密度在1018 m-3量級時(shí)，天線具有較高的增益，接近7.5 dBi，而且天線的通信覆蓋角度很?。焕肏FSS仿真了與等離子體八木天線相同規(guī)格及尺寸的金屬八木天線，增益在9 dBi左右.可見，高密度等離子體天線的增益接近金屬天線的增益.當(dāng)電子密度在1017 m-3量級時(shí)，通信區(qū)域變寬，天線的半功率角接近60°，最大輻射方向增益降低到6 dBi左右.當(dāng)電子密度在1016 m-3量級左右時(shí)，HPBW接近70°，最大方向增益約5 dBi.因?yàn)閮H僅通過調(diào)節(jié)天線激勵(lì)源的功率就可以實(shí)現(xiàn)電子密度的快速轉(zhuǎn)換，所以等離子體八木天線具有非常好的方向圖可重構(gòu)性，可快速構(gòu)建AIS基站通信覆蓋區(qū)域.

2.2.2引向振子工作狀態(tài)對天線可重構(gòu)性影響

當(dāng)關(guān)閉所有振子激勵(lì)源時(shí)，雷達(dá)散射截面很小，可以實(shí)現(xiàn)隱身，具有很高的軍事應(yīng)用價(jià)值.當(dāng)無源振子全部關(guān)閉，只有有源振子工作時(shí)，天線為單極子天線，此時(shí)水平面方向性為全向性，可實(shí)現(xiàn)信息全向廣播.當(dāng)開啟無源反射振子并改變無源引向振子個(gè)數(shù)時(shí)，定向性瞬間變化，通信區(qū)域也快速改變.圖8是信號頻率為AIS2 （162.025 MHz）的條件下，當(dāng)無源振子全部關(guān)閉和全部開啟時(shí)，等離子體八木天線的三維方向圖仿真結(jié)果.可以看出，當(dāng)關(guān)閉全部無源振子時(shí)，天線為半波對稱振子天線，水平方向?yàn)槿蛐?當(dāng)開啟全部無源振子（1個(gè)無源反射振子，3個(gè)無源引向振子）時(shí)，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(tài)便可以實(shí)現(xiàn)全向與定向的快速變換.在AIS基站發(fā)射系統(tǒng)中，為增大通信距離，有必要開啟多個(gè)無源振子.

2.2.3天線振子長度對方向圖可重構(gòu)性的影響

參考金屬八木天線理論，天線性能也受振子長度的影響.實(shí)驗(yàn)中選取不同長度的天線振子進(jìn)行測試.天線無源反射振子的長度分別為926 mm和1 100 mm，外徑12 mm，內(nèi)徑10 mm，內(nèi)部充有氖與氬的混合氣體，氣壓為100 Pa，激勵(lì)源為20 kHz交流電源.文獻(xiàn)[13]給出了電容耦合饋電模式下，等離子體天線具有較寬的阻抗帶寬特性.本實(shí)驗(yàn)通過對大量測試結(jié)果的分析得出：不同長度等離子體振子在電子密度相差不大的情況下，由于等離子體天線的特殊性質(zhì)，天線振子的阻抗特性變化不大.

圖9給出了無源反射振子在不同長度（分別為926 mm和1 100 mm）下等離子體八木天線的方向圖測試結(jié)果.通信頻率為162 MHz，有源振子（0.48個(gè)波長）和5根無源引向振子（0.45個(gè)波長）長度保持不變.可以看出，兩種條件下天線的方向性和增益相差很小，因此無源反射振子的長度對等離子體八木天線性能的可重構(gòu)貢獻(xiàn)不大.而且，在AIS基站等離子體八木天線系統(tǒng)中，等離子體充滿整個(gè)放電管時(shí)電子密度才會很高，天線增益才能滿足要求.更換不同長度的放電管顯然滿足不了快速動(dòng)態(tài)重構(gòu)的要求，因此更換不同長度振子對快速實(shí)現(xiàn)波束轉(zhuǎn)換的意義不大.

3可行性分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真的結(jié)果說明，通過調(diào)節(jié)等離子體參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)等離子體天線系統(tǒng)與傳輸線匹配.同時(shí)，通過調(diào)節(jié)天線振子個(gè)數(shù)、振子間距和振子長度可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)天線方向性及增益，調(diào)整天線的覆蓋區(qū)域.當(dāng)僅僅開啟天線系統(tǒng)的有源振子，關(guān)閉所有無源振子時(shí)，等離子體八木天線可以作為全向性天線使用，實(shí)現(xiàn)AIS信息廣播.金屬天線為了達(dá)到不同的工作頻率，必須改變天線的尺寸或形狀，在VHF通信頻段上，一般只能實(shí)現(xiàn)雙頻或三頻通信.因此，在可重構(gòu)方面，等離子體天線要方便得多.

文獻(xiàn)[13]給出了等離子體振子對電磁波吸收與反射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)?shù)入x子體頻率足夠大時(shí)，對電磁波反射性能增強(qiáng).當(dāng)增加等離子體電子密度時(shí)，無源反射振子對電磁波的反射作用增強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上增加無源引向振子個(gè)數(shù)時(shí)，天線的定向性增強(qiáng)，后向散射減小，進(jìn)而降低了天線后向電磁干擾.當(dāng)不需要天線工作時(shí)，關(guān)閉天線振子，可實(shí)現(xiàn)零干擾.

在能源消耗方面，文獻(xiàn)[14]給出了等離子體天線激勵(lì)源維持1 m長天線工作時(shí)所需要的功率，在kHz級交流電源的激勵(lì)模式下，放電功率一般小于2 W.

另外，在等離子體天線系統(tǒng)中，如果適當(dāng)調(diào)整等離子體參數(shù)，可減小等離子體放電管的尺寸，這樣可以將等離子體八木天線小型化，同時(shí)天線重量減少，故在此方面等離子體八木天線比金屬天線有一定的優(yōu)勢.

在天線增益及電磁兼容性方面，等離子體天線跟金屬天線相比有一定差距.目前MHz級交流與kHz級交流等離子體激勵(lì)源均可產(chǎn)生較高密度的等離子體，利用先進(jìn)的濾波技術(shù)及屏蔽技術(shù)可大幅度降低電磁干擾.因此，在不久的將來等離子體天線可應(yīng)用到海事通信領(lǐng)域，以改善船舶定線制水域的通信效果和海事監(jiān)管能力.

4結(jié)論

通過對等離子體八木天線模型的仿真和實(shí)驗(yàn)研究及等離子體天線用于船舶定線制水域AIS基站發(fā)射天線的可行性分析，得出：

（1）通過改變等離子體電子密度、無源振子個(gè)數(shù)及工作狀態(tài)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整天線的方向性、增益、輸入阻抗等天線參數(shù)，實(shí)現(xiàn)等離子體天線快速動(dòng)態(tài)可調(diào)，使其可以作為智能天線.

（2）等離子體八木天線在AIS通信頻段上可以在不施加任何匹配網(wǎng)絡(luò)的情況下，僅通過調(diào)整等離子體狀態(tài)便可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配.

（3）等離子體八木天線在功耗、電磁兼容、增益、可重構(gòu)性等方面均有改善，并滿足AIS基站發(fā)射天線的通信需求，因此可以作為船舶定線制水域AIS基站的發(fā)射天線使用.

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（編輯趙勉）