基于S參數法的車載天線耦合度分析

朱 瑛，張光碩，劉爾雅，路宏敏

(西安電子科技大學 電子工程學院，西安 710071)

工程與應用

基于S參數法的車載天線耦合度分析

朱 瑛，張光碩，劉爾雅，路宏敏

(西安電子科技大學 電子工程學院，西安 710071)

為了研究車載天線間的電磁兼容性，采用ANSA軟件對車輛模型進行簡化處理，建立了全尺寸的車輛電磁仿真簡化模型?；趶V義S參數理論，給出了收發(fā)天線間的電磁耦合度表達式。利用CST軟件仿真分析了理想導體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度，以及車輛車載收發(fā)天線間的電磁耦合度。結果表明，隨著天線間距的減小，車載天線間的耦合度非線性變化，但基本呈增加趨勢。收發(fā)天線工作于諧振頻率62.5 MHz時，電磁耦合度最小，諧振頻率附近出現(xiàn)了兩個電磁耦合度最大峰值。發(fā)射天線的三次諧波與接收天線的電磁耦合度較強。

車載天線；耦合度; 電磁兼容

0 引 言

科學技術的迅速發(fā)展, 不斷提高和強化了各種應用平臺的信息化程度。越來越多的電子信息設備集成于同一載體平臺，由于飛機、艦船、車輛等載體平臺空間區(qū)域有限，工作于有限空間區(qū)域的電子信息設備的電磁兼容性，就成為平臺性能優(yōu)劣的關鍵問題[1]。載體平臺有限的空間區(qū)域，工作頻段不同的各種天線，導致載體平臺工作的電磁環(huán)境更加復雜。分析應用于同一載體平臺的天線耦合問題，優(yōu)化天線布局，能夠有效解決載體平臺的EMI問題[2-4]，提高其復雜電磁環(huán)境適應性。探索車載、機載、艦載和星載平臺的復雜電磁環(huán)境適應性及其生存能力的方法，解決載體平臺電磁兼容性問題，不斷吸引國內研究人員投入其中。采用不同方法研究汽車車載天線的電磁兼容問題[4-7]，學者們提出了一些有效方法。文獻[8]提出了應用廣義S參數理論分析多車載天線的電磁耦合問題。車輛的車體作為一個復雜的電磁散射體，其車身、炮管以及履帶等車體上所有的棱臺都有可能對車載天線產生散射作用。當車載天線處于不同位置時會引起天線輻射方向圖產生不同的畸變，從而對天線之間的耦合產生不同的影響[9]。本文借鑒已有方法和理論，基于S參數法分析車輛車載多天線耦合度，提供車輛車載多天線的優(yōu)化布局參考。

隨著計算機技術和計算電磁學的發(fā)展，數值仿真技術廣泛應用于車載天線的研究中。文獻[5]利用矩量法(MoM)，文獻[6]利用時域有限差分法(FDTD)，采用單一電磁場數值方法對車載單根線天線進行了分析；文獻[7]運用MoM/FDTD混合法從場的角度，分析車載多根線天線的電磁兼容性。已有研究成果中，車載平臺為普通車輛，車體建模高度簡化，車載天線局限于單一鞭狀天線。然而，車輛車體結構較為復雜，車載多天線，炮管、履帶等棱臺較多，這些特征增加了車輛車載天線耦合度分析的復雜度。文中利用微波網絡理論，基于S參數建立天線間的耦合度計算方法，采用CST仿真軟件對簡化后的車輛模型及車載天線模型進行仿真分析，給出車輛車載天線耦合度。

1 模型建立與分析

以車輛的車載多天線的電磁兼容性為目標，分析天線對的電磁耦合度。為了充分體現(xiàn)車輛的車載多天線，使用ANSA軟件對車輛模型進行簡化處理，將得到的簡化模型導入CST軟件，其全尺寸仿真模型如圖1所示。簡化模型主要由以下三部分組成：底部的車輪及履帶、中間的車體部分以及頂部的炮塔，車體尺寸約為7000 mm×3500 mm×2000 mm，車體上面的細小孔洞和接縫經過填充，忽略部分細小縫隙以及表面微小凹凸。選取頻段為U/VHF，建立直徑25 mm、長度1200 mm的鞭天線模型。天線置于車體后方距離邊緣120 mm處，可沿y軸方向移動天線，改變兩副天線間的距離，天線底部與車體的距離為5 mm，圖1中的1、2為車載天線的位置。

