船舶定线制水域AIS基站的等离子体八木天线
孙洋 胡勤友 赵建森 袁秋梦 谌浩
摘要：
针对目前广泛使用的AIS基站发射天线的不足，提出将等离子体八木天线应用到海事智能通信领域，作为船舶定线制水域AIS基站的发射天线.该方法根据等离子体介电常数与电子密度的关系，利用HFSS构建AIS基站等离子体八木天线模型.通过改变该模型等离子体参数、无源振子个数等，对其进行方向图仿真.仿真结果表明：当关闭无源振子时，天线可作为全向天线；当增加无源振子个数和电子密度时，该天线定向性增强，方向图主瓣变窄.用该方法建立的天线可快速实现全向与定向之间的转换，显示出良好的可重构性.仿真结果证明了船舶定线制水域AIS基站使用等离子体八木天线的可行性.该方法可改善定线制水域的通信效果和海事监管能力.
关键词：
船舶定线制； 等离子体； 八木天线； 可重构性； 增益
0引言
伴随着世界经贸全球化、一体化进程，我国国民经济得到持续、健康和快速发展.这带动了航运市场的空前繁荣，但交通流密度的增大，使我国沿海海域在交通和环境方面存在安全隐患.船舶定线制指船舶在某些水域航行时要遵循或采用所规定的航线、航路或通航分道的一种制度[1]，是在水上交通密集区施行有效管理的主要途径，是合理规划、有效利用航路的重要方法，在规范船舶交通流、保障航行安全、预防沿海环境污染和提高交通效率方面起到至关重要的作用，在国际上被广泛采用[2].
船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）在海事通信领域起到不可取代的作用[3]，然而对AIS基站发射天线的研究并未得到应有的重视.目前在我国船舶定线制水域中，AIS基站发射天线主要采用全向金属天线，虽然可以在较大范围内实现信息群发，但也存在许多问题：
（1）我国成山角船舶定线制水域内，部分水域离岸距离在20 n mile以上，甚至有些水域离岸距离超过25 n mile，而全向性天线增益较低，大大限制了AIS信息播发距离，这就需要定向天线来弥补.
（2）AIS基站通信系统中，全向性发射天线功率在20 W以上，对周围岸上设施及用户有较强的电磁干扰.
（3）由于水域交通流密度增大，通信信道常被占用，存在时隙冲突，大大增加了船舶交通管理系统（Vessel Traffic System，VTS）值班员的负担.因此，AIS基站可采用甚高频（Very High Frequency，VHF）高增益定向天线以增强AIS基站与VHF岸台通信效果.
本文提出将电控等离子体八木天线应用到海事智能通信领域，将其作为船舶定线制水域AIS基站的发射天线.等离子体天线是用等离子体代替金属天线元作为电磁能量传导介质的一种天线，与金属天线相比，具有质量轻、隐身性能好、可重构等特点.[47]利用等离子体构建八木天线时：当无源振子全部关闭，天线系统只剩下有源振子时，该天线为全向天线；改变等离子体参数和增加引向振子个数可使天线方向性动态可调，实现不同区域通信.相比于金属八木天线，等离子体八木天线具有可重构性和低互耦性等优点.
1AIS基站等离子体八木天线模型与样机
AIS基站等离子体八木天线模型包括有源等离子体振子和无源等离子体振子.根据等离子体天线理论，假设等离子体轴向、径向分布均匀，其相对介电常数[89]为
当ω<ωpe时，εr<0，电磁波不能在等离子体中传播，而是在等离子体外表面与介质管内表面之间以表面波的形式传播，且沿径向传播的电磁波迅速衰减.这时，等离子体可以作为天线进行电磁波的传播.
利用高频结构仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）构建等离子体引向天线模型，根据式（1）和（3），结合等离子体电子密度和碰撞频率选取适当的相对介电常数，天线中心频率分别选择AIS的两个通信频率161.975 MHz和162.025 MHz.通过改变等离子体参数和引向振子个数对天线方向图进行仿真.等离子体八木天线仿真模型如图1所示.所设计的天线由1根有源振子、1根无源
反射振子和3根无源引向振子构成.因为无源引向
振子超过5根时，每多加1根，天线的增益变化不大，所以这里为了突出天线明显的可重构特性，只选用了3根无源引向振子.
