基于S參數(shù)法的車載天線耦合度分析*

楊懌菲，朱 瑛，劉爾雅

（1.西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710121；2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，西安 710071）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使越來越多的電子信息設(shè)備集成于同一載體平臺，由于飛機(jī)、艦船、車輛等載體平臺空間區(qū)域有限，工作于有限空間區(qū)域的電子信息設(shè)備的電磁兼容性，就成為平臺性能優(yōu)劣的關(guān)鍵問題［1］。載體平臺有限的空間區(qū)域、各種天線不同的工作頻段，導(dǎo)致載體平臺工作的電磁環(huán)境更加復(fù)雜。分析應(yīng)用于同一載體平臺的天線耦合問題，優(yōu)化天線布局，能夠有效解決載體平臺的EMI問題［1-3］，提高其復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性。探索車載、機(jī)載、艦載和星載平臺的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性及其生存能力的方法，解決載體平臺電磁兼容性問題，成為國內(nèi)外研究熱點。就采用不同方法研究汽車天線系統(tǒng)電磁兼容的問題［6-8］，學(xué)者們提出了一些有效方法。文獻(xiàn)［9］提出了應(yīng)用廣義S參數(shù)理論分析多天線系統(tǒng)的電磁耦合問題。裝甲車輛的車體作為一個復(fù)雜的電磁散射體，其車身、炮管以及履帶等車體上所有的棱臺都有可能對車載天線產(chǎn)生散射作用。當(dāng)車載天線處于不同位置時會引起天線輻射方向圖產(chǎn)生不同的畸變，從而對天線之間的耦合產(chǎn)生不同影響［4］。本文借鑒已有方法和理論，基于S參數(shù)法分析裝甲車輛車載多天線耦合度，提供裝甲車輛車載多天線的優(yōu)化布局參考。

隨著計算機(jī)技術(shù)和計算電磁學(xué)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于車載天線的研究中。文獻(xiàn)［6］利用矩量法（MoM），文獻(xiàn)［6］利用時域有限差分法（FDTD），采用單一電磁場數(shù)值方法對車載單根線天線進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［8］運用MoM/FDTD混合法從場的角度，分析車載多根線天線的電磁兼容性。已有研究成果中，車載平臺為普通車輛，車體建模高度簡化，車載天線局限于單一鞭狀天線。然而，裝甲車輛車體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，車載多天線系統(tǒng)，炮管、履帶等棱臺較多，這些特征增加了裝甲車輛車載天線耦合度分析的復(fù)雜度。文中利用微波網(wǎng)絡(luò)理論，基于S參數(shù)建立天線間的耦合度計算方法，采用CST仿真軟件對簡化后的車輛模型及車載天線模型進(jìn)行仿真分析，給出裝甲車輛車載天線耦合度。

1 模型建立與分析

以裝甲車輛的車載多天線系統(tǒng)的電磁兼容性為目標(biāo)，分析天線對的電磁耦合度。為了充分體現(xiàn)實際裝甲車輛的車載多天線系統(tǒng)，使用ANSA軟件簡化原車輛模型，將簡化模型導(dǎo)入CST軟件，得到全尺寸仿真模型如圖1所示。簡化模型主要由以下3部分組成：底部的車輪及履帶、中間的車體部分及頂部的炮塔，車體尺寸約為6 900 mm×3 200 mm×1 900 mm，車體上面的細(xì)小孔洞和接縫經(jīng)過填充，忽略部分細(xì)小縫隙及表面微小凹凸。選取的天線是多波段天線，其頻段為U/VHF，建立直徑25 mm、長度1 200 mm的鞭天線模型。天線置于車體后方距離邊緣120 mm處，可沿y軸方向移動天線，改變兩副天線間的距離，天線底部與車體的距離為5 mm，圖1中的1、2為車載天線的位置。

