基于5G通信的空間站艙內(nèi)電磁環(huán)境分析

左文成，趙子文，徐至江，譚康伯

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，空間飛行器內(nèi)部的系統(tǒng)構(gòu)成愈加復(fù)雜，其內(nèi)部密布的電子器件和傳輸線纜不僅縮減了艙內(nèi)空余空間，還增加了飛行器的質(zhì)量[1-2]。為了減少有線互連的限制，將無線通信技術(shù)用于艙內(nèi)通信和數(shù)據(jù)傳輸已成為相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的射頻無線通信技術(shù)不能滿足艙內(nèi)中高速率通信、近距離組網(wǎng)高穩(wěn)定性的技術(shù)要求[3-5]。超寬帶射頻系統(tǒng)[6-9]可提供良好的艙內(nèi)通信質(zhì)量，其具有的大帶寬和高容量等特點(diǎn)使其使適用于短距艙內(nèi)通信。對于存在復(fù)雜多徑效應(yīng)的艙內(nèi)環(huán)境，超寬帶射頻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速、穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)傳輸。近年來，5G技術(shù)所具有的高帶寬、低延遲、組網(wǎng)靈活和高安全性等優(yōu)勢不斷擴(kuò)展其應(yīng)用場景。在5G時(shí)代，將有望實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的全空間互聯(lián)[10-12]。在衛(wèi)星與5G技術(shù)融合的進(jìn)程中，已經(jīng)進(jìn)行了一些前期研究。文獻(xiàn)[13]分析了5G通信環(huán)境的發(fā)展情況，并對干擾和共存問題進(jìn)行了調(diào)研。文獻(xiàn)[14]討論了5G通信與低軌道衛(wèi)星組網(wǎng)時(shí)的下行同步技術(shù)。文獻(xiàn)[8]中討論了星內(nèi)通信的信道特征。由于空間飛行器艙內(nèi)集成了較多的設(shè)備，因此形成了狹小的密閉空間。在此結(jié)構(gòu)內(nèi)，加載5G超寬帶射頻通信系統(tǒng)會(huì)形成特有的艙內(nèi)電磁環(huán)境[15-16]。對于該電磁環(huán)境的分析將有助于更好地了解5G系統(tǒng)對艙內(nèi)功能設(shè)備系統(tǒng)兼容性的影響。

本文以一款小型化的對數(shù)周期天線(Log Periodic Dipole Antenna，LPDA)為電磁環(huán)境檢測天線，針對典型空間站內(nèi)的5G通信應(yīng)用進(jìn)行研究。通過計(jì)算太空艙內(nèi)的電磁場分布，分析艙內(nèi)的5G通信環(huán)境，并分區(qū)域研究了擺放艙內(nèi)通信收發(fā)設(shè)備的可選方案。為了較好地解決艙內(nèi)信號覆蓋的問題，本文還討論了多收發(fā)工作環(huán)境中的隔離度問題。

1 建模分析

1.1 空間站模型分析

空間站復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致電磁仿真模型網(wǎng)格數(shù)目的急劇增加，導(dǎo)致計(jì)算量過大，甚至受限于計(jì)算機(jī)的資源而無法完成數(shù)值分析工作[17]。為兼顧準(zhǔn)確性和有效性，需要對空間站的主體特征進(jìn)行提取。

空間站中的載人飛船與載貨飛船僅承擔(dān)運(yùn)送宇航員與貨物的功能，可與空間站的主體脫離，獨(dú)立工作。位于艙外的太陽能電池板、天線等設(shè)備對艙內(nèi)電磁環(huán)境的影響可忽略不計(jì)，因此在模擬過程中可去除飛船與艙外設(shè)備，重點(diǎn)研究人類活動(dòng)與工作的主要區(qū)域，即實(shí)驗(yàn)艙與核心艙。

實(shí)驗(yàn)艙與核心艙的內(nèi)壁分布有多種功能性電子設(shè)備以及支撐、防護(hù)結(jié)構(gòu)，使得電磁波集中在艙內(nèi)傳播?？臻g站是一個(gè)密閉的金屬艙體，單個(gè)太空艙的外部多為圓柱形金屬隔熱層，而內(nèi)部為矩形結(jié)構(gòu)[18]。為了提高分析效率，可對空間站進(jìn)行特征提取，將艙室等效為PEC材料的矩形腔體。

