基于巴侖半波對(duì)稱振子的車載天線耦合度分析

張婷， 王紹銀， 李照泉， 李鵬， 邢移單

(同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院 電子與信息工程系，嘉興 314000)

0 引言

電子通信技術(shù)的發(fā)展，使各種功能的天線設(shè)備密集分布于飛機(jī)、船艦、機(jī)車等平臺(tái)上空間狹小的設(shè)備間內(nèi)，不同功能的天線可能存在重疊的工作頻帶，如布置不當(dāng)電子設(shè)備之間存在嚴(yán)重的電磁干擾。因此解決載體天線系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題顯得尤為重要。近年來(lái)，研究載體天線的電磁兼容性，選擇的天線類型大多為經(jīng)典振子天線或者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的天線。對(duì)經(jīng)典振子天線性能的研究可為其在特定電磁環(huán)境下的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[1]利用矩量法分析粗振子天線，得出振子粗細(xì)對(duì)天線駐波比和輻射功率的影響。從振子天線工作帶寬的角度，將傳統(tǒng)線狀振子結(jié)構(gòu)改為片狀結(jié)構(gòu)[2]，可實(shí)現(xiàn)滿足駐波比條件的相對(duì)帶寬的增大。在半波對(duì)稱振子的適當(dāng)位置加載并聯(lián)諧振回路，使得振子工作在頻率低/高端時(shí)回路成短路或開(kāi)路的狀態(tài)，也可以達(dá)到頻帶展寬[3]的目的。天線在特定系統(tǒng)中的應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[4]使用單極子天線，建立無(wú)人機(jī)頭部、腹部和尾部機(jī)載天線系統(tǒng)模型，使用時(shí)域有限差分法仿真天線作用于機(jī)腹區(qū)域27個(gè)關(guān)注點(diǎn)的輻射特性，確定綜合輻射影響最小的點(diǎn)為機(jī)腹天線的安裝位置，并給出了電磁場(chǎng)分布情況。針對(duì)天線安裝位置問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]建立車載振子天線模型，利用CST仿真了天線的耦合度與方向圖等特性參數(shù)，對(duì)比分析了位置變化對(duì)不同工作頻率天線電磁特性的影響。文獻(xiàn)[6]建立飛機(jī)簡(jiǎn)化模型并引入遺傳算法分析振子天線的耦合度，得出使待求天線獲得最小耦合度的位置，然后建立飛機(jī)三維實(shí)體模型，使用FDTD算法仿真驗(yàn)證了所求天線的最佳位置。文獻(xiàn)[7]分析了車載軍用超短波天線的距離、垂直高度和極化方向的變化對(duì)天線耦合度的影響。文獻(xiàn)[8]使用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法對(duì)某戰(zhàn)艦上的天線位置進(jìn)行布局，取得了多種優(yōu)化方案可供實(shí)際需要選擇應(yīng)用。

使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的天線用于載體天線電磁兼容性仿真，是在天線工作性能為理想最優(yōu)的前提下進(jìn)行的，實(shí)際載體天線的類型具有多樣性，要滿足不同的功能需求其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，為取得較好的天線性能還需要精準(zhǔn)建模。研究復(fù)雜天線的車載天線系統(tǒng)電磁兼容性鮮有報(bào)道。本文針對(duì)較復(fù)雜天線的應(yīng)用，設(shè)計(jì)4種頻率的巴侖半波對(duì)稱振子天線，建立實(shí)際列車車載天線的電磁環(huán)境和收發(fā)天線耦合度模型，分析有限空間多天線的耦合度，進(jìn)而仿真實(shí)際列車車載天線系統(tǒng)的耦合度，所得結(jié)果為列車車載天線的優(yōu)化布局提供參考。

1 巴侖半波對(duì)稱振子原理與設(shè)計(jì)

用平行雙導(dǎo)線對(duì)半波振子饋電，振子仍是平衡的。實(shí)際工程中天線是按照標(biāo)準(zhǔn)的特性阻抗設(shè)計(jì)的，即50 Ω，若用同軸線對(duì)半波振子饋電，振子兩臂上的電流不是對(duì)稱分布。同軸線傳輸?shù)氖瞧胶饽Ｊ?，如圖1所示。

