0 引　言

随着现代海上无线通信的发展，天线作为无线通信和雷达系统收发电磁波的关键部件，在船舶上出现了多种形式。天线数量多并不意味着天线性能好，相反，对于收发频率接近的天线，由于天线间隔过小将会引起干扰，舰船将会出现复杂的电磁兼容问题。在有限的船舶空间下，尤其是无人水面船（USV），现代通信对海事天线提出了小型化、轻型化、高效率和可重构性等特定要求^[1]。传统固态金属天线一旦制成就很难再改变其形状、质量，大量的固态金属天线不仅限制了船舶载重与空间而且使得通信面临着更为复杂的电磁兼容问题。因此，人们迫切需要一种新型天线改变现状。

1999年，谢菲尔德大学的学者发现很难用固体材料制作所需天线模型，巧妙地将具有流动性的水加入天线腔内，解决了介质与探针之间有空气间隙的问题^[2]。此外，因液态水具有高介电常数和低介质损耗等特性，由此考虑其也可制作为介质谐振天线。此后，学者提出了离子天线的概念，液体天线凭借其辐射材料的流动性、透明性等特性成为一种新型天线的方案。液体天线加入天线大家族，并迅速成为研究热点。

经过20几年的发展，各种液体天线层出不穷，而液体天线从辐射材料的类型上分成液体金属天线、水天线、各类油、有机溶剂天线。常见的液体金属天线材料有水银、镓铟合金、镓铟锡合金^[3]。这些材料能成为液体天线主要有2种原因：一是具有导电性能，可以制作导体天线，如液体金属天线；二是具有高介电常数和低介质损耗性，可以制作为介质谐振天线。

水天线可以通过NaCl成分简单地分成纯净水天线和海水天线。海水天线在天线辐射状态下是否使用水泵，将天线分为静态、动态海水天线。由于海水具有弱导电性，并进行适当的馈电，即可形成海水导体天线。就海上舰船通信而言，海水自然是首选的液体天线材料。此外，水下无人航行器（UUV）在贴近水面潜行时，可利用水泵，将海水抽入并喷向空中形成海水天线。海水天线的出现，不仅为海上舰船的轻型化天线提供了可能，而且海水天线的灵活可控，也提高了水下航行器的机动性。

本文从海水单极子天线原理出发，分析静态、动态和混合型海水天线的研究现状，结合海水天线特点提出几点研究建议，为海水天线在无人舰船通信研究提供参考。

1 海水单极子天线特性 1.1 海水的电磁模型

海水单极子天线作为一种导体天线，采用海水作为辐射材料，相较于金属导体，是牺牲了金属材料的高电导率，换取了海水的流动性、高介电性、透明性，同时也带来了不稳定性。海水是一种复杂的混合物溶液，其溶液主要包含Na⁺、Cl⁻、Mg⁺离子和一些微生物。海水的电磁特性与盐度、温度、频率密切相关^[4]。海水的盐度一般为35‰，在室温为20℃下，海水的相对介电常数在81左右，导电率在4 S/m左右。海水为非磁性介质，相对磁导率为1。海水的电磁特性是复杂变化的，从研究天线角度来说，在温度一定的情况下，海水电导率相对稳定，影响天线辐射效率的关键因素应为频率。

根据Debye模型，水的介电常数与频率有关。对于电介质材料，媒质的复介电常数应为：

$ \varepsilon\text{ = }\varepsilon'-\mathit{{j}}\varepsilon''。$

(1)

式中：ε′、 ε"分别为复介电常数的实部和虚部。

对此，Huang等^{[5 - 6]}在室温下对水的复介电常数与频率关系展开研究，如图1所示。

对于导体媒介，其介质损耗角正切为：

$ \tan\delta_{\varepsilon}=\frac{\omega\varepsilon''+\sigma}{\omega\varepsilon'}。$

(2)

式中：ω为角频率；σ为电导率。

可知, 海水的电导率为4 s/m，当频率大于1 GHz时，根据式(2)，此时的海水介电损耗将非常大，不利于海水天线辐射。

1.2 海水圆柱导体天线

在金属圆柱导体单极子天线中，由于金属趋肤深度很小，电流集中在导体表面，其欧姆阻抗可以近似忽略。对于海水圆柱导体，其趋肤深度应为：

$ \delta = \frac{1}{{\sqrt {\text{π} f\mu \sigma } }} 。$

(3)