考慮到空間站結(jié)構(gòu)的實(shí)際大小和運(yùn)算時(shí)間，本文將每個(gè)太空艙的內(nèi)部空間尺寸設(shè)置為4 m×1 m×2 m(長×寬×高)，此時(shí)等效的空間站模型所占據(jù)的空間為8 m×1 m×5 m。圖1(a)為多種功能模塊組成的典型空間站的示意圖。圖1(b)為特征提取后的空間艙內(nèi)部剖面圖，其主要區(qū)域分為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙和一個(gè)核心艙，每個(gè)艙室的截面均為矩形。根據(jù)所建立的空間站模型結(jié)構(gòu)，將該T型金屬艙劃分為4個(gè)區(qū)域，以研究5G天線工作時(shí)的艙內(nèi)電磁環(huán)境分布。

(a)

文中所使用的發(fā)射天線、接收天線均是一種振子為L形的LPDA。天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中給出了該LPDA振子的尺寸參數(shù)。振子的長邊為典型對數(shù)周期天線[18]振子臂長ln的3/4，短邊為1/4ln，天線的尺寸為250 mm×110 mm×0.51 mm。

圖2 振子為L形的小型化天線模型

1.2 天線耦合度分析

天線的耦合度來源于收發(fā)天線間的能量轉(zhuǎn)換過程，其定義為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。將天線系統(tǒng)等效為多端口網(wǎng)絡(luò)，其中端口in和端口out分別對應(yīng)一副發(fā)射和接收天線。當(dāng)給定的發(fā)射天線激勵(lì)、接收天線的端口使用負(fù)載阻抗?jié)M足理想匹配條件時(shí)，天線間的耦合度可表示為

(1)

式中，Pin和Pout分別表示發(fā)射天線和接收天線的凈輸入功率和凈輸出功率；C為兩天線單元之間的耦合度，單位為dB。引入S參數(shù)表示端口匹配性能，則式(1)可表示為式(2)。

(2)

為了更詳細(xì)地分析天線的耦合度與收發(fā)天線分布方式的關(guān)系，耦合度C可由混合隔離度I減去方向性D得到。方向性D與天線的結(jié)構(gòu)和工作方式相關(guān)。混合隔離度I可表示為[19-20]

I=(IV-IH)(α/90°)+IH

(3)

式中，α為收發(fā)天線之間的垂直夾角；IV和IH分別是垂直隔離度和水平隔離度。

當(dāng)滿足兩天線相互處于對方遠(yuǎn)場條件時(shí)，即d>2D2/λ，根據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)給出的定義，IH和IV可分別表示為

(4)

IV=28+40lg(dV/λ)

(5)

式中，dH和dV分別為收發(fā)天線之間的水平距離和垂直距離；GT和GR分別為發(fā)射天線和接收天線的增益；L(φ)T和L(θ)R分別為一定角度上的歸一化副瓣電平，其具體數(shù)值由收發(fā)天線相位中心所連直線與發(fā)射天線和接收天線之間的夾角決定。

根據(jù)耦合度計(jì)算式C=I-D可知，研究兩天線之間的耦合度時(shí)，需要對收發(fā)天線之間的距離和角度進(jìn)行討論。因此本文首先分析了單發(fā)射天線和單接收天線在空間站內(nèi)的布局對內(nèi)部電磁環(huán)境的影響，進(jìn)而獲取最佳的天線分布方式；然后在最佳擺放位置處對多天線的互耦效應(yīng)進(jìn)行研究。

2 空間站內(nèi)電磁環(huán)境分析

2.1 金屬艙內(nèi)部通信環(huán)境分析

將圖2所示的小型化LPDA天線應(yīng)用于空間站，相鄰位置的天線間距離為3.25 m。通過測量天線輻射時(shí)各空間位置的場分布，可得到理想條件下(即艙內(nèi)不存在艙門)天線在艙內(nèi)的最佳擺放區(qū)域。