為了充分體現(xiàn)車體對天線的影響，建立了置于有限尺寸理想導(dǎo)體平面上的單極鞭狀天線模型如圖2所示，導(dǎo)體平面尺寸取坦克炮塔的大小4400mm×2 200 mm×20 mm，天線距導(dǎo)體平面后側(cè)邊緣為120 mm，天線底部與導(dǎo)體平面的距離為5 mm。

圖1 裝甲車輛三維簡化模型

圖2 理想情況下單極鞭狀天線模型

天線間的電磁耦合包括有意電磁能量耦合、無意電磁能量耦合，有意電磁能量耦合超過一定閾值會影響接收機(jī)的性能，無意電磁能量耦合超過一定閾值可能干擾接收天線。收發(fā)天線間的電磁能量耦合強(qiáng)弱，即天線間的電磁耦合度，取決于收發(fā)天線設(shè)計、收發(fā)天線極化方式選擇、接收天線帶外隔離網(wǎng)絡(luò)的匹配［8-9］。一副天線接收到另一副天線發(fā)射的電磁波（如圖3所示），從而收發(fā)天線建立起電磁能量耦合。通常用耦合度來定量表示天線耦合度，其定義為：

式（1）中，C為耦合度，單位為dB；Pin為發(fā)射天線的凈輸入功率；Pout為接收天線的凈輸出功率。

根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，圖3所示的收發(fā)天線耦合，可看作收發(fā)天線系統(tǒng)間的空間網(wǎng)絡(luò)［9］，從而收發(fā)天線組成的天線系統(tǒng)可等效為一個二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。假設(shè)端口1與發(fā)射天線連接，端口2與接收天線連接，接收天線處于網(wǎng)絡(luò)匹配狀態(tài)。

圖3 天線耦合示意圖

圖4 二端口等效網(wǎng)絡(luò)

由圖4可知，二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)矩陣為

端口2的接收天線的輸出功率為

端口1的發(fā)射天線的輸入功率為

由于端口2處于阻抗匹配狀態(tài)，則

當(dāng)端口1也匹配時，S11=0，由此可得天線間的耦合度為

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 理想導(dǎo)體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度

選取多波段單極鞭狀天線的工作頻率為30MHz～88 MHz（VHF）和 225 MHz～512 MHz（UHF）。當(dāng)兩副天線均工作在VHF頻段，并置于理想導(dǎo)體平面上（圖2），導(dǎo)體平面和天線尺寸如前所述，改變1號天線和2號天線之間的間距，采用CST仿真獲得的收發(fā)天線耦合度，如圖5所示。

從圖5可以看出，收發(fā)天線間距增大，天線間的電磁耦合度減小。兩天線間距離大于等于1 000 mm時，收發(fā)天線電磁耦合度在VHF頻段內(nèi)均小于-10 dB；收發(fā)天線間距固定時，工作于同一VHF頻段內(nèi)的收發(fā)天線的電磁耦合度隨天線工作頻率非線性變化，因此，通過適當(dāng)選擇工作頻率可以調(diào)整收發(fā)天線的電磁耦合度。另外，根據(jù)天線物理尺寸可知，其諧振頻率約為62.5 MHz，當(dāng)收發(fā)天線間距小于天線物理尺寸（即r≤1 200 mm）時，電磁耦合度在諧振頻率點最強(qiáng)；收發(fā)天線間距大于天線物理尺寸（即r＞1 200 mm）時，電磁耦合度在諧振頻率點出現(xiàn)低谷，而在諧振頻率點附近出現(xiàn)兩個峰值。

1號天線工作在VHF頻段，2號天線工作在UHF頻段時，1號天線的3次諧波可能會落在2號天線頻帶內(nèi)對其產(chǎn)生干擾。由于實際車體上收發(fā)天線間距約為1 600 mm，此處取間距r=1 600 mm，計算可能產(chǎn)生干擾的頻率，其耦合度計算結(jié)果見表1。