式中：f为频率；μ为磁导率；σ为电导率。

在40～100 MHz 之间，由式(3)可得，在此频率范围内对应的趋肤深度为25～39 mm，欧姆阻抗不可忽略。

由于$ \left|\dfrac{\sigma }{{\omega \varepsilon }}\right| > > 1 $，海水可视为良导体，其表面阻抗与趋肤深度密切相关^[7]。当海水半径小于趋肤深度，表面阻抗为：

$ Z=\frac{1}{r\sigma}。$

(4)

式中：r为海水半径；σ为导电率。此时表面阻抗随半径增大而减小，当海水半径大于趋肤深度时，表面阻抗为：

$ {Z}=\frac{1+j}{\sigma\delta}。$

(5)

式中：σ为导电率；δ为趋肤深度。此时，表面阻抗与海水半径无关。

2014年，沈忠祥团队等^{[8 - 9]}依据King和Wu “三项”理论对高度为1 m、底部馈电幅度大小为V₀的海水单极子天线进行研究，得出海水半径与表面电流关系如图2所示。

图中，a为海水半径；h为海水天线高度；z为分析点距离天线馈电点的距离；I(z)为海水天线的电流大小，分为实部和虚部。

可以看出，当海水的电导率和高度固定时，电流随着海水半径而上升，当半径大于40 mm时，电流几乎不再上升，这是因为海水柱的半径大于趋肤深度时，海水表面阻抗不再变化。

2 静态海水单极子天线 2.1 盐水溶液单极子天线

在海水单极子天线探索初期，学者通常将盐水替代海水进行实验。在21世纪初，Paraschakis等^[10]利用盐水溶液设计了一种新型天线。如图3所示，此天线用 PVC管装入一定量的盐水，使用SMA射频连接器作为馈电口，使用金属小探针连接不锈钢大探针对盐水同轴馈电。

学者利用此装置在不同盐水盐度、天线高度下进行对照实验。据研究显示，天线谐振频率与盐水的高度和带宽成反比，盐水的盐度会降低天线的阻抗从而影响谐振频率。该实验样本对比数据过少，结论明显说服力不强，但是此次实验率先证实盐水可作为宽带液体天线的辐射材料。后续Fayad等^{[11 - 12]}对该天线进行改良并进行系统性研究。如图4所示，该天线装置在原有基础上去掉了不锈钢探针，直接用金属进行探针馈电。该实验采用模拟仿真软件HFSS和实际实验结合，详细分析了盐度与天线谐振频率的影响，提升盐度会引起天线谐振频率上升，并阐述这类天线在高频时（1 GHz以上）损耗会有较大的缺陷。

Fayad等此次改良简化后的盐水天线成为静态海水单极子天线原型，后续的天线都是在此基础上进行改良。盐水天线实验引起了国内学者的关注，杨卓^[13]通过 HFSS工具对海水天线进行了初步研究，得出馈电探针位置对天线效率影响不大、海水天线的阻抗在宽频段内变化平缓、电抗基本上呈容性等结论。

2.2 静态海水单极子性能改良

Hang团队^[14]提出一种提高海水单极子天线带宽的方式，并对海水的导电性与天线的辐射效率进行研究。其提出利用泡沫、特氟龙等绝缘材质将导电地板与海水隔开，再引入电流探针的馈电方式，增大海水导体天线的电流，从而有效地提升天线带宽。在此之后，研究人员广泛采用此方案以提升天线带宽。

为提高海水单极子天线辐射效率，沈忠祥等^[9]提出一种加载顶端金属圆盘的海水天线。该天线延续前面学者的思路，采取特氟龙为介质基底隔开海水和导电地板来增加带宽。此天线采用N型射频连接器对顶端铝盘进行馈电，这样可以有效激励TM模。该团队还利用“三项”理论，对海水圆柱电流进行解析分析，对天线输入阻抗、反射系数进行计算求解。文中对海水柱的高度与谐振频率、水柱半径对辐射效率的影响进行了详细研究，得出海水柱高度与谐振频率成反比，圆柱半径越大，辐射效率越大等结论。