圖1 車輛三維簡化模型

為了充分體現(xiàn)車體對天線的影響，建立了置于有限尺寸理想導體平面上的單極鞭狀天線模型如圖2所示，導體平面的尺寸取于炮塔的大小4400 mm×2200 mm×20 mm，天線距離導體平面后側邊緣亦為120 mm，天線底部與導體平面的距離為5 mm。

圖2 理想情況下單極鞭狀天線模型

天線間的電磁耦合包括有意電磁能量耦合、無意電磁能量耦合，有意電磁能量耦合超過一定閾值會影響接收機的性能，無意電磁能量耦合超過一定閾值可能干擾接收天線。收發(fā)天線間的電磁能量耦合強弱，即天線間的電磁耦合度，取決于收發(fā)天線設計、收發(fā)天線極化方式選擇、接收天線帶外隔離網絡的匹配[7-8]。一副天線接收到另一副天線發(fā)射的電磁波(如圖3所示)，從而收發(fā)天線建立起電磁能量耦合。通常用耦合度來定量表示天線耦合度，其定義為：

(1)

式(1)中，C為耦合度，單位為dB；Pin為發(fā)射天線的凈輸入功率；Pout為接收天線的凈輸出功率。

圖3 天線耦合示意圖

從微波網絡理論可知，圖3所示的收發(fā)天線耦合，可以看作收發(fā)天線系統(tǒng)間的空間網絡[8]，從而收發(fā)天線組成的天線系統(tǒng)就可以等效為一個二端口網絡，如圖4所示。假設端口1與發(fā)射天線連接，端口2與接收天線連接，接收天線處于網絡匹配狀態(tài)。

圖4 二端口等效網絡

由圖4可知，二端口網絡的S參數矩陣為

(2)

端口2的接收天線的輸出功率為

(3)

端口1的發(fā)射天線的輸入功率為

(4)

由于端口2處于阻抗匹配狀態(tài)，則

(5)

(6)

當端口1也匹配時，S11=0，由此可得天線間的耦合度為

(7)

2 仿真結果與討論

2.1 理想導體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度

選取的單極鞭狀天線的工作頻率為30～88 MHz(VHF)和225～512 MHz(UHF)。當兩副天線均工作在VHF頻段，并置于理想導體平面上(如圖2所示)，導體平面和天線尺寸如前所述，改變1號天線和2號天線之間的放置間距，采用CST仿真獲得的收發(fā)天線耦合度，如圖5所示。

圖5 理想導體平面上單極鞭狀天線對的電磁耦合度

從圖5可以看出，隨著收發(fā)天線間距的增大，天線間的電磁耦合度減小。兩天線間距離大于等于1000 mm時，收發(fā)天線電磁耦合度在VHF頻段內均小于-10 dB；收發(fā)天線間距固定時，工作于同一VHF頻段內的收發(fā)天線的電磁耦合度隨天線工作頻率非線性變化，因此通過適當選擇工作頻率可以調整收發(fā)天線的電磁耦合度。另外，根據天線物理尺寸可知，其諧振頻率約為62.5 MHz，當收發(fā)天線間距小于天線物理尺寸(即r≤1200 mm)時，電磁耦合度在諧振頻率點最強；收發(fā)天線間距大于天線物理尺寸(即r>1200 mm)時，電磁耦合度在諧振頻率點出現(xiàn)低谷，而在諧振頻率點附近出現(xiàn)兩個峰值。

1號天線工作在VHF頻段，2號天線工作在UHF頻段時，1號天線的三次諧波可能會落在2號天線頻帶內對其產生干擾[10]。取間距r=1600 mm，計算可能產生干擾的頻率，其耦合度計算結果見表1。

表1 VHF天線1在三次諧波點上與UHF天線2之間的耦合度

由表1可以看出，VHF天線的工作頻段(75～88 MHz)內的三次諧波，對UHF天線(225～264 MHz頻段)產生干擾。隨頻率增大呈減小趨勢，但最小值也有-26 dB，顯然二者的耦合度相對較強。當兩天線同時工作時，假設1號天線為VHF頻段的大功率發(fā)射天線，而2號天線為UHF接收天線，且UHF天線工作頻點剛好落在VHF天線諧波點附近時必將產生相當大的干擾，嚴重影響UHF天線的接收性能。