圖1 同軸線饋電原理

其內(nèi)導(dǎo)體上的電流I1與外導(dǎo)體內(nèi)壁上的電流I3等幅反向。內(nèi)導(dǎo)體連接振子右臂，I1等于振子右臂上的電流，外導(dǎo)體內(nèi)壁上的電流一部分形成振子左臂上的電流I2，另一部分分流至外導(dǎo)體外壁上，形成電流I4，即I3=I2+I4，I1≠I2，振子失去了原來(lái)的對(duì)稱性。電流I4的存在會(huì)產(chǎn)生附加的輻射和損耗，使方向圖畸變，還會(huì)出現(xiàn)不該有的交叉極化分量，破壞了原來(lái)的正常極化。為此，采用扼流套(巴侖)作為不平衡-平衡變換器，在同軸線外加一段λ/4長(zhǎng)的金屬圓筒，其與同軸線外導(dǎo)體間形成一段λ/4短路線，開(kāi)口處輸入阻抗為無(wú)窮大，從而使溢出的電流I4=0。

巴侖半波對(duì)稱振子設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 巴侖半波對(duì)稱振子結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)為h1的同軸線內(nèi)置長(zhǎng)為h2的圓柱型導(dǎo)體，外置等長(zhǎng)的巴倫套筒。振子左臂與同軸線和巴倫相連，右臂與同軸線內(nèi)導(dǎo)體相連，右臂延伸一段距離處與饋電探針相接。同軸線長(zhǎng)應(yīng)為天線工作波長(zhǎng)的λ/4，振子雙臂長(zhǎng)為λ/2，由于臂“終端效應(yīng)”的影響，實(shí)際長(zhǎng)度要縮短5%左右，同軸線內(nèi)導(dǎo)體應(yīng)略高出同軸線與巴侖套筒一段距離，饋電探針與同軸線也應(yīng)相距一定距離。其他參數(shù)可與主要參量關(guān)聯(lián)起來(lái)通過(guò)計(jì)算得出。模型材質(zhì)設(shè)置為金屬銅，饋電端口在同軸線的底端，需要增加導(dǎo)電反射板來(lái)提高天線的輻射功率。饋電方式定義為集總端口，比傳統(tǒng)的波導(dǎo)饋電進(jìn)一步改善了天線性能。

2 模型建立與分析

以某型號(hào)列車車頭為載體建立電磁仿真環(huán)境，車體是規(guī)則幾何體對(duì)車頂部的電磁環(huán)境沒(méi)有影響，可用22 190 mm×3 380 mm的平面簡(jiǎn)化等效列車車體，平面鋁合金材質(zhì)的電導(dǎo)率為2.5×107S/m。建立列車用GSM-R、450 MHz、GPS以及800 MHz巴侖半波對(duì)稱振子天線模型，按照實(shí)際車頂天線布局安裝這4種頻率的9副天線，如圖3所示。

圖3 車頂部天線系統(tǒng)模型

天線在車頂部的中軸線沿x軸正向平行線型排布。9副天線編號(hào)從原點(diǎn)沿x軸正向遞增，1號(hào)與2號(hào)GSM-R天線、2號(hào)GSM-R天線與3號(hào)450 MHz天線、3號(hào)450 MHz天線和4號(hào)GSM-R天線相鄰間距均為2 600 mm，4號(hào)GSM-R天線與5號(hào)GPS天線、5號(hào)GPS天線與6號(hào)GSM-R天線、6號(hào)GSM-R天線與7號(hào)GPS天線、7號(hào)GPS天線與8號(hào)GSM-R天線相鄰間距均為1 300 mm，8號(hào)GSM-R天線與9號(hào)800 MHz天線間距為5 740 mm。1號(hào)天線距離車頂部右側(cè)1 725 mm，9號(hào)天線距離車頂部左側(cè)465 mm?？紤]GSM-R天線為發(fā)射天線，其余天線為接收天線，分析接收天線位置變換時(shí)接收天線對(duì)發(fā)射天線的電磁干擾，以及接收天線對(duì)發(fā)射天線工作性能的影響。在此基礎(chǔ)上，分析實(shí)際車載天線系統(tǒng)的電磁干擾情況，通過(guò)相應(yīng)指標(biāo)來(lái)衡量電磁干擾的程度和變化趨勢(shì)。