由于等离子体内部具有一定的电位，不能够采用直连耦合进行馈电.天线的馈电模式如图2所示，天线外部是钢化玻璃腔体，有源振子采用电容耦合馈电模式.将金属套环紧紧裹附在钢化玻璃腔体外侧，与内部等离子体构成耦合电容，通过改变无源振子工作状态进行仿真.同时，利用放电管搭建等离子体天线实物模型.等离子体振子电子密度通过调节电源工作状态进行调节.图3为等离子体八木天线原理性样机.该天线样机有1个有源振子，1个无源反射振子和3个无源引向振子，其中有源振子采用半波折合振子.所有天线振子外径为12 mm，内径为10 mm，均利用20 kHz高压激励源进行激励，激励功率可以调节.根据气体放电潘宁效应，放电管内部的填充气体是氖气和少量氩气.天线支架和活动套环用于固定等离子体八木天线有源及无源振子，活动套环可以沿支架轴向移动，进而调节天线振子之间的距离.可以更换不同长度的天线振子.因此，该天线样机可通过调节放电状态、振子间距、振子长度等，调节天线的方向性和阻抗带宽.
2结果与分析
2.1等离子体八木天线阻抗带宽特性
气体辉光放电产生的等离子体的电子密度量级最高为1018m-3.经Langmuir双探针诊断，利用20 kHz激励源产生的等离子体的电子密度量级在1015m-3与1017 m-3之间.由于等离子体八木天线振子的激励方式是双向激励，内部等离子体的电子密度轴向、径向变化很小，因此在利用HFSS仿真时，可近似将等离子体参量看成是轴向、径向均匀的.因为电子密度太小，对VHF段电磁波影响不大，而现有的等离子体激励源技术难以产生高密度的等离子体，同时天线振子中的放电气体气压很低，气体碰撞频率相对等离子体频率可以被忽略，所以仿真中选取的等离子体电子密度量级在1015 m-3与1018 m-3之间.图4是在等离子体电子密度量级分别为1016m-3和1017 m-3时，等离子体八木天线阻抗带宽测量和仿真结果.这里天线阻抗场地为宽阔的操场，发射天线为等离子体八木天线，接收天线为金属天线，此时天线无源引向振子全部打开，测试仪器为矢量网络分析仪（Agilent， E5071C），工作频率为161.975 MHz（AIS1）.无源反射振子长度为0.52个波长，有源振子有效长度为0.48个波长，3根无源引向振子等长且为0.45个波长，各相邻振子之间等间距且为0.2个波长.仿真选取的天线振子外径为12 mm，内径为10 mm，馈电模式为电容耦合模式，天线振子长度可改变.根据式（3），等离子体相对介电常数设置为-31.7～-283.76.在图4中，利用探针诊断法测量等离子体八木天线在不同放电功率下的电子密度区间，进而将等离子体电子密度调到1016 m-3量级.从图4a可以看出，当八木天线的各振子长度固定不变时，测量和仿真所得到的回波损耗（S11）数值相近，仿真值略高于测量值，且仿真所得到的阻抗带宽小于测量值，这可能是因为天线振子等离子体内存在一定的轴向、径向密度梯度.从图4b中可以看出，当电子密度接近1017 m-3时，S11明显降低，阻抗带宽也一定增加.S11的实测值与仿真值相差不大，说明当碰撞频率低且电子密度较高时，仿真结果的可靠性较高，等离子体八木天线辐射性能较好.
2.2等离子体八木天线辐射特性
2.2.1电子密度对八木天线辐射特性的影响
天线辐射特性主要取决于方向性和增益.通过改变各振子工作状态、振子间距及振子长度来研究等离子体八木天线的辐射特性及重构特性.天线方向性及增益的测量场地同回波损耗.增益采用比较法测量.在测量方向图时，等离子体八木天线作为发射天线被安放在自制的天线转台上，金属全向天线
作为接收天线.每隔10°测一次数据，因为任何天线测试都有不确定度，所以对每一条件下的方向图测量6次后取平均值.等离子体八木天线在电子密度1017 m-3量级上的E面归一化方向图实测与仿真结
果见图6，天线工作频率为161.975 MHz.从测量结
果中可以看出，当振子全开时，天线具有较好的定向性，实测值与仿真值相差不大，其中实测方向图的后向散射略大于仿真值，这是因为场地本身存在反射.
