1.1. 研究意义

随着时代的进步和科技的迅速发展，社会对于通信领域的要求逐渐加强，其中甚高频通信（Very High Frequency Communication,VHF Communication），即VHF通信，是现在的主要通信手段。[1]VHF频段是电磁波频率指从30MHz至300MHz的频段，相应的电磁波波长从10m到1m，在很多领域中得到了应用，这种通信方式具有直线传播，通信质量高的特点，一度被认为是最好的通信频段之一。[2]
船用甚高频（VHF）频段通信运用于船舶之间，船舶内部，船岸间或经岸台与陆上通信转接的船与岸上用户间的无线电通信。[3]其中应用在船舶之间通信的频段为156.025MHz到162.000MHz之间。
天线作为连接两者之间的纽带，在通信的过程中对通信效果和通信质量以及通信安全都起到了至关重要的作用，是一切无线系统不可缺少的部分。[4]从另一个方面讲，天线是实现电路与空间相互转变的重要部件，天线性能的好坏将会影响整个通信系统的运转。因此天线的性能对整个甚高频通信（VHF）起着至关重要的作用。[5]
1.2. 研究目的
统中的重要环节，在通信系统中扮演着重要的角色。船用的甚高频天线在海上复杂的情形下，以及船舶内部，船舶之间等等电磁设备的相互干扰下要满足通信要求。本文的研究目的就是利用天线相关的理论知识仿真，设计出一款满足需求的船用天线，然后通过仿真优化得到的参数数据进行实物搭建与测试，将实物模拟的测试实验结果与在软件中模拟的实验结果进行比对，对理论数据和实验测试进行相互验证。
1.3. 国内外研究现状分析
通过查阅相关文献了解到，国内有关甚高频天线的研究在船舶领域应用较少，更多的集中在机载[6]，车载等领域。也有在甚高频相邻频段内天线的研究。
2011年，吴荣远对套筒天线进行了改良，采用了套筒中馈天天线的形式，在天线的上下辐射体中各增加一个高频倒相线圈，构成低频段工作时的半波振子天线。利用FEKO软件对模型进行仿真，对长度，圈数和半径进行优化，使得增益得到最大化。这种VHF双频宽带垂直极化全向天线具有结构简单，超频宽带，增益高的特点。[7]
2014年，杨昊对传统的套筒天线进行改进，设计出新型的套筒天线，并对其在CST软件中进行了仿真，得到了增益图、驻波仿真图等相关基础数据。最后对新型套筒天线进行了加载优化，使其做到了小型化和宽带化。[8]
2015年，冷涛对鞭状天线，锥形天线的微带天线进行了研究，并借助了天线宽带化知识，设计并制作了工作在VHF/UHF频段的超宽带平面全向天线，实测最大增益达到了5.3分贝。在此基础上通过地平面优化和电阻加载拓宽了工作频段，并对倒锥天线进行了进行了研究，通过加短路柱并在其末端加载电阻，减小了倒锥天线的尺寸。[9]
2016年，范仕祥设计了类领结平面偶极子天线，选择等腰梯形作为偶极子天线的一臂，在天线的每一臂上增加了T型槽以及两组对称分布的弯折枝节开槽，并在上方加载了寄生贴片，通过寄生结构产生了新的谐振频率，从而实现了天线的宽频特性。该天线实现了两个端口相对带宽均为55.7％和9.81分贝的最大增益。[10]
2017年，吕福全运用HFSS软件对微带天线线阵进行仿真，通过天线理论知识和与阵列方向因子的计算方法对参数进行探究，并在此基础上进一步推导出均匀线阵的方向图特性。建立微带线模型，腔体模型和全波模型，对比得出随着阵元数量的增加天线辐射性得到了增强[11]。
国外的研究甚高频（VHF）天线的领域比较广泛，其中车载，机载，以及甚高频（VHF）天线近场与人体的耦合等等。
2009年国外学者.Damir Seni和 Antonio aroli 利用制作好的玻璃钢帆船模型上放置甚高频（VHF）天线，将模型放在海洋之中进行实际场景模拟，研究实验表明海洋在天线辐射中起了非常重要的作用，在每5°的仰角的地平线增益偏差超过了10分贝。天线和桅杆的相互作用不起作用。这些模型的建立为进一步分析天线阻抗，辐射效率提供了良好的基础[12]。
2010年，.Damir Seni和 Antonio aroli进行了近地天线对海面以上天线高度的影响和天线倾斜对辐射特性的影响的仿真，并对结果进行分析，表明这两个因素是在显示环境中不可避免的。[13]
2012年，Xiao Ding, Bing-Zhong Wang，提出了一种宽带甚高频/超高频双鞭形天线，改天线采用无损匹配方案，采用嵌入式匹配和集总分布混合匹配法。通过调整嵌入式天线的长度达到与天线的共振，从而实现粗匹配。通过在双鞭馈电点加入集总分布混合网络，可以进一步改善天线匹配，从而提高了天线的性能。[14]
2017年，Tan Kiang Seng, Tan Kim Geok, Hadhrami Abd.Ghani, 等学者进行了超宽带频率微带天线的设计，提出了一种适用于超宽带频率应用的单元微带天线。该天线是在厚度为3mm的硼硅酸盐玻璃上设计的。通过CST软件进行仿真，优化了天线的尺寸，辐射方向图从1.8GHz到10.8GHz，具有很高的全向性。[15]

2. 研究的基本内容与方案

2.1. 基本内容

1）对船用甚高频（VHF）天线的基本性能需求进行分析，制定天线设计指标，利用相关天线理论，确定天线的基本数据，为初始天线模型的建立做好准备。
2）进行HFSS模型的建立，基本天线尺寸模型搭建，进行求解模式，激励端口，激励源，求解目标，多变量设置。按需进行馈电网络的设计，从而满足天线匹配的所需的阻抗。
3）天线的仿真以及实物的验证。利用HFSS软件对之前建立好的天线模型进行仿真，得出增益仿真图，电压驻波比仿真图，方向图仿真图等主要数据图像。对得出的仿真图像进行分析，运用控制变量发对天线模型参数进行调整得出新的仿真结果并进行对比，从而得出最优结论。
4）对优化后的天线参数，通过CAD，Altium Designer等软件进行图层定义，与工厂进行对接，完成实物搭建并实验测试。
2.2. 目标
本文研究的目标是通过对之前学者对甚高频（VHF）天线的研究进行分析，在满足需求的基础上进行甚高频（VHF）天线的模型建立，利用HFSS软件对天线模型进行仿真分析，得到仿真结果最优的天线。通过仿真得到的天线的驻波，方向图，增益的指标均要满足船舶通信的要求，仿真与实物测试得出的结论与仿真实验进行相互验证。
2.3. 技术方案及措施
1）归纳和总结。在查阅文献以及相关资料的基础上，对文章进行思路的总结和归纳，确定需要模拟的参数，了解天线理论，具体分析仿真完成的各种图像。进行理论分析和结构设计，确定天线的形状和尺寸。
2）建模仿真。建立天线模型，按需进行馈电网络设计和阻抗匹配。在HFSS软件中对建立好的模型进行仿真，得出方向图、驻波仿真图、增益图等图像。通过更改参数对不同的模型进行仿真并进行对比，从而得出最优的模型。
实验验证。以仿真的结果作为参照，选择最优的仿真模型并制作出实物，通过实际模拟得出的结果与仿真结果数据进行对比，相互验证。

图1-1：毕业设计流程图