載體天線系統(tǒng)電磁干擾的主要傳輸途徑是天線間的互偶，用耦合度來(lái)表示這種互偶效應(yīng)的強(qiáng)弱。耦合度定義為式(1)。

(1)

(1)式中Pin表示發(fā)射天線的凈輸入功率，Pout表示接收天線的凈輸出功率。

9副天線的任意兩副天線都存在互偶，根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論可以將9副天線與載體組成的系統(tǒng)看成一個(gè)多端口廣義網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)槎嗵炀€的互偶與兩天線互偶相似，以2副天線組成的系統(tǒng)為例，并將其等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 等效二端口網(wǎng)絡(luò)

端口1和端口2是分別連接發(fā)射天線和接收天線的激勵(lì)端口，a1、a2為入射波，b1、b2為反射波，S參數(shù)為聯(lián)系入射波和反射波能量關(guān)系的散射參數(shù)，對(duì)應(yīng)的關(guān)系為式(2)：

(2)

(3)

3 仿真結(jié)果與討論

(1) 有限空間多天線的耦合度

選擇建模好的GSM-R(870 MHz-960 MHz)、800 MHz(815 MHz-875 MHz)、450 MHz(450 MHz-470 MHz)和GPS(1.574 GHz-1.577 GHz)巴侖半波對(duì)稱振子天線。將GSM-R天線作為發(fā)射天線固定在原點(diǎn)，依次在GSM-R天線水平沿線的一定距離處分別增加800 MHz、450 MHz和GPS接收天線，分析增加天線距離的變化引起的耦合干擾和對(duì)發(fā)射天線工作性能的影響，進(jìn)而確定增加天線的合適位置。

GSM-R天線后增加800 MHz天線，分析800 MHz天線距離GSM-R天線5個(gè)GSM-R天線的工作波長(zhǎng)變化范圍，800 MHz天線與GSM-R天線耦合度隨距離增加而減小，相距3個(gè)工作波長(zhǎng)時(shí)，兩天線耦合度開(kāi)始小于-30 dB，確定800 MHz天線位置為距離GSM-R天線3個(gè)工作波長(zhǎng)。800 MHz天線后增加450 MHz天線，分析這兩副天線5個(gè)工作波長(zhǎng)的變化范圍，GSM-R天線與800 MHz天線以及GSM-R天線與450 MHz天線的耦合度均低于-30 dB，GSM-R天線與800 MHz天線的諧振頻點(diǎn)在其工作頻段內(nèi)有小偏移，但駐波比在1.5以內(nèi)。800 MHz與450 MHz天線耦合度在它們相距2個(gè)工作波長(zhǎng)時(shí)，兩天線耦合度約為-30 dB，相距3個(gè)工作波長(zhǎng)時(shí)兩天線耦合度低于-30 dB，為確保穩(wěn)定的耦合度，450 MHz天線位置距離800 MHz天線3個(gè)工作波長(zhǎng)。

450 MHz天線后增加GPS天線，分析這兩副天線5個(gè)工作波長(zhǎng)的變化范圍，GSM-R天線與800 MHz天線耦合度仍低于-30 dB，天線性能受GPS天線影響很小，GSM-R天線與450 MHz天線，GSM-R天線與GPS天線，800 MHz天線與450 MHz天線的耦合度均低于-32 dB。800 MHz天線與GPS天線耦合度低于-53 dB，如圖5所示。

圖5 800 MHz天線與GPS天線耦合度

1#、2#、3#和4#分別表示GSM-R天線、800 MHz天線、450 MHz天線和GPS天線。450 MHz天線與GPS天線相距4個(gè)工作波長(zhǎng)時(shí)耦合度低于-34 dB，并且能滿足其它天線兩兩之間的耦合度要求，兩者耦合度隨距離的增加繼續(xù)降低，但下降幅度逐漸減小，當(dāng)距離增加到5個(gè)工作波長(zhǎng)以上時(shí)耦合度趨于穩(wěn)定。經(jīng)綜合分析選擇GPS天線位置為距離450 MHz天線4個(gè)工作波長(zhǎng)。因此，兩端天線的最遠(yuǎn)距離是10個(gè)GSM-R天線的工作波長(zhǎng)，在這樣的排布下天線系統(tǒng)的電磁兼容性能得到保證。限于篇幅原因，僅給出有限空間內(nèi)定位好的天線耦合度和相關(guān)天線性能，如圖6-圖8所示。

