車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合仿真

房麗麗，王學(xué)田，王 文

（北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京 100081）

車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合仿真

房麗麗，王學(xué)田，王 文

（北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京 100081）

車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合仿真對評估系統(tǒng)聯(lián)合工作的性能具有重要意義。車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合不僅要受到地面多徑效應(yīng)的影響，而且與車輛間隊(duì)形、地形地貌密切相關(guān)。利用FEKO軟件，仿真分析了兩車組成橫隊(duì)時的電磁騷擾耦合特性。仿真結(jié)果表明，車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合隨間隔的增大而逐漸減弱。

電磁騷擾；射線跟蹤；FEKO；仿真

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，在同一系統(tǒng)中集成了越來越多的電子、電氣設(shè)備，其發(fā)射功率逐漸增大，天線向周圍空間的電磁輻射強(qiáng)度增大；同時，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路系統(tǒng)正逐步取代模擬電路，而數(shù)字系統(tǒng)具有對電磁環(huán)境敏感的固有特性，且隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，數(shù)字電路系統(tǒng)的觸發(fā)電平越來越低，使得系統(tǒng)更易受周圍電磁騷擾的影響。諸如此類的電磁兼容問題如果不解決，將會影響集群系統(tǒng)聯(lián)合工作的整體性能，使得各系統(tǒng)間相互制約，甚至部分設(shè)備不能正常工作。因此，解決實(shí)際地形條件下系統(tǒng)間電磁兼容問題具有重要的意義。

系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測分析與單個系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容預(yù)測分析不同，其特點(diǎn)如下：1）不必知道裝備的詳細(xì)內(nèi)部特征，僅需要確定干擾源的發(fā)射特性和敏感設(shè)備的敏感度，即認(rèn)為干擾源不會對同一系統(tǒng)內(nèi)的敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾，不必對系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行分析；2）系統(tǒng)間的干擾方式以輻射干擾為主，傳導(dǎo)干擾微弱可忽略不計(jì)；3）采用逐對考慮，每次只選一個干擾源和一個敏感設(shè)備進(jìn)行分析，以下簡稱“發(fā)射－接收響應(yīng)對”。

1 電磁騷擾耦合模型的建立

1．1 車載通信系統(tǒng)間電波傳播的特點(diǎn)

車載通信系統(tǒng)間的電波傳播要受到2方面的影響：1）車載系統(tǒng)天線架設(shè)高度往往距離地面較近，電波傳播要受到地面多路徑干擾的影響；2）周圍地形地貌復(fù)雜，可能包括城市、郊區(qū)、平原、山區(qū)等形態(tài)各異的地形，地形地貌的多樣性將影響電波傳播。

1．2 車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合建模方法

電波傳播模型可以分為3類：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒋_定性模型和半經(jīng)驗(yàn)半確定模型。其中經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)大量的測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后，建立相應(yīng)的計(jì)算模型。而確定性模型對具體的環(huán)境和具體目標(biāo)應(yīng)用電磁場理論計(jì)算方法進(jìn)行分析，對具體的環(huán)境下電磁兼容特性預(yù)測精度較高。對于車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合建模，擬建立確定性模型并進(jìn)行仿真分析。

對于確定性模型的電磁兼容仿真方法主要有3種：解析法、數(shù)值法和近似法。解析法最為精確，沒有任何的近似，完全由電磁場的基本原理麥克斯韋方程導(dǎo)出，但通常只有一些經(jīng)典簡單的問題有解析解。由于實(shí)際問題的復(fù)雜性，通常的電波傳播環(huán)境仿真計(jì)算更多地依賴數(shù)值方法和近似算法。數(shù)值算法需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，受計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，對電大尺寸問題應(yīng)用數(shù)值方法，無論是從計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量還是計(jì)算速度上往往都難以實(shí)現(xiàn)。因此對于電大尺寸的電磁仿真通常都要采用近似算法。近似算法主要有逐步逼近法、變分法、迭代變分法、幾何光學(xué)法（geometrical optics，GO）和物理光學(xué)法等。而對于室外場地分析的電磁計(jì)算，幾何光學(xué)法是最為合適的方法。目前研究和應(yīng)用較多的是基于GO理論、幾何繞射理論（GTD）和一致性幾何繞射理論（UTD）的射線跟蹤技術(shù)（RTM）［1－4］。

射線跟蹤法的基本思想是，首先確定一個發(fā)射源的位置，根據(jù)三維地圖上的建筑物特征和分布，找出發(fā)射源到每個接收位置（測試點(diǎn)）光線的所有傳播路徑。然后根據(jù)菲涅耳等式和幾何繞射理論（GTD／UTD）等，確定反射和繞射損耗，這樣相應(yīng)得到每條路徑到每個測試點(diǎn)的場強(qiáng)，將到達(dá)同一測試點(diǎn)的所有路徑的場強(qiáng)做相干疊加，得到每個測試點(diǎn)總的接收場強(qiáng)。