首先，將發(fā)射天線放置于區(qū)域1，激勵(lì)天線將在T型金屬艙體中產(chǎn)生電場分布，此時(shí)發(fā)射天線的工作頻段為5G通信所用頻段(2～6 GHz)。圖4為將發(fā)射天線置于區(qū)域1時(shí)的場強(qiáng)分布結(jié)果，圖中圓點(diǎn)為天線擺放位置。當(dāng)電磁波經(jīng)過T型結(jié)構(gòu)區(qū)域后，在區(qū)域4產(chǎn)生的電場強(qiáng)度緩慢下降，而在區(qū)域3中的場強(qiáng)整體下降更為明顯。這說明電磁波在矩形艙中沿直線傳播時(shí)，損耗較小，基本保持穩(wěn)定，但當(dāng)電磁波經(jīng)過90°拐角后，會(huì)出現(xiàn)明顯的能量衰減。

圖4 發(fā)射天線在區(qū)域1時(shí)的場強(qiáng)分布

圖5給出了發(fā)射天線置于區(qū)域4時(shí)的場強(qiáng)分布圖。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，將天線放置在區(qū)域4同樣可以得到上述結(jié)果。

圖5 發(fā)射天線在區(qū)域4時(shí)的場強(qiáng)分布

隨后，本文對將發(fā)射天線置于區(qū)域2和區(qū)域3時(shí)的場分布進(jìn)行了討論。圖6和圖7分別為上述兩種情況下的場分布圖，由上文結(jié)果可知，電磁波在矩形艙中沿直線傳播時(shí)，損耗較小。

圖6 發(fā)射天線在區(qū)域2時(shí)的場強(qiáng)分布

圖7 發(fā)射天線在區(qū)域3時(shí)的場強(qiáng)分布

當(dāng)天線被放置于區(qū)域2時(shí)，電磁波傳播至其他區(qū)域均為直線傳播，各個(gè)區(qū)域的電場強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的能量衰減。當(dāng)天線被放置于區(qū)域3時(shí)，電磁波傳播至其他區(qū)域均會(huì)經(jīng)過T型90°結(jié)構(gòu)，此時(shí)能量會(huì)有較大的損耗。區(qū)域1和區(qū)域4的電場強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的衰減。

當(dāng)天線被放置于區(qū)域1、區(qū)域4時(shí)，處于區(qū)域3的艙體信號會(huì)有較為嚴(yán)重的衰減。當(dāng)天線被放置于區(qū)域3時(shí)，處于區(qū)域1、區(qū)域4的艙體信號會(huì)有較為嚴(yán)重的衰減。當(dāng)天線被放置于區(qū)域2時(shí)，各個(gè)艙體的信號覆蓋良好，沒有明顯的衰減。綜上所述，將天線置于區(qū)域2時(shí)，空間站內(nèi)通信環(huán)境處于較為理想的狀態(tài)。

圖8給出了當(dāng)發(fā)射天線位于區(qū)域1時(shí)，接收天線在其他位置接受信號的強(qiáng)度。

圖8 接收信號的強(qiáng)度

由圖8可知，電磁波在矩形艙中沿直線傳播時(shí)損耗較小，基本保持穩(wěn)定，但當(dāng)電磁波經(jīng)過90°拐角后，會(huì)出現(xiàn)明顯的能量衰減。當(dāng)天線位于區(qū)域1時(shí)，區(qū)域3處于拐角處的遠(yuǎn)區(qū)。由圖3可以看出，區(qū)域3的電場強(qiáng)度幾乎為0，此時(shí)位于該區(qū)域的天線無法進(jìn)行正常通信。從圖8也可以看出，頻率為3 GHz時(shí)，區(qū)域3的接收信號功率為-124 dBw，說明處于區(qū)域3的天線無法接收來自區(qū)域1的信號。

圖3 耦合度分析時(shí)的天線分布

本文對非理想環(huán)境(金屬艙內(nèi)存在散射體)下的艙內(nèi)場分布進(jìn)行分析時(shí)，將每個(gè)太空艙的艙門等效為散射體。

如圖9所示為當(dāng)發(fā)射天線位于區(qū)域1時(shí)的場強(qiáng)分布圖。當(dāng)金屬腔中存在散射體時(shí)，電磁波的傳播規(guī)律變化不大，但因有耗散射體對電磁波有吸收作用，使得場強(qiáng)分布結(jié)果相對于理想情況下均有所下降。

