平坦地面條件下裝備間天線電磁耦合度分析

王 偉 王學(xué)田 王 文 宋 崧 李名游 陳 磊

（1.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京100081；2.中國(guó)人民解放軍裝備學(xué)院，北京101416）

引 言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子信息裝備將被投入現(xiàn)代軍事運(yùn)用中，當(dāng)他們被部署在較近的空域內(nèi)同時(shí)工作時(shí)，通信裝備間的電磁環(huán)境變得較為復(fù)雜，各個(gè)裝備間電磁兼容的問(wèn)題就顯得尤為突出.若不能達(dá)到電磁兼容，裝備系統(tǒng)間整體工作效能就會(huì)下降，不僅達(dá)不到預(yù)期的目的，還可能會(huì)相互制約，甚至導(dǎo)致某些裝備系統(tǒng)不能正常工作.因此，系統(tǒng)間的電磁兼容性問(wèn)題的研究迫切而重要［1－2］.

平坦地面條件下的通信系統(tǒng)間電波傳播主要考慮直射波、地面反射波及天波傳播，本文由于考察的是近距離系統(tǒng)間的通信裝備間電磁兼容的影響，因此不考慮天波對(duì)電波傳播的影響.本文主要分析了地表面反射系數(shù)以及地面土壤介質(zhì)的介電特性；仿真得到了車體模型、地面介質(zhì)、距離等因素對(duì)天線間耦合度的影響；建立了平坦地面條件下兩輛通信車上發(fā)射天線與接收天線間的電磁耦合度的精確模型；通過(guò)仿真得到了與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致的電波傳播損耗數(shù)據(jù)，為典型通信系統(tǒng)天線間電磁耦合度模型校驗(yàn)和典型通信裝備間電磁兼容預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

傳統(tǒng)研究通信系統(tǒng)間電波傳播損耗的方法是根據(jù)某些具體野外環(huán)境試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析建立理論模型.文獻(xiàn)［3］利用修正后的COST231－Hata模型，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方差為5.14 dB，但由于忽略了真實(shí)環(huán)境對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)于集群車載通信裝備的傳播損耗的計(jì)算來(lái)說(shuō)誤差較大.文獻(xiàn)［4］采用了基于射線追蹤算法的電波傳播損耗預(yù)測(cè)軟件Wireless InSite，仿真與外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.5dB.但由于仿真中的環(huán)境量化誤差較大，以及射線追蹤算法的取舍誤差，最終的傳輸損耗結(jié)果存在著一定的誤差.

1 地面反射系數(shù)分析

地面和地面覆蓋物是無(wú)線電波在戶外傳播過(guò)程中最主要的影響因素，主要是對(duì)電磁波的反射、繞射和散射，以及對(duì)電磁波的衰減和吸收.當(dāng)電磁波在光滑地面上傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生鏡面反射現(xiàn)象，地面反射波和直達(dá)波會(huì)在接收點(diǎn)處產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，合成場(chǎng)強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的衰落；而當(dāng)電磁波在粗糙地表面上傳播時(shí)，反射到地面上的波會(huì)形成漫反射，反射波和直達(dá)波在接收點(diǎn)處不會(huì)形成干涉，而是功率疊加，合成的信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的衰落，而只是會(huì)表現(xiàn)出信號(hào)的閃爍和起伏［5－6］.

在現(xiàn)實(shí)野外平坦地貌條件下，絕對(duì)光滑地面情況是不存在的，判定地面是光滑還是粗糙的標(biāo)準(zhǔn)一般根據(jù)雷利準(zhǔn)則.當(dāng)雷利準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)取的較為嚴(yán)格時(shí)，應(yīng)滿足

當(dāng)Δh＜Δhmax時(shí)，鏡面反射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).當(dāng)天線為垂直極化方式時(shí)，可根據(jù)鏡面反射計(jì)算出地面反射系數(shù)為

式中：ε′r＝εr－60λσ；φ為擦地角.

當(dāng)Δh＞Δhmax時(shí)，必須將其視為粗糙地面，一般來(lái)說(shuō)粗糙地面的反射系數(shù)可以寫為

式中：α為粗糙地面對(duì)于反射射線的衰減因子；Rf為費(fèi)涅爾反射系數(shù).實(shí)際中α是無(wú)法有效計(jì)算出來(lái)的，并且也很難被測(cè)量.

2 地面土壤介質(zhì)介電特性分析

微波波段土壤的介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)回波的影響是很大的，介電常數(shù)越大，反射雷達(dá)波束的作用越強(qiáng)，透射作用越小，而且土壤的介電常數(shù)和土壤濕度有很大的關(guān)系.一般來(lái)說(shuō)，土壤的介電常數(shù)主要受到入射電磁波頻率、溫度、鹽度、土壤中總的體積含水量等方面的影響.

