基于FEKO軟件的漁船天線布置校核

孫 通，劉 勇

（1.岱山縣海洋與漁業(yè)局船檢站，浙江 舟山 316200；2.上海漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局，上海 200000）

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，漁船上無(wú)線電通信設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多，漁船有限的區(qū)域已經(jīng)無(wú)法滿足越來(lái)越多的無(wú)線電設(shè)備天線安裝，相互之間的電磁干擾越來(lái)越大，因此，對(duì)漁船天線的布置提出了更高的要求。為完善漁船天線的布置，文章介紹了一種基于FEKO軟件的漁船天線布置校核方法。

1 天線布置的意義

我國(guó)是漁業(yè)大國(guó)，擁有漁船大大小小30余萬(wàn)艘，是世界上漁船數(shù)量最多的國(guó)家。海洋捕撈生產(chǎn)遠(yuǎn)離陸地，與風(fēng)浪為伴，生產(chǎn)環(huán)境險(xiǎn)惡，是世界公認(rèn)的高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)。漁船無(wú)線電通信設(shè)備天線的合理布置，可有效減少通信設(shè)備之間的相互干擾，使從業(yè)的廣大漁民既可以享受一般通信的暢通無(wú)阻，又可以在危險(xiǎn)時(shí)期有效發(fā)送遇險(xiǎn)信號(hào)，為漁民生命安全提供一個(gè)可靠的保障。通信設(shè)備天線如果布置不合理，會(huì)造成信號(hào)的相互干擾，輕則使接收機(jī)信噪比降低，通信質(zhì)量下降，重則中斷、阻塞信號(hào)，使通信無(wú)法正常進(jìn)行，甚至還會(huì)影響到漁船一些電子和電氣設(shè)備的有效功能。漁船由于可供安裝天線的有效面積有限，天線干擾問題更加突出。近年來(lái)，由于通信不暢導(dǎo)致的海難救助缺位的問題時(shí)有發(fā)生，對(duì)天線安裝布置的合理性越來(lái)越受到人們的重視。

2 天線布置設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)漁船無(wú)線電通信設(shè)備天線布置主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合《漁船設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)備廠提供的技術(shù)要求進(jìn)行。但由于空間限制，漁船天線布置往往達(dá)不到要求，無(wú)線電設(shè)備的通信效果很難保證。電磁仿真計(jì)算方法的出現(xiàn)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及相關(guān)軟件的成功開發(fā)應(yīng)用，為相關(guān)人員提供了有效的校核手段。

3 天線布置的影響因素

在對(duì)天線布置校核的過程中，漁船自身的形狀以及上層建筑是關(guān)鍵問題。假如漁船天線上有類似建筑物的遮擋，天線的收發(fā)性能會(huì)受到重大影響。同時(shí)，這些建筑物會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生的電磁波產(chǎn)生散射作用，從而造成多次輻射進(jìn)而導(dǎo)致漁船電磁環(huán)境惡化。除受漁船上層建筑影響外，還涉及其他因素的影響，其多數(shù)為各設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí)，相互之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，這是天線布置時(shí)需重點(diǎn)考慮的問題。針對(duì)此類情況，主要的方法是從時(shí)間、空間和頻率上進(jìn)行考慮。在時(shí)間上，一般選用一個(gè)收發(fā)開關(guān)，當(dāng)發(fā)射天線工作時(shí)，可以將其他天線開關(guān)暫時(shí)關(guān)閉；在空間上，一般將不同的無(wú)線電設(shè)備分別放置在具有良好屏蔽效果的艙室中；在頻率上，一般應(yīng)在天線布置前考慮重疊問題。天線布置的影響因素是極其復(fù)雜的，歸結(jié)到技術(shù)指標(biāo)上主要反映在耦合度、方向圖失真度等物理參數(shù)上。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，耦合度應(yīng)滿足Cij≤-40dB，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖失真度需滿足σ≤6dB。

綜上，在對(duì)漁船天線進(jìn)行布置校核的過程中，耦合度、方向圖失真度是重點(diǎn)考慮的指標(biāo)。另外，天線在工作過程中一般都處在近場(chǎng)范圍內(nèi)，所以天線的布置受其他天線的近場(chǎng)能量的影響也是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素。