通过改变放电功率，改变等离子体电子密度，可以实现天线的方向图快速动态重构.图7给出了当电子密度量级为1017m-3和1018m-3时，引向振子为5根时，等离子体八木天线水平面归一化方向图仿真结果.在现有的实验条件下，激励源产生的等离子体电子密度范围较窄，达不到1018 m-3，因此这里只给出仿真结果.从图中可以看出：当电子密度在1018 m-3量级时，天线主瓣尖锐，通信范围变窄；当电子密度减小且较低时，天线通信范围较宽，体现了较好的方向图可重构性.表1给出了不同电子密度下，等离子体八木天线半功率波束宽度（Half Power
Beam Width，HPBW）、增益与方向性系数减小的测量结果.当电子密度在1018 m-3量级时，天线具有较高的增益，接近7.5 dBi，而且天线的通信覆盖角度很小；利用HFSS仿真了与等离子体八木天线相同规格及尺寸的金属八木天线，增益在9 dBi左右.可见，高密度等离子体天线的增益接近金属天线的增益.当电子密度在1017 m-3量级时，通信区域变宽，天线的半功率角接近60°，最大辐射方向增益降低到6 dBi左右.当电子密度在1016 m-3量级左右时，HPBW接近70°，最大方向增益约5 dBi.因为仅仅通过调节天线激励源的功率就可以实现电子密度的快速转换，所以等离子体八木天线具有非常好的方向图可重构性，可快速构建AIS基站通信覆盖区域.
2.2.2引向振子工作状态对天线可重构性影响
当关闭所有振子激励源时，雷达散射截面很小，可以实现隐身，具有很高的军事应用价值.当无源振子全部关闭，只有有源振子工作时，天线为单极子天线，此时水平面方向性为全向性，可实现信息全向广播.当开启无源反射振子并改变无源引向振子个数时，定向性瞬间变化，通信区域也快速改变.图8是信号频率为AIS2 （162.025 MHz）的条件下，当无源振子全部关闭和全部开启时，等离子体八木天线的三维方向图仿真结果.可以看出，当关闭全部无源振子时，天线为半波对称振子天线，水平方向为全向性.当开启全部无源振子（1个无源反射振子，3个无源引向振子）时，天线的指向性迅速变化，这说明等离子体八木天线仅仅通过改变振子的工作状态便可以实现全向与定向的快速变换.在AIS基站发射系统中，为增大通信距离，有必要开启多个无源振子.
2.2.3天线振子长度对方向图可重构性的影响
参考金属八木天线理论，天线性能也受振子长度的影响.实验中选取不同长度的天线振子进行测试.天线无源反射振子的长度分别为926 mm和1 100 mm，外径12 mm，内径10 mm，内部充有氖与氩的混合气体，气压为100 Pa，激励源为20 kHz交流电源.文献[13]给出了电容耦合馈电模式下，等离子体天线具有较宽的阻抗带宽特性.本实验通过对大量测试结果的分析得出：不同长度等离子体振子在电子密度相差不大的情况下，由于等离子体天线的特殊性质，天线振子的阻抗特性变化不大.
图9给出了无源反射振子在不同长度（分别为926 mm和1 100 mm）下等离子体八木天线的方向图测试结果.通信频率为162 MHz，有源振子（0.48个波长）和5根无源引向振子（0.45个波长）长度保持不变.可以看出，两种条件下天线的方向性和增益相差很小，因此无源反射振子的长度对等离子体八木天线性能的可重构贡献不大.而且，在AIS基站等离子体八木天线系统中，等离子体充满整个放电管时电子密度才会很高，天线增益才能满足要求.更换不同长度的放电管显然满足不了快速动态重构的要求，因此更换不同长度振子对快速实现波束转换的意义不大.
3可行性分析
实验结合仿真的结果说明，通过调节等离子体参数，可实现等离子体天线系统与传输线匹配.同时，通过调节天线振子个数、振子间距和振子长度可以动态调节天线方向性及增益，调整天线的覆盖区域.当仅仅开启天线系统的有源振子，关闭所有无源振子时，等离子体八木天线可以作为全向性天线使用，实现AIS信息广播.金属天线为了达到不同的工作频率，必须改变天线的尺寸或形状，在VHF通信频段上，一般只能实现双频或三频通信.因此，在可重构方面，等离子体天线要方便得多.