田加胜等^[15]也对此海水天线从基底厚度、海水电导率、馈电探针长度等因素进行仿真研究，得出了基底厚度影响谐振点位置、增大海水电导率可提升天线辐射效率、探针长度对S11无影响等结论。Zheng等^[16]在海水天线管壁中引入多条金属棒，通过金属加载的方式大幅度地提升天线效率。面对海水天线在1 GHz以上辐射低效的缺陷，邢蕾等^[17]提出一种单极锥型海水超宽带天线，在1.5～10 GHz下，该天线可反射系数可小于−6 dB。Phan等^[18]在海水管壁底端设计较短金属管，有效提高了天线辐射效率，并应用于无线局域网（2.5 GHz）中的天线。

实际上，海水天线作为一种导体天线，海水作为一种非良导体，提升导体天线的电流大小对天线效率提升有显著的效果。添加绝缘材质基座而提升天线带宽是为了避免与地面短路，而引入金属圆盘、圆棒等方式也是为增大导体天线的电流。至此，结合多位学者对静态海水单极子天线的研究，总结天线结构与天线辐射特性的关系如表1所示。

3 动态海水单极子天线 3.1 动态海水天线模型

动态海水单极子天线充分利用海水的流动性，可将天线安装在沙滩海边或海上，仅需一个可控水泵和喷嘴就能实现天线高度数米的变换，具有便携移动的特点，能够接发数字广播信号，实现海上短波和超短波通信。

Tam 等^{[19 - 20]}率先提出了一种基于电磁线圈馈电的海水单极子天线。天线主要由水泵、信号发射器、铜线环绕的铁氧体、电磁线圈和铜盒形成金属探针组成。该天线可在需要使用时通过水泵抽水形成天线辐射体，利用不同磁环馈电结构和水泵压力对通信频带调整。美国太平洋空间与海战系统中心据此结构开发了一款可通信距离超过48.28 km的天线，如图5所示。此天线具有隐身性强、雷达散射截面小、频带可重构等优点，对船舶无线通信产生了深远影响。

3.2 动态海水天线的改良

根据前面对静态海水单极子天线的分析，TAM的海水天线半径小，且采用损耗电磁能量的铁氧体使得天线辐射效率低。沈忠祥等^{[21 - 22]}对动态海水天线进行改良研究，先后提出垂直型和倾斜型动态海水单极子天线。垂直型天线由水泵、Γ型支节和导体管并联馈电形成。相较于Tam D.W的天线，该天线没有使用铁氧体，并且天线水柱更宽，使得损耗电阻大幅减小，辐射效率提高。倾斜型天线由容纳海水的导体管、起支撑作用的馈电柱和介质填充平行板电容组成。海水通过水泵抽入，从喷嘴斜射，形成半环天线。天线利用平行板电容馈电，调节天线阻抗，通过倾斜角度调整辐射方向。

动态海水天线采用水泵结构，天线通常从旁侧馈电，由于天线底端通过水泵与海水直接相连，部分电流会流向供水侧，使得天线辐射效率低。2016年，日本三菱公司研发了一款名为SeaAeria的海水天线^{[23 - 24]}，该天线在供水侧引入了可变换长度的接地导管，通过串联距离馈电点1/4波长的短路支节管，使得供水侧输入阻抗无限大，进而限制供水侧电流实现天线辐射效率的提升。

事实上，动态海水天线的性能改良方式与静态海水天线相似，不论是去掉高损耗的铁氧体，引入并联型馈电或电容馈电方式，还是通过阻抗变换方式减小供水侧的电流，这些改良方法都是提升海水导体天线的电流大小。海水动态天线的便携性好、可重构性强，军事和商业都有重要的户外应用价值。然而，动态海水天线相较于封闭的静态海水天线而言，具有不稳定性，面临着复杂海上环境的考验，如大雨、强风引起天线形变，不同区域海水温度、电导率等因素对天线性能产生影响。

