機(jī)載天線隔離度仿真與分析

王 立

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所, 成都610036)

1 引 言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,電子、電氣設(shè)備和系統(tǒng)的使用愈加頻密,特別是對(duì)于飛機(jī)這樣的平臺(tái),更是集中了多種的電子系統(tǒng)和設(shè)備,這些系統(tǒng)和設(shè)備集中在飛機(jī)平臺(tái)局部狹小的空間里,工作頻帶可以從20 MHz 到40 GHz,系統(tǒng)設(shè)備之間的相互耦合關(guān)系十分復(fù)雜,其間的電磁兼容性是飛機(jī)航電設(shè)備綜合設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題[1]。天線帶來(lái)的電磁兼容問(wèn)題更是不能忽視,因此,提高發(fā)射天線與敏感設(shè)備接收天線之間的隔離度是解決設(shè)備間電磁干擾的一個(gè)重要手段。但是在飛機(jī)這樣的平臺(tái)上,設(shè)備以及天線一旦安裝位置確定后便不能隨意變動(dòng),因此在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期應(yīng)對(duì)機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)的電磁兼容性進(jìn)行預(yù)測(cè)并進(jìn)行合理的優(yōu)化處理[2-4],指導(dǎo)飛機(jī)天線布局[5],最終使整個(gè)機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性。

分析天線間耦合或隔離常規(guī)手段一般采用全波分析法,將安放到飛機(jī)載體上的天線模型連同其工作環(huán)境進(jìn)行全波仿真分析,如果遇到電大尺寸環(huán)境,即相對(duì)于分析波長(zhǎng),需要進(jìn)行分析的天線間的位置間距以及對(duì)天線耦合有影響的環(huán)境區(qū)域尺寸較大時(shí),直接導(dǎo)致求解未知量變大。為了保證計(jì)算精度,求解所耗費(fèi)的計(jì)算資源(計(jì)算內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間)將急劇增加[3]。因此全波分析方法只適用于對(duì)天線數(shù)目較少、載體尺寸較小的情況進(jìn)行仿真計(jì)算。隨著飛機(jī)裝載天線口徑越來(lái)越多,如F22 裝載近30 副天線,計(jì)算資源開銷大,計(jì)算效率低。通過(guò)采用原始天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖來(lái)替代實(shí)際環(huán)境中天線,并且采用高頻算法考慮飛機(jī)載體對(duì)天線的影響,可用在天線數(shù)目較多以及電大尺寸的情況下,保證了計(jì)算精度又可極大提高仿真速度。

2 理論分析

天線間電磁能量耦合的大小通常用天線間的隔離度來(lái)表示。天線間隔離度越大,天線相互耦合能量越小。天線隔離度常用符號(hào)L 表示,定義為接收天線凈輸出功率與發(fā)射天線的凈輸入功率的比值(參見圖1),公式如下[1]:

式中,P in為在發(fā)射天線端的凈輸入功率,單位為W;Pout為在接收天線端的凈輸出功率,單位為W;L 為隔離度,單位為dB。

圖1 天線隔離度定義Fig.1 The definition of isolation

按照定義可知,隔離度越大表示天線間的耦合越小,相互間的干擾越小。

根據(jù)文獻(xiàn)[2] ,將互易定理的電路形式

應(yīng)用到一對(duì)天線對(duì)上。式(2)表示天線1 自身電流I11在天線2 上感應(yīng)的電壓V21以及天線2 自身電流I22在天線1 上感應(yīng)的電壓V12之間具有的約束關(guān)系。假設(shè)天線1 端口的阻抗為Z1,其饋入的功率為

同理,對(duì)天線2 有

考慮到天線之間互阻抗的定義:

可以得到天線1 耦合到天線2 的功率比值,也就是耦合系數(shù)

考慮到圖2 列出的情況,天線1 發(fā)射產(chǎn)生了場(chǎng)(E1, H1)并在接收天線(天線2)開路終端產(chǎn)生一個(gè)電壓V21。由天線1“看見”的環(huán)境可以用磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε進(jìn)行描述,該環(huán)境包含了天線2 的結(jié)構(gòu)(帶有開路終端)。

圖2 天線對(duì)間的反應(yīng)Fig.2 The coupling between the antennas

根據(jù)文獻(xiàn)[5] ,在圖2 說(shuō)明的環(huán)境(μ,ε)中,天線1 和天線2 之間的互阻抗Z 12為

式中,I11是當(dāng)天線1 發(fā)射時(shí)的終端電流,(E1,H1)代表天線1 在該激勵(lì)條件下發(fā)射的場(chǎng),I′22是天線2 發(fā)射時(shí)的終端電流,(E2, H2)代表天線2 在該激勵(lì)條件下發(fā)射的場(chǎng)。

將式(7)代入式(6)最終得出耦合計(jì)算如下:

