障礙物遮擋對(duì)天線性能的影響

朱文軍

(中國電波傳播研究所6部，山東青島 266107)

障礙物遮擋問題，是短波通信當(dāng)中的一個(gè)常見問題，尤其是對(duì)于體積、尺寸較大的短波偵收天線、測(cè)向天線影響較大。主要影響天線的方向圖和增益，進(jìn)而影響通信效果［1］。本文通過FEKO軟件仿真計(jì)算了不同形式的障礙物對(duì)兩大類短波天線的影響，量化地得出了障礙物對(duì)短波天線影響的程度和主要方面。

FEKO軟件是目前常用的電磁仿真軟件之一，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，對(duì)短波天線的方向圖、增益仿真較為準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

1 障礙物遮擋對(duì)全向天線的影響

天線按其波束輻射狀態(tài)可大致分為全向天線和定向天線兩種［2］，本文研究的是水平面方向圖為全向和定向的天線。所有障礙物位置R均滿足遠(yuǎn)場條件，如式(1)。

障礙物對(duì)天線的影響，主要是由于對(duì)障礙物方向的來波進(jìn)行遮擋，影響天線的方向圖形狀，改變天線增益，從而降低通信效果。本文利用FEKO軟件對(duì)這一情況進(jìn)行了仿真，模型中采用的全向天線是垂直單級(jí)子天線，頻率為30 MHz，天線高度為5 m，障礙物距離天線為10 m。

(1)無遮擋狀態(tài)下的全向天線方向圖如圖1所示，可看出水平面方向性為全向。

圖1 全向天線無遮擋狀態(tài)下水平面方向圖和垂直面方向圖

(2)在距離天線10 m處設(shè)置障礙物。障礙物高度5 m，寬10 m，天線方向圖仿真結(jié)果如圖2所示，在障礙物方向上，天線水平面方向圖凹陷嚴(yán)重，至少有3 dB的增益損失，同時(shí)，垂直面方向圖出現(xiàn)裂瓣。因此，若實(shí)際天線場地中有如此尺寸的障礙物，則該方向的信號(hào)接收將受到大幅影響［3］。

圖2 障礙物寬10 m高5 m時(shí)天線方向圖

(3)將障礙物高度不變，寬度縮短1/2。將障礙物高度降低到5 m時(shí)仿真結(jié)果如圖3所示，將障礙物寬度縮短1/2后，對(duì)天線水平面方向圖改善不大，對(duì)天線垂直面的方向圖改善較大，裂瓣較10 m寬障礙物較小，同時(shí)，障礙物方向水平面的增益損失也較10 m寬的較少些［4－6］。

(4)障礙物高度減少1/2仿真結(jié)果。將障礙物高度減半后仿真結(jié)果如圖4所示，將障礙物高度降低1/2后，天線水平面方向圖改善較多，基本差別約零點(diǎn)幾dB，同時(shí)可看出，障礙物的寬度對(duì)垂直面方向圖的影響較大，這是由于耦合造成的。障礙物高度對(duì)水平面方向圖的影響主要是由于波束有一定仰角，低于仰角的障礙物對(duì)天線影響較小。

圖3 障礙物寬5 m，高5 m時(shí)天線方向圖

圖4 障礙物高度2.5 m寬10 m時(shí)仿真結(jié)果

2 障礙物遮擋對(duì)定向天線的影響

定向天線與全向天線相比較，具有更高的方向性系數(shù)，從而廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離通信和信號(hào)偵收方面［7－8］。由于定向天線的波束指向某一方向，本文主要分析其波束指向方位障礙物的影響。仿真模型為一副八木天線，頻率為20 MHz，架設(shè)高度為7.5 m，天線徑向長度為17 m，障礙物距天線為40 m。

(1)無遮擋狀態(tài)下天線參數(shù)。如圖5所示，在無遮擋狀態(tài)下，定向天線波束指向清晰，有一定方向性和仰角，后瓣較小，無旁瓣。

圖5 無遮擋狀態(tài)下天線方向圖

(2)障礙物15 m高、15 m寬狀態(tài)下仿真結(jié)果。圖6是天線受遮擋后的方位面和垂直面方向圖。從仿真結(jié)果可看出，經(jīng)遮擋后，天線方位面方向圖產(chǎn)生裂瓣，且后瓣增大，天線主波束方向至少有3 dB的增益損失。同時(shí)垂直面方向圖也有裂瓣。

(3)障礙物寬度減至7.5 m狀態(tài)時(shí)天線仿真。圖7為障礙物寬度減半后方位面方向圖和垂直面方向圖的仿真結(jié)果可看出，將障礙物寬度減半后，對(duì)天線的方向圖影響不大。通過比較圖6和圖7可看出，對(duì)障礙物寬度的改變，方向圖和增益的改變＜3 dB。

圖6 遮擋物15 m×15 m狀態(tài)下天線方向圖

圖7 寬度減半后天線方向圖

(4)障礙物高度減半后天線狀態(tài)。將障礙物高度降低至7.5 m，寬度不變，仿真結(jié)果如圖8所示，通過比較圖5與圖8可看出，高度減半后，障礙物對(duì)天線方向圖的影響減弱，圖像基本一致。

圖8 遮擋物高度減半后天線方向圖

通過仿真結(jié)果可看出，對(duì)于水平極化定向天線來說，影響其方向圖的主要因素是障礙物的高度，主要影響其增益及方向圖形狀，過高的障礙物不僅使方向圖產(chǎn)生裂瓣，而且使其后瓣變大，對(duì)于發(fā)射天線來說主要影響其通信距離和前后比，接收天線則影響接收信噪比。

3 結(jié)束語

通過對(duì)全向天線和定向天線收障礙物影響的分析，可得出結(jié)論:影響天線通信的障礙物最重要的因素是其高度。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量選擇無高大障礙物的場地作為天線架設(shè)處，同時(shí)，障礙物的高度不應(yīng)高于波束仰角范圍。對(duì)于垂直極化的全向天線，障礙物的寬度對(duì)其垂直面方向圖影響較大，會(huì)產(chǎn)生裂瓣，對(duì)于水平極化的定向天線，障礙物的寬度對(duì)其影響較小。

(5)遮擋物高度減半，寬度增加為30 m。為分析障礙物寬度對(duì)水平極化天線的影響，將障礙物寬度增加，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 障礙物為30 m寬狀態(tài)下天線方向圖

［1］ 毛乃宏．天線測(cè)量手冊(cè)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1987．

［2］ 康行?。炀€原理與設(shè)計(jì)［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，1993．

［3］ 林昌祿．近代天線設(shè)計(jì)［M］．北京:人民郵電出版社，1990．

［4］ 謝處方．電波與天線［M］．北京:人民郵電出版社，1978．

［5］ 愛丁堡．短波天線［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1992．

［6］ ELLIOTT R S．天線理論與設(shè)計(jì)［M］．王光茂，譯．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1989．

［7］ 李旺，鄭會(huì)利，董梁．一種可重構(gòu)超短波天線設(shè)計(jì)［J］．電子科技，2013，26(7):103 －104，115．

［8］ 孫文昌，韋高，姜通．基于FDTD的機(jī)載短波天線輻射特性分析［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2009，26(9):80 －83．