4 應(yīng)用FEKO校核漁船天線布置

下面結(jié)合77m秋刀魚船的天線布置，應(yīng)用FEKO軟件對(duì)漁船進(jìn)行仿真建模，按照所建立的模型進(jìn)行計(jì)算，從而得出耦合度、方向圖失真度和近場(chǎng)強(qiáng)度等結(jié)果，進(jìn)而驗(yàn)證天線布置的合理性。

4.1 三維幾何建模

在布置天線時(shí)，需考慮每根天線在工作時(shí)對(duì)其他天線的影響。一般情況下，每套無(wú)線電設(shè)備都具有收發(fā)兩根天線，發(fā)射天線一般布置在羅經(jīng)甲板的中后部，接收天線布置在前部。因此，對(duì)于無(wú)線電設(shè)備而言，其收發(fā)天線首先在布置上進(jìn)行了隔離。另外，不同的無(wú)線電設(shè)備在布置時(shí)也會(huì)考慮其他設(shè)備對(duì)自身的影響，因此又會(huì)采用調(diào)制、編碼等方式來(lái)避免其他設(shè)備對(duì)自身的影響。所以，天線的布置校核問題可轉(zhuǎn)化為不考慮接收天線的布置，而僅需考慮發(fā)射天線的布置。77m秋刀魚船設(shè)有MF/HF、VHF各兩套，另設(shè)有AIS、GPS、無(wú)線電追蹤器等多種無(wú)線電通信導(dǎo)航設(shè)備，配套發(fā)射天線共有5個(gè)，如圖1所示。鑒于兩套MF/HF、VHF互為備用，平時(shí)只開啟其中一套，從時(shí)間上做到了兩套設(shè)備的有效分隔。因此，可以將模型繼續(xù)簡(jiǎn)化為3個(gè)發(fā)射天線布置的合理性校核。為了更好地分析漁船天線之間的影響，假設(shè)這些無(wú)線電設(shè)備均工作在27.5MHz頻段內(nèi)，這種情況即為最差工況，如果這種計(jì)算結(jié)果符合要求，那么其他狀況將更符合相關(guān)要求。通過FEKO軟件對(duì)所建立的模型進(jìn)行三角網(wǎng)格剖分，由于漁船天線的尺寸相對(duì)于漁船來(lái)說(shuō)很小，因此需分塊、分段對(duì)三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行剖分。

4.2 FEKO計(jì)算結(jié)果分析

FEKO軟件經(jīng)過對(duì)模型的計(jì)算分析，得到耦合度、方向圖失真度和近場(chǎng)強(qiáng)度情況分別如下。

圖1 77m秋刀魚船模型表面網(wǎng)格剖分效果圖

（1）方向圖失真度。天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射情況如圖2、圖3所示。其中，圖2為天線三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖，圖3為天線水平遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。

圖2 三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖

圖3 水平遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖

方向圖失真度的計(jì)算公式：

式中：N為方向圖上所取的計(jì)算點(diǎn)的個(gè)數(shù)；Ej為方向圖上的場(chǎng)強(qiáng)值，v/m；Ea為方向圖上的各個(gè)點(diǎn)的算術(shù)平均值，v/m。

計(jì)算可得遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖失真度3.79dB，滿足σ≤6dB的要求。

（2）近場(chǎng)強(qiáng)度。利用FEKO軟件采用極坐標(biāo)能更加直觀地表現(xiàn)空間中近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的分布情況。近場(chǎng)強(qiáng)度的分布受到船體等障礙物的影響，近場(chǎng)能量會(huì)發(fā)生突變。很多情況下由于漁船上層建筑物對(duì)天線的遮擋才導(dǎo)致近場(chǎng)散射能量突然減弱，對(duì)于天線的布置來(lái)說(shuō)，近場(chǎng)散射能量越小越好。從FEKO軟件的仿真結(jié)果可以看出，各發(fā)射天線所處位置上，其他天線輻射所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度不大，天線間的干擾有限。

（3）耦合度。經(jīng)過計(jì)算得出的天線間耦合度如表1所示。

表1 天線間耦合度數(shù)值 單位：dB

從表1可以看出，所有的耦合度數(shù)值均達(dá)到Cij≤-40dB的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用基于多層快速多極子技術(shù)的電磁場(chǎng)仿真軟件FEKO，預(yù)測(cè)分析了77m秋刀魚船天線布置的合理性。結(jié)果表明，77m秋刀魚船的天線布置是完全滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的，F(xiàn)EKO軟件在漁船天線布置合理性分析中是可行的。