水面救生機(jī)器人天線耦合分析*

黃大志，徐慧麗，呂繼方

(江蘇海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

0 引言

隨著救援需求的不斷發(fā)展，水面救生機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛。水面救生機(jī)器人的工作環(huán)境大多惡劣，救援工作要準(zhǔn)確快速安全地進(jìn)行，必須全程都能接收到信號(hào)且不能出現(xiàn)盲區(qū)，因此對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性要求較高。不同的水面情況對(duì)電磁波的反射能力不同，因此對(duì)天線的性能可能有著不同程度的影響，但總體影響較小，所以本文暫不考慮水面情況對(duì)天線的影響。隨著現(xiàn)代社會(huì)新科技的不斷發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備搭載到面積有限的工作平臺(tái)上，導(dǎo)致上面的天線數(shù)量增多，而這些天線有著各種不同的類型以及工作的各種頻段等，使得平臺(tái)上的電磁環(huán)境比較復(fù)雜。所以對(duì)于水面救生機(jī)器人平臺(tái)來說，如何改善電磁兼容性是個(gè)繞不過的難題[1]。改善電磁兼容性有很多方法，本文采用對(duì)天線位置進(jìn)行分析的方法來降低天線間的耦合度[2]。

電磁兼容在車載、機(jī)載等天線[3]上應(yīng)用的案例比較豐富，研究者在研究如何使用天線的問題上常常使用數(shù)值仿真技術(shù)。越來越多的國內(nèi)外學(xué)者研究復(fù)雜電磁環(huán)境中的電磁兼容性問題。文獻(xiàn)[4]在分析民用飛機(jī)的天線布局時(shí)提出可以使用矩量法，文獻(xiàn)[5]利用時(shí)域有限差分法，文獻(xiàn)[6]從場的角度運(yùn)用矩量法和時(shí)域有限差分法混合法，對(duì)多根天線在車輛上的電磁兼容性問題進(jìn)行研究。關(guān)于水面救生機(jī)器人天線問題的研究相對(duì)較少，但是對(duì)于水面救生機(jī)器人同樣也存在類似的問題，當(dāng)多根天線作用時(shí)，天線與天線之間會(huì)相互影響，故而達(dá)不到想要的天線作用效果[7]。研究車載天線電磁兼容問題多使用廣義S參數(shù)理論[8]，本文采用正在研究實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品并參考S參數(shù)理論，分析水面救生機(jī)器人天線間的耦合度，以期對(duì)布局水面救生機(jī)器人天線工作提供參考。

1 模型建立與分析

以水面救生機(jī)器人天線間的電磁兼容為對(duì)象，分析天線間的電磁耦合度。首先使用Solidworks軟件畫出簡化后的水面救生機(jī)器人模型，尺寸約為1 165 mm×873 mm×280 mm，將得到的水面救生機(jī)器人簡化模型導(dǎo)入到CST軟件中，并在機(jī)器人上畫出天線的模型，如圖1所示。

圖1 水面救生機(jī)器人三維簡化模型

被救援人員要依附在小型尺寸的水面救生機(jī)器人上，對(duì)于天線的設(shè)計(jì)尺寸要盡可能小。設(shè)計(jì)頻段為2～4 GHz的鞭狀天線，半徑為0.4 mm,長度為23 mm。由于水面救生機(jī)器人殼體以及內(nèi)部器件會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生影響，為了體現(xiàn)該影響將鞭狀天線模型放置于有限大尺寸的理想導(dǎo)電平面上。如圖2所示，導(dǎo)體平面尺寸取與水面救生機(jī)器人中心凹陷尺寸相近的矩形平面100 mm×100 mm，天線底端距離該平面0.5/2 mm。另外，天線的放置位置、天線的數(shù)量等都會(huì)對(duì)天線產(chǎn)生一定的影響[9]，通過仿真分析對(duì)比天線在上述情況下的天線圖情況，為后續(xù)研究天線的耦合度提供參考。

