【深度】基于S参数法的车载天线耦合度分析

原创 2017-10-17 学术plus 学术plus

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今日荐文的作者为西安电子科技大学电子工程学院专家朱瑛，张光硕，刘尔雅，路宏敏。本篇节选自论文《基于S参数法的车载天线耦合度分析》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第2期。本文为论文的后半部分。

摘要：为了研究车载天线间的电磁兼容性，采用ANSA软件对车辆模型进行简化处理，建立了全尺寸的车辆电磁仿真简化模型。基于广义S参数理论，给出了收发天线间的电磁耦合度表达式。利用CST软件仿真分析了理想导体平面上收发天线对的电磁耦合度，以及车辆车载收发天线间的电磁耦合度。结果表明，随着天线间距的减小，车载天线间的耦合度非线性变化，但基本呈增加趋势。收发天线工作于谐振频率62.5MHz时，电磁耦合度最小，谐振频率附近出现了两个电磁耦合度最大峰值。发射天线的三次谐波与接收天线的电磁耦合度较强。

关键词: 车载天线；耦合度; 电磁兼容

1. 引言

科学技术的迅速发展, 不断提高和强化了各种应用平台的信息化程度。越来越多的电子信息设备集成于同一载体平台，由于飞机、舰船、车辆等载体平台空间区域有限，工作于有限空间区域的电子信息设备的电磁兼容性，就成为平台性能优劣的关键问题。载体平台有限的空间区域，工作频段不同的各种天线，导致载体平台工作的电磁环境更加复杂。分析应用于同一载体平台的天线耦合问题，优化天线布局，能够有效解决载体平台的EMI问题，提高其复杂电磁环境适应性。探索车载、机载、舰载和星载平台的复杂电磁环境适应性及其生存能力的方法，解决载体平台电磁兼容性问题，不断吸引国内研究人员投入其中。采用不同方法研究汽车车载天线的电磁兼容问题，学者们提出了一些有效方法。文献[8]提出了应用广义S参数理论分析多车载天线的电磁耦合问题。车辆的车体作为一个复杂的电磁散射体，其车身、炮管以及履带等车体上所有的棱台都有可能对车载天线产生散射作用。当车载天线处于不同位置时会引起天线辐射方向图产生不同的畸变，从而对天线之间的耦合产生不同的影响。本文借鉴已有方法和理论，基于S参数法分析车辆车载多天线耦合度，提供车辆车载多天线的优化布局参考。

随着计算机技术和计算电磁学的发展，数值仿真技术广泛应用于车载天线的研究中。文献[5]利用矩量法(MoM)，文献[6]利用时域有限差分法(FDTD)，采用单一电磁场数值方法对车载单根线天线进行了分析；文献[7]运用MoM/FDTD混合法从场的角度，分析车载多根线天线的电磁兼容性。已有研究成果中，车载平台为普通车辆，车体建模高度简化，车载天线局限于单一鞭状天线。然而，车辆车体结构较为复杂，车载多天线，炮管、履带等棱台较多，这些特征增加了车辆车载天线耦合度分析的复杂度。文中利用微波网络理论，基于S参数建立天线间的耦合度计算方法，采用CST仿真软件对简化后的车辆模型及车载天线模型进行仿真分析，给出车辆车载天线耦合度。

2. 模型建立与分析

以车辆的车载多天线的电磁兼容性为目标，分析天线对的电磁耦合度。为了充分体现车辆的车载多天线，使用ANSA软件对车辆模型进行简化处理，将得到的简化模型导入CST软件，其全尺寸仿真模型如图1所示。简化模型主要由以下三部分组成：底部的车轮及履带、中间的车体部分以及顶部的炮塔，车体尺寸约为7000mm×3500mm×2000mm，车体上面的细小孔洞和接缝经过填充，忽略部分细小缝隙以及表面微小凹凸。选取频段为U/VHF，建立直径25mm、长度1200mm的鞭天线模型。天线置于车体后方距离边缘120mm处，可沿y轴方向移动天线，改变两副天线间的距离，天线底部与车体的距离为5mm，图1中的1、2为车载天线的位置

为了充分体现车体对天线的影响，建立了置于有限尺寸理想导体平面上的单极鞭状天线模型如图2所示，导体平面的尺寸取于炮塔的大小4400mm×2200mm×20mm，天线距离导体平面后侧边缘亦为120mm，天线底部与导体平面的距离为5mm。

