基于輪式裝甲車(chē)的4單元MIMO天線布局設(shè)計(jì)*

袁 楠，王嘉豪，許家輝，賈蕓倩

(桂林電子科技大學(xué),廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著信息科技的發(fā)展以及通信需求的進(jìn)一步提升,裝甲車(chē)通信系統(tǒng)開(kāi)始向著多天線和集成化的方向發(fā)展,越來(lái)越多的天線被安裝在裝甲車(chē)上來(lái)提供各種各樣的功能[1],例如:短波通信、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、敵我識(shí)別等等。在眾多的候選天線中,單極子天線和鞭狀天線具有成本低、易于集成、全向輻射性等特點(diǎn)并且天線結(jié)構(gòu)對(duì)裝甲車(chē)通信系統(tǒng)整體性能的影響最小,因此受到了廣泛關(guān)注。

然而在裝甲車(chē)通信系統(tǒng)中,除了外界復(fù)雜環(huán)境的干擾外,天線和天線之間的耦合以及裝甲車(chē)車(chē)身的遮擋也會(huì)導(dǎo)致天線性能的下降和方向圖畸變,這些內(nèi)部干擾對(duì)裝甲車(chē)通信系統(tǒng)的正常工作造成了很大的影響,因此針對(duì)裝甲車(chē)車(chē)載天線電磁兼容特性的研究應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[1]研究了無(wú)線電軍用戰(zhàn)術(shù)車(chē)輛車(chē)載大功率發(fā)射天線的電磁干擾問(wèn)題,利用時(shí)域有限差分法提高了天線建模的精確度;文獻(xiàn)[2]介紹了一種適用于單極子天線的去耦技術(shù),通過(guò)阻抗計(jì)算以及使用寄生去耦結(jié)構(gòu)來(lái)減小兩個(gè)緊密耦合天線之間的互耦;文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種坦克車(chē)載天線的布局方案,利用CST軟件對(duì)天線的方向圖和增益等性能進(jìn)行了仿真分析,但是所建立的模型較為簡(jiǎn)單無(wú)法準(zhǔn)確模擬出真實(shí)的電磁環(huán)境。

本文提出了一種輪式裝甲車(chē)4單元MIMO天線的布局方案,利用 CST Stuido 進(jìn)行建模仿真,將四根甚高頻 (VHF) 頻段的單極子天線安裝在裝甲車(chē)的不同位置,通過(guò)有限積分法多次仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了天線的全向輻射,從而修正了方向圖的畸變。

1 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示,本方案所選擇的輪式裝甲車(chē)為一種常見(jiàn)的廓爾喀防彈裝甲車(chē),車(chē)身的整體尺寸(不包含天線)為7.6 m×2.8 m×3 m,將其模型以1∶1 的比例導(dǎo)入到CST 微波工作室中。為節(jié)省計(jì)算機(jī)仿真資源和仿真時(shí)間對(duì)該模型進(jìn)行了進(jìn)一步精簡(jiǎn),刪除了對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度影響較小的部分,如輪胎、座位等結(jié)構(gòu)。

圖1 廓爾喀防彈裝甲車(chē)

所選擇的天線為4根規(guī)格相同的單極子天線,天線的長(zhǎng)度為1.95 m,工作頻率在VHF 頻段,這也是裝甲車(chē)通信系統(tǒng)的常用頻段。天線的結(jié)構(gòu)分為四部分,從上到下分別為單極子天線主體、金屬套筒、接地板、同軸饋電輸入端,金屬套筒和接地板的存在減小了車(chē)身與天線的耦合。經(jīng)過(guò)多次仿真優(yōu)化確定了四根天線的安裝位置,最終得到的輪式裝甲車(chē)MIMO天線的布局如圖2所示,其中,1號(hào)天線安裝在車(chē)尾、2號(hào)天線安裝在車(chē)窗前、3號(hào)和4號(hào)天線安裝在車(chē)燈上。

圖2 天線布局示意圖

2 仿真分析

本節(jié)展示了該布局方案的仿真結(jié)果,圖3為天線的S參數(shù)曲線圖,從圖中可以看出1號(hào)和2號(hào)天線分別在61 MHz和60 MHz產(chǎn)生了諧振,并且回波損耗達(dá)到了-22.6 dB和-22.5 dB,阻抗匹配良好;而3號(hào)和4號(hào)天線由于安裝的距離較近,天線之間產(chǎn)生了一定程度的耦合,回波損耗為-15.7 dB和-16 dB,可以通過(guò)改變天線的長(zhǎng)度來(lái)改善阻抗匹配,但這不是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn),本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)裝甲車(chē)多天線系統(tǒng)的全向輻射特性。

圖3 天線的回波損耗

圖4展示了天線在60 MHz下的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖,從圖中可以看出,1號(hào)天線波束寬度為268.5°,主瓣最大增益為3.17 dB; 2號(hào)天線波束寬度為114.2°,主瓣最大增益為4.03 dB; 3號(hào)天線波束寬度為95°,主瓣最大增益為3.85 dB ; 4號(hào)天線波束寬度為188.3°,主瓣最大增益為3.34 dB。該方案所使用的四根單極子天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖相互疊加后可以實(shí)現(xiàn)360°的全向覆蓋,較好的解決了裝甲車(chē)多天線系統(tǒng)耦合造成的方向圖畸變。

圖4 頻率為60 MHz時(shí)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖

3 結(jié)論

本文提出了一種輪式裝甲車(chē)4單元MIMO天線的布局方案,該方案將4根單極子天線分別放置在裝甲車(chē)的不同位置,通過(guò)電磁仿真軟件CST Stuido 對(duì)真實(shí)裝甲車(chē)模型以及MIMO天線進(jìn)行建模設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)多次仿真優(yōu)化后最終確定了MIMO天線的布局設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)修正了天線耦合造成的方向圖畸變,實(shí)現(xiàn)了360°的全向輻射特性。