圖2 理想情況下鞭狀天線模型

天線間的電磁耦合是指兩副或兩副以上的天線之間存在互感，使得天線間的電磁能量變化相互影響[10-12]。如圖3所示，當(dāng)接收天線接收到發(fā)射天線發(fā)射的電磁波時(shí)，兩副天線之間會(huì)產(chǎn)生電磁耦合。通常用耦合度來表示：

圖3 天線耦合示意圖

(1)

即接收天線端口的凈輸出功率與發(fā)射天線端口的凈輸入功率之比。式中，C(dB)為天線間電磁耦合度；Pout為接收天線的凈輸出功率；Pin為發(fā)射天線的凈輸入功率。

如圖4所示，根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，兩副天線(收發(fā)天線)系統(tǒng)(見圖3)可以等效為二端口網(wǎng)絡(luò)。發(fā)射天線連接在端口1處，接收天線連接在端口2處，此時(shí)端口2處的天線有著網(wǎng)絡(luò)匹配的狀態(tài)。

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

(2)

端口2的輸出功率為

(3)

端口1的輸入功率為

(4)

由于端口2處于阻抗匹配狀態(tài)，則

(5)

(6)

當(dāng)端口1也匹配時(shí)，S11=0,由此可得天線間的耦合度為

C=10log(|S21|2)。

(7)

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 天線的放置位置、天線的數(shù)量對(duì)天線的影響

2.1.1 天線放置位置的影響 選取導(dǎo)電平面尺寸長為100 mm，寬為100 mm，材料選擇理想導(dǎo)體材料PEC。如圖2所示，首先將天線放置于導(dǎo)體平面的中間然后進(jìn)行仿真分析。圖5為天線放于平面中間3 GHz時(shí)E面、H面的方向圖。當(dāng)頻率為3 GHz時(shí)，波長λ=100 mm，與導(dǎo)電平面尺寸相等，由于導(dǎo)電平面的長寬也相等，所以天線的能量基本不會(huì)沿著平面向下輻射，且沿x軸和y軸輻射的能量也大致相等，對(duì)天線的耦合程度也差不多。

a E面方向圖

圖6為天線分別在2.6，2.8，3.0,3.2,3.4 GHz時(shí)phi=0°的二維方向圖。天線頻率越高，波長越長，3.2 GHz和3.4 GHz時(shí)，此時(shí)波長大于導(dǎo)電平面尺寸，部分能量會(huì)輻射到導(dǎo)電平面之外，方向圖的后瓣也開始增多，頻率越高，后瓣會(huì)越多。

圖6 phi=0°時(shí)天線二維方向圖

圖7為天線放置在導(dǎo)電平面邊緣處的模型圖。將天線放在平面的邊角處(x軸和y軸的正半軸方向)，且與x軸、y軸導(dǎo)電平面的邊緣距離均為10 mm。

圖7 天線置于導(dǎo)電平面邊緣處模型

圖8為天線放置在導(dǎo)電平面邊緣頻率在3 GHz時(shí)的天線方向圖。此時(shí)邊緣天線的輻射將產(chǎn)生很大的變化。從圖8a放置在邊緣的三維圖可以看出，導(dǎo)電平面對(duì)天線的輻射更集中在x軸的負(fù)半軸方向和y軸的負(fù)半軸方向，而靠近邊緣的能量會(huì)向下輻射。因此從圖8b可以看出存在很大后瓣[13]。

a 三維方向圖

2.1.2 天線數(shù)量的影響 由于實(shí)際工程中均不止一副天線，所以分析多副天線的情況。上述分析了一副天線置于導(dǎo)電平面x軸y軸正半軸的天線情況，現(xiàn)將同樣一副天線置于x軸負(fù)半軸、y軸正半軸方向，如圖9所示。此時(shí)兩副天線1#和2#關(guān)于yoz面對(duì)稱，距離為80 mm。

圖9 天線模型示意圖

圖10為1#天線在2～4 GHz頻段最大增益曲線圖。圖10a為一副天線置于導(dǎo)電平面右上側(cè)邊緣時(shí)的最大增益曲線圖，圖10b為兩副天線置于導(dǎo)電平面邊緣時(shí)右上側(cè)天線的最大增益曲線圖。可以看出兩副天線最大增益略大于只有一副的情況，所以當(dāng)放置多副同種天線時(shí)，其最大增益會(huì)因?yàn)槎喔碧炀€間的耦合作用而增加。

a 一副天線置于導(dǎo)電平面邊緣時(shí)