文献[13]给出了等离子体振子对电磁波吸收与反射的实验结果，当等离子体频率足够大时，对电磁波反射性能增强.当增加等离子体电子密度时，无源反射振子对电磁波的反射作用增强，在此基础上增加无源引向振子个数时，天线的定向性增强，后向散射减小，进而降低了天线后向电磁干扰.当不需要天线工作时，关闭天线振子，可实现零干扰.
在能源消耗方面，文献[14]给出了等离子体天线激励源维持1 m长天线工作时所需要的功率，在kHz级交流电源的激励模式下，放电功率一般小于2 W.
另外，在等离子体天线系统中，如果适当调整等离子体参数，可减小等离子体放电管的尺寸，这样可以将等离子体八木天线小型化，同时天线重量减少，故在此方面等离子体八木天线比金属天线有一定的优势.
在天线增益及电磁兼容性方面，等离子体天线跟金属天线相比有一定差距.目前MHz级交流与kHz级交流等离子体激励源均可产生较高密度的等离子体，利用先进的滤波技术及屏蔽技术可大幅度降低电磁干扰.因此，在不久的将来等离子体天线可应用到海事通信领域，以改善船舶定线制水域的通信效果和海事监管能力.
4结论
通过对等离子体八木天线模型的仿真和实验研究及等离子体天线用于船舶定线制水域AIS基站发射天线的可行性分析，得出：
（1）通过改变等离子体电子密度、无源振子个数及工作状态，可以动态调整天线的方向性、增益、输入阻抗等天线参数，实现等离子体天线快速动态可调，使其可以作为智能天线.
（2）等离子体八木天线在AIS通信频段上可以在不施加任何匹配网络的情况下，仅通过调整等离子体状态便可实现阻抗匹配.
（3）等离子体八木天线在功耗、电磁兼容、增益、可重构性等方面均有改善，并满足AIS基站发射天线的通信需求，因此可以作为船舶定线制水域AIS基站的发射天线使用.
参考文献：
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（编辑赵勉）
摘要：
针对目前广泛使用的AIS基站发射天线的不足，提出将等离子体八木天线应用到海事智能通信领域，作为船舶定线制水域AIS基站的发射天线.该方法根据等离子体介电常数与电子密度的关系，利用HFSS构建AIS基站等离子体八木天线模型.通过改变该模型等离子体参数、无源振子个数等，对其进行方向图仿真.仿真结果表明：当关闭无源振子时，天线可作为全向天线；当增加无源振子个数和电子密度时，该天线定向性增强，方向图主瓣变窄.用该方法建立的天线可快速实现全向与定向之间的转换，显示出良好的可重构性.仿真结果证明了船舶定线制水域AIS基站使用等离子体八木天线的可行性.该方法可改善定线制水域的通信效果和海事监管能力.
关键词：
船舶定线制； 等离子体； 八木天线； 可重构性； 增益
0引言
伴随着世界经贸全球化、一体化进程，我国国民经济得到持续、健康和快速发展.这带动了航运市场的空前繁荣，但交通流密度的增大，使我国沿海海域在交通和环境方面存在安全隐患.船舶定线制指船舶在某些水域航行时要遵循或采用所规定的航线、航路或通航分道的一种制度[1]，是在水上交通密集区施行有效管理的主要途径，是合理规划、有效利用航路的重要方法，在规范船舶交通流、保障航行安全、预防沿海环境污染和提高交通效率方面起到至关重要的作用，在国际上被广泛采用[2].
船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）在海事通信领域起到不可取代的作用[3]，然而对AIS基站发射天线的研究并未得到应有的重视.目前在我国船舶定线制水域中，AIS基站发射天线主要采用全向金属天线，虽然可以在较大范围内实现信息群发，但也存在许多问题：
（1）我国成山角船舶定线制水域内，部分水域离岸距离在20 n mile以上，甚至有些水域离岸距离超过25 n mile，而全向性天线增益较低，大大限制了AIS信息播发距离，这就需要定向天线来弥补.
（2）AIS基站通信系统中，全向性发射天线功率在20 W以上，对周围岸上设施及用户有较强的电磁干扰.