射線追蹤法主要有正向算法和反向算法2類。正向算法是從源點(diǎn)出發(fā)，向周圍空間均勻發(fā)出大量的射線束，分別跟蹤每根射線束的路徑，用接收球判定該射線束對觀測點(diǎn)的場強(qiáng)是否有貢獻(xiàn)。正向算法包括射線管射線發(fā)射法、彈跳射線法（SBR）等。反向算法是已知環(huán)境中的建筑物或障礙物、發(fā)射源和觀測點(diǎn)，由觀測點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)GO理論找到從發(fā)射源到觀測點(diǎn)的所有路徑（直射、反射和繞射等），反向跟蹤每一條可能從發(fā)射源到達(dá)觀測點(diǎn)的路徑。反向算法包括傳統(tǒng)鏡像法、多鏡像射線跟蹤法、虛擬源射線跟蹤法、極小光程法等。正向算法計(jì)算簡單，但僅適用于場強(qiáng)計(jì)算，在計(jì)算相位和極化時存在較大的誤差；反向算法的優(yōu)點(diǎn)是精確度高，除了能對場強(qiáng)覆蓋進(jìn)行預(yù)測外，還可以計(jì)算每條射線的相位、極化、時延和到達(dá)角等，與正向算法相比，其計(jì)算復(fù)雜度相對較高。

2 車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合實(shí)例分析

對于車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合的分析，首先要進(jìn)行頻段劃分，對不同的頻段進(jìn)行分別建模分析。下面，以平坦地形條件為例，給出車載系統(tǒng)間短波電磁耦合建模分析的流程。

車載系統(tǒng)間電磁兼容問題可歸結(jié)為多個電大尺寸目標(biāo)的電磁散射和輻射問題。利用基于多層快速多極子方法的電磁仿真軟件FEKO，以2車組成橫隊(duì)為例，筆者對平坦地形條件下車載通信系統(tǒng)間短波電磁騷擾耦合進(jìn)行了仿真和定性分析。

2．1 建模

FEKO軟件基于矩量法和多層快速多極子技術(shù)，快速高效，宜于對電大尺寸進(jìn)行建模，是一種用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)電磁場分析的仿真工具。利用該軟件對車載通信系統(tǒng)進(jìn)行幾何建模并進(jìn)行表面三角形網(wǎng)格剖分。

圖1 2車構(gòu)成橫隊(duì)的三維實(shí)體模型表面網(wǎng)格剖分效果

圖1為2車構(gòu)成橫隊(duì)的三維實(shí)體模型表面網(wǎng)格剖分效果，其中D為兩車載通信系統(tǒng)間距。由于車載短波天線尺寸相對于車體來說很小，對該車輛進(jìn)行三角形網(wǎng)格剖分時要分段分塊進(jìn)行，而不能直接設(shè)置為FEKO軟件的默認(rèn)值。另一方面，將地面等效為無限大理想導(dǎo)電面處理，這是最簡單的平坦光滑地面的情況。隨著研究的進(jìn)一步深入，還需要將不同粗糙度的地面模型導(dǎo)入FEKO軟件進(jìn)行建模。

2．2 電磁騷擾耦合效應(yīng)分析

車輛之間的短波電磁干擾與車輛數(shù)量、車型以及周圍地形地貌密切相關(guān)。下面對圖1所示的橫隊(duì)的電磁騷擾耦合特性進(jìn)行定性分析。

圖2 車載通信系統(tǒng)間距為50 m時，系統(tǒng)間的電磁騷擾耦合度

圖3 車載通信系統(tǒng)間距為100 m時，系統(tǒng)間的電磁騷擾耦合度

由圖2和圖3可知，當(dāng)車載通信系統(tǒng)間距為50 m時，系統(tǒng)間的電磁騷擾耦合度最高可以達(dá)到－12．5 dB，而當(dāng)間距增加到100 m時，系統(tǒng)間的電磁騷擾耦合度最大值下降為－18．4 d B，可見，隨著間距的增大，耦合度明顯下降。

3 結(jié) 語

用基于多層快速多極子技術(shù)的電磁場仿真軟件FEKO仿真預(yù)測了2車載通信系統(tǒng)間電磁騷擾耦合特性。仿真結(jié)果表明，隨著傳播距離的增加，車載通信系統(tǒng)間的電磁騷擾耦合度隨間距的增大而減弱，初步論證了該建模分析流程的可行性。

［1］ 張新好．0．8 GHz～18 GHz全頻段外場散射及天線測量技術(shù)研究［D］．北京：北京航空航天大學(xué)，2011．

［2］ 吳迎年，張 霖，張利芳，等．電磁環(huán)境仿真與可視化研究綜述［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，21（20）：6 332－633 8．

［3］ 賈明華．地鐵隧道環(huán)境毫米波傳播特性的研究［D］．上海：上海大學(xué)，2010．

［4］ 顧朝志，洪 利，蔣 澤．用修正的UTD模型預(yù)測室內(nèi)電波傳播［J］．微波學(xué)報，2006，22（6）：9－12．

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1008－1542（2011）12－0075－03

2011－06－20；責(zé)任編輯：張士瑩

房麗麗（1980－），女，安徽碭山人，講師，博士，主要從事目標(biāo)特性、太赫茲技術(shù)等方面的研究。