4 其他海水天线

单个海水单极子天线往往有频带较窄、辐射效率较低、可重构性较差等缺陷。对此，学者们利用单极子天线作为天线装置的一部分，研发混合型天线、天线阵列等其他类型天线。

储庆昕等^{[25 - 26]}开展了高效率宽带混合液体天线研究。该团队结合海水导电性和纯水高介质常数，提出了一款混合型单极子宽带天线。该款天线在静态海水单极子天线的两侧引入了蒸馏水柱，在海水天线辐射时，两侧水柱将会形成介质谐振天线，通过调整海水天线与纯净水柱之间的距离，改变两者的电磁耦合从而实现高宽带混合天线。

此后，该团队设计了一款同轴双管的混合单极子天线，该款天线内管为纯净水，外管为盐水，此款天线利用纯净水作为介质加载，减小了电磁能量在盐水集中的强度，从而将效率提升至52%～84%。混合型海水天线，将海水单极子天线与其他天线类型相结合，充分利用各类天线的特点，可拓展以后海水天线的设计理念。

为解决天线带宽窄的问题，Pan等^[27]将海水单极子天线与对数周期天线阵列结合，研发了一种对数周期海水单极子天线阵列。此天线由6个类似的单极子海水天线组成，每个单极子海水天线都由探针馈电，并通过微带线相连，该款天线在驻波比小于2的条件下相对带宽可达70%。邢蕾等^[28]提出一种平面波束扫描的天线系统，如图6所示，此天线系统由中心馈电海水单极子天线与周围12个无馈电圆柱容器和底座导体金属圆盘组成。天线将无馈电圆柱作为发射器，利用水泵实时注水和排水，形成不同的辐射方向，进而对全平面进行波束控制。

正如固体金属天线发展历程一样，从简单到复杂，从单一到阵列。人们在研究海水天线基本原理后，就逐渐将传统天线类型与海水单极子天线相结合设计出一些混合型、阵列型的海水天线，从而实现宽带、高效、可重构性等优异的天线性能。

5 研究建议 5.1 可重构性研究建议

目前，海水天线相较于传统金属天线显著的优势即为利用液体的流动性实现天线频率、方向图的可重构性。然而，现有的海水天线主要通过改变天线的高度来实现天线可重构性。根据前人的研究，除了天线海水高度外，海水半径、电导率以及天线基底高度都是影响天线辐射的关键因素。对此，研究人员可设计改变其他参数的天线结构实现天线可重构性。

5.2 天线馈电研究建议

由于海水单极子天线的本质仍然是导体天线，所以提升天线辐射效率最为有效的方式依然为提升导体中的电流。静态海水单极子天线，根据直立天线电流分布，且海水天线在电抗上呈现容性，可引入线圈和加顶负载等方式，提升海水天线有效高度从而提升天线辐射效率。对于动态海水单极子天线辐射效率低的问题，考虑到部分电流将流入海水，故解决海水馈电和动态阻抗匹配问题是关键。

5.3 水泵调控研究建议

现有的海水天线参数变化过度依赖于人工调控。这存在2个主要弊端：一是人工调控往往调控步骤繁琐且误差大，二是天线可重构性实时变化性差。目前静态海水天线高度变化主要采用人工注射器，可将微控制器和微型水泵结合，动态调整海水天线参数。动态海水天线也可采用智能水泵方式实时控制天线高度。此外，根据天线阵理论，也可采用多水泵结构，实现动态海水天线阵列。例如，双水泵调控实现八木海水天线，多水泵调控实现对数周期海水天线。

6 结　语

本文通过分析海水的电磁模型，考虑实际海水天线的可行性，低介电损耗的海水天线频率应低于1 GHz。同时，梳理了海水天线的工作特性，对比传统金属天线，由于海水的电导率小、趋肤深度大、欧姆阻抗不可忽略，得出了在趋肤深度内，天线的表面电流随海水半径增加而增大的结论。

本文全面整理了海水的半径、高度、电导率和基底的介电常数、厚度等对天线辐射参数的影响。动态海水天线充分利用液体的流动性从而实现天线的高度可重构性是海水天线的重要应用方向。然而，实际海上复杂环境对海水柱的影响是动态海水天线亟待解决的问题。混合型、阵列型海水天线将传统天线理论与海水单极子天线结合，可为未来研究宽带、高效等天线提供研究参考思路。