（3）由于水域交通流密度增大，通信信道常被占用，存在时隙冲突，大大增加了船舶交通管理系统（Vessel Traffic System，VTS）值班员的负担.因此，AIS基站可采用甚高频（Very High Frequency，VHF）高增益定向天线以增强AIS基站与VHF岸台通信效果.
本文提出将电控等离子体八木天线应用到海事智能通信领域，将其作为船舶定线制水域AIS基站的发射天线.等离子体天线是用等离子体代替金属天线元作为电磁能量传导介质的一种天线，与金属天线相比，具有质量轻、隐身性能好、可重构等特点.[47]利用等离子体构建八木天线时：当无源振子全部关闭，天线系统只剩下有源振子时，该天线为全向天线；改变等离子体参数和增加引向振子个数可使天线方向性动态可调，实现不同区域通信.相比于金属八木天线，等离子体八木天线具有可重构性和低互耦性等优点.
1AIS基站等离子体八木天线模型与样机
AIS基站等离子体八木天线模型包括有源等离子体振子和无源等离子体振子.根据等离子体天线理论，假设等离子体轴向、径向分布均匀，其相对介电常数[89]为
当ω<ωpe时，εr<0，电磁波不能在等离子体中传播，而是在等离子体外表面与介质管内表面之间以表面波的形式传播，且沿径向传播的电磁波迅速衰减.这时，等离子体可以作为天线进行电磁波的传播.
利用高频结构仿真软件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）构建等离子体引向天线模型，根据式（1）和（3），结合等离子体电子密度和碰撞频率选取适当的相对介电常数，天线中心频率分别选择AIS的两个通信频率161.975 MHz和162.025 MHz.通过改变等离子体参数和引向振子个数对天线方向图进行仿真.等离子体八木天线仿真模型如图1所示.所设计的天线由1根有源振子、1根无源
反射振子和3根无源引向振子构成.因为无源引向
振子超过5根时，每多加1根，天线的增益变化不大，所以这里为了突出天线明显的可重构特性，只选用了3根无源引向振子.
由于等离子体内部具有一定的电位，不能够采用直连耦合进行馈电.天线的馈电模式如图2所示，天线外部是钢化玻璃腔体，有源振子采用电容耦合馈电模式.将金属套环紧紧裹附在钢化玻璃腔体外侧，与内部等离子体构成耦合电容，通过改变无源振子工作状态进行仿真.同时，利用放电管搭建等离子体天线实物模型.等离子体振子电子密度通过调节电源工作状态进行调节.图3为等离子体八木天线原理性样机.该天线样机有1个有源振子，1个无源反射振子和3个无源引向振子，其中有源振子采用半波折合振子.所有天线振子外径为12 mm，内径为10 mm，均利用20 kHz高压激励源进行激励，激励功率可以调节.根据气体放电潘宁效应，放电管内部的填充气体是氖气和少量氩气.天线支架和活动套环用于固定等离子体八木天线有源及无源振子，活动套环可以沿支架轴向移动，进而调节天线振子之间的距离.可以更换不同长度的天线振子.因此，该天线样机可通过调节放电状态、振子间距、振子长度等，调节天线的方向性和阻抗带宽.