2.2 車輛車載收發(fā)天線間的電磁耦合度

車輛車載收發(fā)天線的電磁模型如圖1所示，收發(fā)天線均工作在VHF頻段并置于車體后方，改變1號天線(發(fā)射天線)和2號天線(接收天線)之間的間距，采用CST仿真獲得的收發(fā)天線耦合度如圖6所示。

圖6 車載情況下耦合度

由圖6可知，隨著天線間距的減小，天線間的耦合度變化較為復雜，但基本呈增加趨勢。另外與圖5對比可以看出，當天線距離一定時，車載天線電磁耦合度變化趨勢與圖5大體一致，只是在同一頻點處耦合度有所增大，并且諧振頻率62.5 MHz處出現(xiàn)低谷，在諧振頻率附近出現(xiàn)兩個峰值。如此可見，車輛車載收發(fā)天線間的電磁耦合度比理想導體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度大。因為車體對天線有散射作用，引起天線間耦合度的增加。

同樣，在收發(fā)天線間距r=1600 mm的情況下，當1號天線工作于VHF頻段，2號天線工作于UHF頻段時，1號天線的三次諧波與2號天線的電磁耦合度計算結果見表2。

由表2可以看出，與理想導體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度比較，此種情況下VHF天線(75～88 MHz頻段)的三次諧波對UHF天線(225～264 MHz頻段)產生的電磁耦合也十分嚴重，并在256 MHz(85.3 MHz的三次諧波)處達到峰值-25.5 dB。當兩天線同時工作時，假設1號天線為VHF頻段大功率發(fā)射天線，而2號天線為UHF頻段的接收天線，那么發(fā)射天線可能嚴重影響接收天線的性能。

表2 VHF天線1在三次諧波點上與UHF天線2之間的耦合度(車載)

綜上所述，為了降低發(fā)射天線諧波對接收天線的干擾，必須提高接收機抑制諧波的能力，或者降低發(fā)射天線諧波電平。另外，合理分配收發(fā)天線工作頻率，避免收發(fā)天線間的相互干擾，可以提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

3 結 語

使用ANSA軟件對車輛模型進行簡化處理，建立了全尺寸的車輛電磁仿真簡化模型?；趶V義S參數理論，闡述了收發(fā)天線間的空間網絡概念，給出了收發(fā)天線間的電磁耦合度表達式。利用CST軟件仿真分析了理想導體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度，以及車輛車載收發(fā)天線間的電磁耦合度。結果表明，隨著天線間距的減小，車載天線間的耦合度變化較為復雜，但基本呈增加趨勢。收發(fā)天線工作于諧振頻率62.5 MHz時，電磁耦合度最小，諧振頻率附近出現(xiàn)兩個電磁耦合度最大峰值。發(fā)射天線的三次諧波與接收天線的電磁耦合度較強。文中的建模方法和數值仿真結果，可為實際車載平臺的電磁兼容性分析以及車載平臺天線布局優(yōu)化提供參考。

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Coupling Degree Analysis Between Vehicle-Mounted Antennas Based on the Method of S-Parameters

ZHU Ying，ZHANG Guang-shuo，LIU Er-ya，LU Hong-min

(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi′an 710071, China)

In order to research the electromagnetic compatibility between vehicle-mounted antennas, the real model of an armored vehicle is simplified by ANSA, and the simplified model of the electromagnetic simulation is established by the real dimension of an armored vehicle in this paper. Based on a generalized theory of S-parameters, the formula of the electromagnetic coupling degree between transmitting and receiving antenna is given. For the perfect conductor plan and an armored vehicle, the EM coupling degrees between transmitting and receiving antenna are simulated by CST respectively. With the decrease of the interval between transmitting and receiving antenna, the EM coupling degrees between vehicle-mounted antennas are nonlinear and increased. The minimum of EM coupling degrees are at the resonance frequency and the both maximum occurs nearby the resonance frequency, the EM coupling degrees are relatively larger between the transmitting antenna at the third harmonic frequency and the receiving antenna.

vehicle-mounted antennas; Coupling degree; EMC

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.02.018

2017-01-05

2017-03-30

TN820

A

1673-5692(2017)01-197-05

朱 瑛(1988—)，女，甘肅人，碩士研究生，主要研究方向為天線，電磁兼容； E-mail：zhuyingby@163.com

張光碩(1990—)，男，陜西人，博士研究生，主要研究方向為電磁兼容；

劉爾雅(1993—)，女，河南人，碩士研究生,主要研究方向為天線，電磁兼容；

路宏敏(1961—)，男，陜西人，教授，博士生導師，主要研究方向為電磁兼容。