3 仿真分析計(jì)算

采用上述理論進(jìn)行建模仿真,首先將孤立天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖安放在實(shí)際天線工作的位置,并對(duì)環(huán)境同方向圖引起的畸變進(jìn)行分析,得到真實(shí)工作環(huán)境下的方向圖,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行天線間隔離度分析。

飛機(jī)的外形如圖3 所示,其機(jī)身長(zhǎng)度為33 m,翼展為32 m,高度為4 m。天線工作在L 頻段,L 頻段天線方向圖安裝位置如圖3 所示,共兩副,分別為L(zhǎng)頻段上天線和L 頻段下天線,安裝在機(jī)體前部上下位置,兩安裝點(diǎn)間直線距離約為6 m。

圖3 天線裝機(jī)示意圖Fig.3 Antenna configuration

仿真計(jì)算了4 個(gè)頻點(diǎn)下的方向圖畸變及隔離度值,頻點(diǎn)分 別為960 MHz、1 030 MHz、1 100 MHz 和1 224 MHz。由于篇幅限制,關(guān)于裝機(jī)前后方向圖畸變情況僅給出L 頻段上天線和L 頻段下天線工作在960 MHz 時(shí)的情況,如圖4 和圖5 所示。從圖中可以看出,由于天線安裝環(huán)境附近無(wú)明顯遮擋,因此實(shí)際環(huán)境中的方向圖與孤立天線方向圖基本吻合,但也有一些起伏,這反映了實(shí)際天線環(huán)境對(duì)天線輻射特性的影響,特別是天線底部區(qū)域起伏更大,輻射電平與孤立情況相比,甚至達(dá)到20 dB以上,其原因是機(jī)體為有限尺寸,使天線能量繞射到底部區(qū)域。

圖4 L 頻段上天線方向圖畸變Fig.4 The distortion of the pattern of L-band-up antenna

圖5 L 頻段下天線方向圖畸變Fig.5 The distortion of the pattern of L-band-down antenna

根據(jù)仿真得到天線在裝機(jī)后因機(jī)體影響畸變后的方向圖,同時(shí)結(jié)合公式(8),通過(guò)設(shè)置天線有效孔徑等大的積分區(qū)域,最終分析計(jì)算得出天線間隔離度值,如表1 所示。

表1 天線隔離度分析結(jié)果Table 1 The isolation between antennas

4 測(cè)試結(jié)果及分析

天線隔離度測(cè)試可以等效為測(cè)量一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸系數(shù),可以采用直接測(cè)試法,又因?yàn)長(zhǎng)頻段上天線與L 頻段下天線形式完全相同,且測(cè)試頻率工作在帶內(nèi),可以看作兩天線完全匹配,可不必對(duì)反射功率進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試方法原理圖如圖6 所示,頻譜儀上接收到的功率值(單位dBm)減去信號(hào)源發(fā)射功率(單位dBm)即為兩天線間隔離度值。

圖6 隔離度測(cè)試原理圖Fig.6 The principle of isolation measurement

本測(cè)試結(jié)果為飛機(jī)在高空8 000 m飛行時(shí),忽略了天線輻射特性受地面影響,環(huán)境可以視為自由空間。信號(hào)源的發(fā)射功率為0 dBm時(shí),接收端所測(cè)得的值(單位dB)即為天線間隔離度值,測(cè)試值與仿真值對(duì)比情況如表2 所示。

表2 天線隔離度仿真與測(cè)試對(duì)比Table 2 The comparison of the isolation results

由表2 可以看出,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有一定誤差,測(cè)試值明顯優(yōu)于仿真值,其原因在于仿真飛機(jī)模型為理想純金屬的光滑表面,未考慮實(shí)際飛機(jī)蒙皮為電阻值有限,輻射電磁波在機(jī)體上激勵(lì)起表面波、爬行波等在其傳播過(guò)程中遭遇機(jī)體表面的不連續(xù)包括凹縫、凸釘以及形狀變化等所帶來(lái)的二次輻射所引起的損耗,而這些因素都將導(dǎo)致兩天線之間的實(shí)際隔離增大。另外,兩天線間存在多路耦合路徑的影響,使得隔離度在不同頻點(diǎn)下隨機(jī)起伏。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將天線輻射方向圖替代平臺(tái)天線的方法對(duì)機(jī)載天線隔離度問(wèn)題進(jìn)行了分析和仿真,并在自由空間的情況下對(duì)隔離度進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)仿真與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析,驗(yàn)證了本方法在保證仿真精度滿足實(shí)際工程需要的同時(shí),能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)機(jī)載天線間隔離度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析和評(píng)估,與采用全波仿真手段相比,不僅解決了實(shí)際工程中各種天線模型難以獲得的問(wèn)題,而且對(duì)軟硬件的要求相對(duì)較低,資源消耗少,一定程度上縮短了研制周期,在工程設(shè)計(jì)上具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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