2结果与分析
2.1等离子体八木天线阻抗带宽特性
气体辉光放电产生的等离子体的电子密度量级最高为1018m-3.经Langmuir双探针诊断，利用20 kHz激励源产生的等离子体的电子密度量级在1015m-3与1017 m-3之间.由于等离子体八木天线振子的激励方式是双向激励，内部等离子体的电子密度轴向、径向变化很小，因此在利用HFSS仿真时，可近似将等离子体参量看成是轴向、径向均匀的.因为电子密度太小，对VHF段电磁波影响不大，而现有的等离子体激励源技术难以产生高密度的等离子体，同时天线振子中的放电气体气压很低，气体碰撞频率相对等离子体频率可以被忽略，所以仿真中选取的等离子体电子密度量级在1015 m-3与1018 m-3之间.图4是在等离子体电子密度量级分别为1016m-3和1017 m-3时，等离子体八木天线阻抗带宽测量和仿真结果.这里天线阻抗场地为宽阔的操场，发射天线为等离子体八木天线，接收天线为金属天线，此时天线无源引向振子全部打开，测试仪器为矢量网络分析仪（Agilent， E5071C），工作频率为161.975 MHz（AIS1）.无源反射振子长度为0.52个波长，有源振子有效长度为0.48个波长，3根无源引向振子等长且为0.45个波长，各相邻振子之间等间距且为0.2个波长.仿真选取的天线振子外径为12 mm，内径为10 mm，馈电模式为电容耦合模式，天线振子长度可改变.根据式（3），等离子体相对介电常数设置为-31.7～-283.76.在图4中，利用探针诊断法测量等离子体八木天线在不同放电功率下的电子密度区间，进而将等离子体电子密度调到1016 m-3量级.从图4a可以看出，当八木天线的各振子长度固定不变时，测量和仿真所得到的回波损耗（S11）数值相近，仿真值略高于测量值，且仿真所得到的阻抗带宽小于测量值，这可能是因为天线振子等离子体内存在一定的轴向、径向密度梯度.从图4b中可以看出，当电子密度接近1017 m-3时，S11明显降低，阻抗带宽也一定增加.S11的实测值与仿真值相差不大，说明当碰撞频率低且电子密度较高时，仿真结果的可靠性较高，等离子体八木天线辐射性能较好.
2.2等离子体八木天线辐射特性
2.2.1电子密度对八木天线辐射特性的影响
天线辐射特性主要取决于方向性和增益.通过改变各振子工作状态、振子间距及振子长度来研究等离子体八木天线的辐射特性及重构特性.天线方向性及增益的测量场地同回波损耗.增益采用比较法测量.在测量方向图时，等离子体八木天线作为发射天线被安放在自制的天线转台上，金属全向天线
作为接收天线.每隔10°测一次数据，因为任何天线测试都有不确定度，所以对每一条件下的方向图测量6次后取平均值.等离子体八木天线在电子密度1017 m-3量级上的E面归一化方向图实测与仿真结
果见图6，天线工作频率为161.975 MHz.从测量结
果中可以看出，当振子全开时，天线具有较好的定向性，实测值与仿真值相差不大，其中实测方向图的后向散射略大于仿真值，这是因为场地本身存在反射.
通过改变放电功率，改变等离子体电子密度，可以实现天线的方向图快速动态重构.图7给出了当电子密度量级为1017m-3和1018m-3时，引向振子为5根时，等离子体八木天线水平面归一化方向图仿真结果.在现有的实验条件下，激励源产生的等离子体电子密度范围较窄，达不到1018 m-3，因此这里只给出仿真结果.从图中可以看出：当电子密度在1018 m-3量级时，天线主瓣尖锐，通信范围变窄；当电子密度减小且较低时，天线通信范围较宽，体现了较好的方向图可重构性.表1给出了不同电子密度下，等离子体八木天线半功率波束宽度（Half Power
Beam Width，HPBW）、增益与方向性系数减小的测量结果.当电子密度在1018 m-3量级时，天线具有较高的增益，接近7.5 dBi，而且天线的通信覆盖角度很小；利用HFSS仿真了与等离子体八木天线相同规格及尺寸的金属八木天线，增益在9 dBi左右.可见，高密度等离子体天线的增益接近金属天线的增益.当电子密度在1017 m-3量级时，通信区域变宽，天线的半功率角接近60°，最大辐射方向增益降低到6 dBi左右.当电子密度在1016 m-3量级左右时，HPBW接近70°，最大方向增益约5 dBi.因为仅仅通过调节天线激励源的功率就可以实现电子密度的快速转换，所以等离子体八木天线具有非常好的方向图可重构性，可快速构建AIS基站通信覆盖区域.
2.2.2引向振子工作状态对天线可重构性影响
当关闭所有振子激励源时，雷达散射截面很小，可以实现隐身，具有很高的军事应用价值.当无源振子全部关闭，只有有源振子工作时，天线为单极子天线，此时水平面方向性为全向性，可实现信息全向广播.当开启无源反射振子并改变无源引向振子个数时，定向性瞬间变化，通信区域也快速改变.图8是信号频率为AIS2 （162.025 MHz）的条件下，当无源振子全部关闭和全部开启时，等离子体八木天线的三维方向图仿真结果.可以看出，当关闭全部无源振子时，天线为半波对称振子天线，水平方向为全向性.当开启全部无源振子（1个无源反射振子，3个无源引向振子）时，天线的指向性迅速变化，这说明等离子体八木天线仅仅通过改变振子的工作状态便可以实现全向与定向的快速变换.在AIS基站发射系统中，为增大通信距离，有必要开启多个无源振子.