由表1可以看出，VHF天線的工作頻段（75MHz～88 MHz）內(nèi)的 3次諧波，對 UHF天線（225 MHz～264 MHz頻段）產(chǎn)生干擾。隨頻率增大呈減小趨勢，但最小值也有-26 dB，顯然二者的耦合度相對較強(qiáng)。當(dāng)兩天線同時工作時，假設(shè)1號天線為VHF頻段的大功率發(fā)射天線，而2號天線為UHF接收天線，且UHF天線工作頻點剛好落在VHF天線諧波點附近時必將產(chǎn)生相當(dāng)大的干擾，嚴(yán)重影響UHF天線的接收性能。

表1 VHF天線1在3次諧波點上與UHF天線2之間的耦合度

2.2 裝甲車輛車載收發(fā)天線間的電磁耦合度

裝甲車輛車載收發(fā)天線系統(tǒng)的電磁模型如圖1所示，收發(fā)天線均工作在VHF頻段并置于車體后方，改變1號天線（發(fā)射天線）和2號天線（接收天線）之間的間距，采用CST仿真獲得的收發(fā)天線耦合度如圖6所示。

圖5 理想導(dǎo)體平面上單極鞭狀天線對的電磁耦合度

圖6 車載情況下耦合度

由圖6可知，隨天線間距的減小，天線間的耦合度變化較為復(fù)雜，但基本呈增加趨勢。另外與圖5對比可以看出，當(dāng)天線距離一定時，車載天線電磁耦合度變化趨勢與圖5大體一致，只是在同一頻點處耦合度有所增大，并且諧振頻率62.5 MHz處出現(xiàn)低谷，在諧振頻率附近出現(xiàn)兩個峰值。如此可見，裝甲車輛車載收發(fā)天線間的電磁耦合度比理想導(dǎo)體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度大。因為車體對天線有散射作用，引起天線間耦合度的增加。

同樣，在收發(fā)天線間距r=1 600 mm的情況下，當(dāng)1號天線工作于VHF頻段，2號天線工作于UHF頻段時，1號天線的3次諧波與2號天線的電磁耦合度計算結(jié)果如下頁表2所示。

由表2可以看出，與理想導(dǎo)體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度比較，此種情況下VHF天線（75 MHz～88 MHz頻段）的3次諧波對UHF天線（225 MHz～264 MHz頻段）產(chǎn)生的電磁耦合也十分嚴(yán)重，并在256MHz（85.3MHz的3次諧波）處達(dá)到峰值-25.5dB。當(dāng)兩天線同時工作時，假設(shè)1號天線為VHF頻段大功率發(fā)射天線，而2號天線為UHF頻段的接收天線，那么發(fā)射天線可能嚴(yán)重影響接收天線的性能。

表2 VHF天線1在3次諧波點上與UHF天線2之間的耦合度（車載）

綜上所述，為了降低發(fā)射天線諧波對接收天線的干擾，必須提高接收機(jī)抑制諧波的能力，或者降低發(fā)射天線諧波電平。另外，合理分配收發(fā)天線工作頻率，避免收發(fā)天線間的相互干擾，可以提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

3 結(jié)論

使用ANSA軟件建立了全尺寸的裝甲車輛電磁仿真簡化模型。基于廣義S參數(shù)理論，闡述了收發(fā)天線間的空間網(wǎng)絡(luò)概念，給出了收發(fā)天線間的電磁耦合度表達(dá)式。利用CST軟件仿真分析了理想導(dǎo)體平面上收發(fā)天線對的電磁耦合度，以及裝甲車輛車載收發(fā)天線間的電磁耦合度。結(jié)果表明，隨著天線間距的減小，車載天線間的耦合度變化較為復(fù)雜，但基本呈增加趨勢。收發(fā)天線工作于諧振頻率62.5 MHz時，電磁耦合度最小，諧振頻率附近出現(xiàn)兩個電磁耦合度最大峰值。發(fā)射天線的3次諧波與接收天線的電磁耦合度較強(qiáng)。文中的建模方法和數(shù)值仿真結(jié)果，可為實際車載平臺的電磁兼容性分析以及車載平臺天線布局優(yōu)化提供參考。