土壤的復(fù)介電常數(shù)用ε＝ε′－jε″表示，式中：ε′為復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部，其含義為在兩種不同介質(zhì)表面發(fā)生的波的折射和反射現(xiàn)象，與介質(zhì)的介電特性有關(guān)；ε″為復(fù)介電常數(shù)的虛部，與入射電磁波在介質(zhì)中的衰減（吸收和轉(zhuǎn)化）有關(guān)，對(duì)于大多數(shù)自然表面，ε″遠(yuǎn)小于ε′.

Wang and Schmugge建立了一種四成分模型［10］，設(shè)干土壤中沙土含量為S% 和粘土含量為C%，其中S＋C≤100，定義土壤的濕度壓縮點(diǎn)為Wp＝0.06774－0.00064×S＋0.00478×C；臨界體濕度的經(jīng)驗(yàn)公式為mt＝0.49WP＋0.165，定義參數(shù)β＝－0.57Wp＋0.481.

當(dāng)土壤中的含水量mv≤mt時(shí)，等效介電常數(shù)εs＝mv×εx＋（p－mv）εa＋ （1－p）εr，其中εx＝

當(dāng)土壤含水量mv＞mt時(shí)，εs＝mtεx＋ （mvmt）εw＋ （p － mv）εa＋ （1 － p）εr，其 中 εx＝εi＋（εw－εi）β.

上述公式中：εi＝3.2－0.1j是冰的介電常數(shù)；εr＝5.0－0.1j為巖石的介電常數(shù)；εa＝1.0是空氣的介電常數(shù)；εw是工作頻率下純水的介電常數(shù).一般情況下，土壤中巖石的密度ρr＝2.6 g／cm3，設(shè)干土壤的密度為ρb，則土壤的積孔率為：p＝1－ρb／ρr.

3 仿真研究

3.1 車體結(jié)構(gòu)對(duì)耦合度的影響

在復(fù)雜地貌環(huán)境下，我們需要考慮通信車車體及車體周邊環(huán)境等因素對(duì)通信天線輻射特性的影響.當(dāng)通信系統(tǒng)中的收發(fā)天線的工作頻率為低頻時(shí)，由于電波波長(zhǎng)和通信車車體幾乎可以比擬，因此車體對(duì)天線輻射特性影響較??；當(dāng)通信系統(tǒng)工作頻率較高時(shí)，根據(jù)幾何繞射理論可以得出車體繞射場(chǎng)的計(jì)算公式為

式中：s1為發(fā)射點(diǎn)到繞射點(diǎn)的距離；s2為接收點(diǎn)到繞射點(diǎn)的距離；D為繞射系數(shù).從式（4）可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)通信車相距較近時(shí)，如圖1所示，天線輻射在車體上的繞射場(chǎng)對(duì)于接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)還是有著一定的影響.因此，在實(shí)際仿真過(guò)程中，必須考慮通信車車體對(duì)天線輻射特性的影響.

圖1 車體散射場(chǎng)示意圖

仿真的實(shí)際通信車模型參考了測(cè)試所用到依維柯通信車，如圖2所示.利用FEKO軟件所建立的車體模型如圖3所示.所用收發(fā)天線為典型通信系統(tǒng)的短波天線，天線工作頻率范圍為1.6～30 MHz.

圖2 測(cè)試場(chǎng)地及測(cè)試車

為了使得模擬車體的近場(chǎng)條件模擬的更為逼真，仿真在自由空間環(huán)境下建立了精確的車體模型，考慮到了實(shí)際車體頂端的具體情況，包括車頂上的兩個(gè)箱體結(jié)構(gòu)以及車尾端的圓柱體結(jié)構(gòu)，并且在模擬車中考慮了車窗的玻璃材料以及車胎的橡膠材料，模擬車采用金屬空心車體.通過(guò)仿真分析，得到了現(xiàn)模型和立方體車體模型在短波及超短波頻段下各自耦合度的變化情況，如圖4所示.

圖3 測(cè)試車在FEKO5.5中的精確模型

圖4 自由空間下精確模型和簡(jiǎn)易模型的耦合度對(duì)比圖

由圖4可以看出，不同車體模型對(duì)天線間耦合度影響較大，尤其是在頻率較高的時(shí)候，車體的具體形狀、結(jié)構(gòu)及參數(shù)等因素對(duì)收發(fā)天線的輻射特性有著很大的影響.因此在實(shí)際的建模仿真工作中，需要考慮通信車的車體結(jié)構(gòu)以及通信車周邊環(huán)境對(duì)結(jié)果的影響，并且需要建立精確的車體模型.車體最終模型如圖3所示.