2.2.3天线振子长度对方向图可重构性的影响
参考金属八木天线理论，天线性能也受振子长度的影响.实验中选取不同长度的天线振子进行测试.天线无源反射振子的长度分别为926 mm和1 100 mm，外径12 mm，内径10 mm，内部充有氖与氩的混合气体，气压为100 Pa，激励源为20 kHz交流电源.文献[13]给出了电容耦合馈电模式下，等离子体天线具有较宽的阻抗带宽特性.本实验通过对大量测试结果的分析得出：不同长度等离子体振子在电子密度相差不大的情况下，由于等离子体天线的特殊性质，天线振子的阻抗特性变化不大.
图9给出了无源反射振子在不同长度（分别为926 mm和1 100 mm）下等离子体八木天线的方向图测试结果.通信频率为162 MHz，有源振子（0.48个波长）和5根无源引向振子（0.45个波长）长度保持不变.可以看出，两种条件下天线的方向性和增益相差很小，因此无源反射振子的长度对等离子体八木天线性能的可重构贡献不大.而且，在AIS基站等离子体八木天线系统中，等离子体充满整个放电管时电子密度才会很高，天线增益才能满足要求.更换不同长度的放电管显然满足不了快速动态重构的要求，因此更换不同长度振子对快速实现波束转换的意义不大.
3可行性分析
实验结合仿真的结果说明，通过调节等离子体参数，可实现等离子体天线系统与传输线匹配.同时，通过调节天线振子个数、振子间距和振子长度可以动态调节天线方向性及增益，调整天线的覆盖区域.当仅仅开启天线系统的有源振子，关闭所有无源振子时，等离子体八木天线可以作为全向性天线使用，实现AIS信息广播.金属天线为了达到不同的工作频率，必须改变天线的尺寸或形状，在VHF通信频段上，一般只能实现双频或三频通信.因此，在可重构方面，等离子体天线要方便得多.
文献[13]给出了等离子体振子对电磁波吸收与反射的实验结果，当等离子体频率足够大时，对电磁波反射性能增强.当增加等离子体电子密度时，无源反射振子对电磁波的反射作用增强，在此基础上增加无源引向振子个数时，天线的定向性增强，后向散射减小，进而降低了天线后向电磁干扰.当不需要天线工作时，关闭天线振子，可实现零干扰.
在能源消耗方面，文献[14]给出了等离子体天线激励源维持1 m长天线工作时所需要的功率，在kHz级交流电源的激励模式下，放电功率一般小于2 W.
另外，在等离子体天线系统中，如果适当调整等离子体参数，可减小等离子体放电管的尺寸，这样可以将等离子体八木天线小型化，同时天线重量减少，故在此方面等离子体八木天线比金属天线有一定的优势.
在天线增益及电磁兼容性方面，等离子体天线跟金属天线相比有一定差距.目前MHz级交流与kHz级交流等离子体激励源均可产生较高密度的等离子体，利用先进的滤波技术及屏蔽技术可大幅度降低电磁干扰.因此，在不久的将来等离子体天线可应用到海事通信领域，以改善船舶定线制水域的通信效果和海事监管能力.
4结论
通过对等离子体八木天线模型的仿真和实验研究及等离子体天线用于船舶定线制水域AIS基站发射天线的可行性分析，得出：
（1）通过改变等离子体电子密度、无源振子个数及工作状态，可以动态调整天线的方向性、增益、输入阻抗等天线参数，实现等离子体天线快速动态可调，使其可以作为智能天线.
（2）等离子体八木天线在AIS通信频段上可以在不施加任何匹配网络的情况下，仅通过调整等离子体状态便可实现阻抗匹配.
（3）等离子体八木天线在功耗、电磁兼容、增益、可重构性等方面均有改善，并满足AIS基站发射天线的通信需求，因此可以作为船舶定线制水域AIS基站的发射天线使用.
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（编辑赵勉）