圖6 多天線間的耦合度

圖7 多天線間的耦合度

圖8 GSM-R天線2D增益方向圖

(2) 列車頂部天線系統(tǒng)的耦合度

按照實(shí)際列車天線布局方案安裝4種頻率的9副巴侖半波對(duì)稱振子天線，將4頻率天線分別作為發(fā)射天線，仿真各車載天線系統(tǒng)的耦合度。如圖9所示。

圖9 GSM-R與各天線的耦合度

GSM-R發(fā)射天線，各GSM-R天線與1#、2#、3#天線耦合度隨距離的增加而減小，1#與2#天線以及2#與3#天線，間距相等情況下，頻率相差較大的相鄰耦合度變化幅度較大。同理，4#至8#天線區(qū)段為GSM-R天線與GPS天線交替布置，因?yàn)橄噜徧炀€頻率相差較大，相鄰耦合度變化幅度也較大。GSM-R天線與8#天線及其與9#天線間的耦合度呈下降趨勢(shì)，但隨間距增加相鄰耦合度下降趨于平緩。

從圖10可以看出，9#的800 MHz發(fā)射天線與其他天線的耦合度，隨天線排布順序曲折上升，800 MHz天線與GSM-R天線的耦合度隨間距減小而增大，僅在3#天線處因頻率突變有小幅度下降，說(shuō)明在一定遠(yuǎn)距離下頻率的影響更明顯。5#與7#天線處耦合度出現(xiàn)了低谷，而7#天線距離更接近9#天線，耦合度有小幅度回升。

圖10 800 MHz天線與各天線的耦合度

如圖11所示。

圖11 450 MHz天線與各天線的耦合度

450 MHz發(fā)射天線與其后各天線的耦合度呈曲折下降趨勢(shì)，因?yàn)槠涔ぷ黝l段與其他天線相差較大，所以整體耦合度低于-50 dB。

由圖12可知，GPS發(fā)射天線的耦合度曲線呈先升后降趨勢(shì)，因?yàn)镚SP天線在天線整體排布中位置偏中部，7#天線耦合度曲線與5#天線相似，在位置上有一定距離的平移，兩條曲線在6#天線處出現(xiàn)交點(diǎn)，由于6#天線兩邊對(duì)稱分布的是GPS天線。

圖12 GPS天線與各天線的耦合度

綜上分析，收發(fā)天線的耦合度隨天線間距離的增大而減小，相鄰天線工作頻段相差較大時(shí)相鄰耦合度變化的幅度也較大。不同頻率收發(fā)天線耦合度受距離和頻率的影響，距離一定時(shí)頻率相差越大耦合度越低。采用此種布置方案，各車載天線系統(tǒng)的發(fā)射天線都能正常工作。

4 總結(jié)

本文分析了巴侖半波對(duì)稱振子天線平衡饋電的原理，使用HFSS-IE設(shè)計(jì)了列車頂部4種頻率的巴侖半波對(duì)稱振子天線。將此天線應(yīng)用于列車頂部，建立車載天線系統(tǒng)電磁仿真環(huán)境，結(jié)合微波網(wǎng)絡(luò)理論闡述收發(fā)天線的互偶效應(yīng)，給出了耦合度表達(dá)式。利用HFSS-IE仿真分析有限空間多天線的耦合度，找出了符合系統(tǒng)電磁兼容性的天線位置。分析列車頂部天線系統(tǒng)的耦合度，驗(yàn)證了實(shí)際車載天線布局的合理性。結(jié)果表明，收發(fā)天線的耦合度隨天線間距離增大而減小，相鄰天線工作頻段相差較大時(shí)相鄰耦合度變化的幅度也較大。不同頻率收發(fā)天線耦合度受距離和頻率的影響，距離一定時(shí)頻率相差越大耦合度越低。本文的建模方法與分析結(jié)果給列車車載天線的優(yōu)化布局提供參考。