通過上述分析，天線放置位置和天線數(shù)量等都對(duì)天線性能產(chǎn)生影響。位置不同時(shí)，天線方向圖會(huì)有所變化；天線數(shù)量增加時(shí)，天線的最大增益會(huì)因?yàn)轳詈献饔枚黾印?/p>

2.2 理想導(dǎo)體平面上收發(fā)天線的電磁耦合度

根據(jù)前述取兩副同樣的鞭狀天線工作頻率為2～4 GHz，同樣將它們放在理想導(dǎo)體平面上，同時(shí)天線的結(jié)構(gòu)尺寸與導(dǎo)體平面尺寸不變，上述1#天線和2#天線之間的距離為80 mm，現(xiàn)改變兩根天線之間的距離，距離為x(如圖11所示)，然后進(jìn)行參數(shù)掃描，仿真得到如圖12所示的天線間的耦合度。

圖11 天線模型示意圖

從圖12可以看出，天線之間的距離與耦合度成反比，即隨著兩副天線之間的距離逐步減小，天線間的電磁耦合度增加。當(dāng)1#天線與2#天線距離x≥40 mm時(shí)，在2～4 GHz天線間的電磁耦合度均小于-10 dB;當(dāng)x一定時(shí)，在同一頻段內(nèi)，隨著天線工作頻率的變化，天線間的電磁耦合度呈非線性變化趨勢，所以可以選擇不同的工作頻率來調(diào)整天線間的電磁耦合度[14]。

圖12 理想導(dǎo)體平面上天線的電磁耦合度

2.3 水面救生機(jī)器人上收發(fā)天線的電磁耦合度

如圖11所示，將相同兩副天線放置在水面救生機(jī)器人上，開始時(shí)1#天線和2#天線之間的距離為80 mm?，F(xiàn)改變兩根天線之間的距離，同樣距離為x，仿真得到如圖13所示天線間的耦合度。

圖13 水面救生機(jī)器人天線的電磁耦合度

從圖13可以看出，總的趨勢依舊是隨著兩副天線之間的距離逐步減小，天線間的電磁耦合度增加。當(dāng)兩副天線距離為70 mm時(shí)，此時(shí)耦合度達(dá)到最小。與圖12對(duì)比可知，天線放置在水面救生機(jī)器人上時(shí)，由于水面救生機(jī)器人的材料相對(duì)介電常數(shù)較小，所以天線間的耦合度呈下降趨勢。因此可知該水面救生機(jī)器人的材料對(duì)天線間耦合度的影響較小，所以對(duì)于后續(xù)水面救生機(jī)器人天線布局時(shí)，可只考慮天線間的耦合度關(guān)系。

最后根據(jù)天線本身的性能及上述仿真結(jié)果總結(jié)天線的設(shè)置參數(shù)以及放置位置：采用兩副頻段為2～4 GHz，半徑為0.4 mm、長度為23 mm的天線，考慮到后續(xù)其他天線的布局，初步將此鞭狀天線放置在水面救生機(jī)器人的邊緣處。

3 結(jié)論

本文建立了水面救生機(jī)器人以及該機(jī)器人上天線的模型，然后根據(jù)S參數(shù)理論，得出接收天線和發(fā)射天線之間的電磁耦合度方程。利用CST仿真軟件分析了天線放置在不同位置、天線的數(shù)量對(duì)天線方向圖、增益等的影響，同時(shí)根據(jù)前面分析結(jié)果又分析了理想導(dǎo)體平面上天線的耦合度。結(jié)果表明，天線的放置位置、天線數(shù)量都對(duì)天線的方向圖、增益等產(chǎn)生一定的影響以及天線間的耦合度隨著天線的間距增大有減小的趨勢。本文的建模過程與最后得到的結(jié)果，可為后續(xù)水面救生機(jī)器人天線的電磁兼容分析提供參考。