3.2 地表面的介質(zhì)特性對(duì)耦合度的影響

對(duì)于真實(shí)地面土壤介質(zhì)的介電特性，情況就比較復(fù)雜.因?yàn)殡S土壤深度增加，土壤的含水量、溫度等也會(huì)發(fā)生變化，尤其是含水量這一重要指標(biāo)，對(duì)土壤介電常數(shù)影響較為明顯.一般來(lái)說(shuō)，土壤含水量隨著土壤深度的增加而加大，因此在仿真中需要對(duì)土壤介質(zhì)進(jìn)行分層處理，然而這將大大增加仿真的計(jì)算量，仿真周期將會(huì)很長(zhǎng).考慮到分層模型的仿真對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存及性能要求很大，本文只考慮一層地面的影響，同時(shí)為了減小仿真計(jì)算量，地面介質(zhì)層的厚度就不能設(shè)置太大，需要通過(guò)仿真分析得到其厚度的仿真最小值，即若厚度再增加對(duì)得到的耦合結(jié)果幾乎不會(huì)有任何影響，最終將地面厚度設(shè)為5 m.同樣方法，根據(jù)仿真將模型中的車體與地面邊界的距離設(shè)為0.25個(gè)波長(zhǎng)的距離，認(rèn)為此時(shí)增加邊界的大小對(duì)耦合度影響不大.模型如圖5所示.

圖5 地面土壤介質(zhì)及通信車建模

圖6～8分別為不同地面介質(zhì)條件下，天線間電磁耦合度與自由空間條件下的對(duì)比.反映出不同的地表面介質(zhì)（金屬、純水、海水）對(duì)耦合度的影響，為土壤地表面情況做參照.

圖6 地表面為金屬

3.3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)際測(cè)試的地點(diǎn)為河南省孟州市的一處開闊平坦的測(cè)試場(chǎng)地，仿真模擬的地面介質(zhì)為“沙壤土”，其含沙量為51.5%，粘土含量為13.5%，溫度為20°，含水量為40%.經(jīng)過(guò)第2節(jié)地面土壤介質(zhì)的介電特性的分析，計(jì)算得出其介電常數(shù)為25.4，損耗角正切值為0.088 6.將計(jì)算結(jié)果代入到仿真模型中，得到了最終的仿真結(jié)果并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示.

圖7 地表面為純水介質(zhì)

圖8 地表面為海水介質(zhì)

圖9 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

從圖9可以發(fā)現(xiàn)：仿真結(jié)果曲線能夠大致描述實(shí)際測(cè)試耦合度曲線的變化規(guī)律；但是仿真結(jié)果在多數(shù)頻點(diǎn)均大于測(cè)試結(jié)果，分析可能是由于測(cè)試場(chǎng)地的大規(guī)模草叢對(duì)于短波天線的表面波傳播造成了一定的影響，導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小于仿真數(shù)據(jù).此外仿真中對(duì)于真實(shí)場(chǎng)景的理想化考慮，以及實(shí)際測(cè)試產(chǎn)生的誤差都是最終誤差的來(lái)源.

圖10為天線間耦合度隨兩車距離變化的對(duì)比圖.可以看出平原地貌條件下通信車天線間電磁耦合度的變化趨勢(shì)：電磁耦合度隨著距離的增大而減小，在高頻時(shí)表現(xiàn)的更為明顯.

然而實(shí)際應(yīng)用中通信車間距分布距離較大，利用矩量法對(duì)地面及車體進(jìn)行模擬仿真的方法極大增加了計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)，尤其是在高頻時(shí)仿真周期會(huì)大大增加.因此，當(dāng)兩車距離較大，在高頻時(shí)，可以將模型進(jìn)行分段仿真，即分別將發(fā)射和接收兩端的天線、車體及地面情況看成一個(gè)整體，兩車之間的地表面只考慮主反射面的影響.通過(guò)分段仿真減小了仿真的計(jì)算量，從而實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離時(shí)平坦地面條件下天線間耦合度的仿真.

圖10 耦合度隨距離變化對(duì)比圖

4 結(jié) 論

本文研究了處于平坦地面條件下電波傳播的地表面反射系數(shù)，對(duì)地表面的土壤介電特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析；仿真分析了車體結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射特性的影響，從而對(duì)仿真中車體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確建模；本文最終建立了平坦地面情況下，兩通信車的收發(fā)天線間電磁耦合度的仿真模型，經(jīng)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致，最大誤差為16.54dB，均方差為4.21dB.

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