圖9 非理想環(huán)境下發(fā)射天線的場強(qiáng)分布

2.2 多天線環(huán)境下的耦合度分析

由章節(jié)2.1可知，當(dāng)發(fā)射天線被置于區(qū)域2時(shí)，整個(gè)空間內(nèi)具有較均勻的場強(qiáng)分布，因此以區(qū)域2中天線單元的擺放點(diǎn)作為最佳布局進(jìn)行后續(xù)工作。由于信號存在多徑傳播衰落效應(yīng)[21]，在T型金屬艙內(nèi)放置單個(gè)天線時(shí)，信號傳輸范圍無法覆蓋整個(gè)金屬艙，會(huì)在空間站內(nèi)產(chǎn)生信號盲區(qū)，導(dǎo)致通訊設(shè)備信號接收不良，甚至?xí)斐赏ㄓ嵵袛?。使用多天線聯(lián)合工作可提高發(fā)射功率，但該方法會(huì)造成天線之間相互耦合，從而影響信號傳輸。

為了探究多天線協(xié)同工作時(shí)天線間的耦合度關(guān)系，本文以兩單元發(fā)射天線為例，討論了空間站內(nèi)發(fā)射天線單元間的互耦情況。如圖10所示，天線組的擺放位置為上文中提出的最佳位置，天線間的距離可調(diào)。圖10(a)和圖10(b)分別給出了兩個(gè)同類型LPDA平行放置和垂直放置的示意圖，以及垂直放置時(shí)兩天線夾角的定義。

(a) (b)

圖11為兩個(gè)天線間夾角角度變化時(shí)各頻段的耦合度，此時(shí)天線之間的距離為500 mm。圖11(a)為兩天線平行放置于同一平面的耦合度結(jié)果，隨著兩個(gè)天線之間夾角的增大，天線的耦合度會(huì)減小。圖11(b)為兩天線相互正交放置的耦合度結(jié)果，在正交擺放的情況下，最大耦合度從-50 dB降低到了-67 dB。由以上結(jié)果可以看出，兩個(gè)天線正交放置會(huì)減少天線間的耦合度，當(dāng)兩天線垂直時(shí)，在頻帶上會(huì)產(chǎn)生較大的抖動(dòng)。

(a)

圖12給出了兩個(gè)天線在固定夾角下各個(gè)頻段的耦合度。天線之間的角度恒定，為上文中測試出的最佳值。天線間的距離為350 mm和500 mm。圖12(a)為兩天線平行放置于同一平面的耦合度結(jié)果。圖12(b)為兩天線相互正交放置的耦合度結(jié)果。圖12(b)中顯示的最大耦合度為-65 dB，而圖12(a)中顯示的最大耦合度為-48 dB，大于圖12(b)給出的最大值。該結(jié)果表明，兩個(gè)天線正交放置可減少天線間的耦合度。

(a)

上述結(jié)果表明，當(dāng)天線的擺放位置固定時(shí)，兩天線間的夾角越大，天線之間的耦合程度越低。相較于其他擺放方式，當(dāng)兩個(gè)天線正交放置時(shí)，耦合度會(huì)進(jìn)一步的減小。

3 結(jié)束語

本文通過建立等效空間站模型，分區(qū)域地研究了艙內(nèi)的場分布情況，并分析了艙內(nèi)通信環(huán)境，得出通信設(shè)備的最佳放置區(qū)域。本文還討論了多天線工作環(huán)境下天線之間的隔離度問題，探索了改變天線放置方式獲得低耦合度的方法。分析艙內(nèi)電磁環(huán)境是研究輻射干擾、電磁兼容等問題的基礎(chǔ)，因此在未來的研究中，將進(jìn)一步對建立的等效模型進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化，并將本文的方法應(yīng)用到電磁兼容性評估等工作中。今后，還可將本文的研究工作與GJB 1027A等空間站實(shí)驗(yàn)與要求的標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，對將5G通信應(yīng)用于空間站時(shí)需要注意的電磁兼容問題進(jìn)行深入研究。