图1车辆三维简化模型

图2 理想情况下单极鞭状天线模型

天线间的电磁耦合包括有意电磁能量耦合、无意电磁能量耦合，有意电磁能量耦合超过一定阈值会影响接收机的性能，无意电磁能量耦合超过一定阈值可能干扰接收天线。收发天线间的电磁能量耦合强弱，即天线间的电磁耦合度，取决于收发天线设计、收发天线极化方式选择、接收天线带外隔离网络的匹配。一副天线接收到另一副天线发射的电磁波（如图3所示），从而收发天线建立起电磁能量耦合。通常用耦合度来定量表示天线耦合度，其定义为：

（1）

式（1）中，C为耦合度，单位为dB；P_in为发射天线的净输入功率；P_out为接收天线的净输出功率。

从微波网络理论可知，图3所示的收发天线耦合，可以看作收发天线间的空间网络，从而收发天线组成的系统就可以等效为一个二端口网络，如图4所示。假设端口1与发射天线连接，端口2与接收天线连接，接收天线处于网络匹配状态。

图3 天线耦合示意图

图4 二端口等效网络

由图4可知，二端口网络的S参数矩阵为

（2）

端口2的接收天线的输出功率为

（3）

端口1的发射天线的输入功率为

（4）

由于端口2处于阻抗匹配状态，则

（5）

（6）

当端口1也匹配时，S₁₁=0，由此可得天线间的耦合度为

（7）

3. 仿真结果与讨论

3.1 理想导体平面上收发天线对的电磁耦合度

选取的单极鞭状天线的工作频率为30~88MHz(VHF)和225~512MHz(UHF)。当两副天线均工作在VHF频段，并置于理想导体平面上（如图2所示），导体平面和天线尺寸如前所述，改变1号天线和2号天线之间的放置间距，采用CST仿真获得的收发天线耦合度，如图5所示。

图5 理想导体平面上单极鞭状天线对的电磁耦合度

从图5可以看出，随着收发天线间距的增大，天线间的电磁耦合度减小。两天线间距离大于等于1000mm时，收发天线电磁耦合度在VHF频段内均小于-10dB；收发天线间距固定时，工作于同一VHF频段内的收发天线的电磁耦合度随天线工作频率非线性变化，因此通过适当选择工作频率可以调整收发天线的电磁耦合度。另外，根据天线物理尺寸可知，其谐振频率约为62.5MHz，当收发天线间距小于天线物理尺寸（即r≤1200mm）时，电磁耦合度在谐振频率点最强；收发天线间距大于天线物理尺寸（即r>1200mm）时，电磁耦合度在谐振频率点出现低谷，而在谐振频率点附近出现两个峰值。

1号天线工作在VHF频段，2号天线工作在UHF频段时，1号天线的三次谐波可能会落在2号天线频带内对其产生干扰。取间距r=1600mm，计算可能产生干扰的频率，其耦合度计算结果见表1。

表1 VHF天线1在三次谐波点上与UHF天线2之间的耦合度

由表1可以看出，VHF天线的工作频段（75~88MHz）内的三次谐波，对UHF天线（225~264MHz频段）产生干扰。随频率增大呈减小趋势，但最小值也有-26dB，显然二者的耦合度相对较强。当两天线同时工作时，假设1号天线为VHF频段的大功率发射天线，而2号天线为UHF接收天线，且UHF天线工作频点刚好落在VHF天线谐波点附近时必将产生相当大的干扰，严重影响UHF天线的接收性能。

3.2车辆车载收发天线间的电磁耦合度

车辆车载收发天线的电磁模型如图1所示，收发天线均工作在VHF频段并置于车体后方，改变1号天线（发射天线）和2号天线（接收天线）之间的间距，采用CST仿真获得的收发天线耦合度如图6所示。

图6 车载情况下耦合度

由图6可知，随着天线间距的减小，天线间的耦合度变化较为复杂，但基本呈增加趋势。另外与图5对比可以看出，当天线距离一定时，车载天线电磁耦合度变化趋势与图5大体一致，只是在同一频点处耦合度有所增大，并且谐振频率62.5MHz处出现低谷，在谐振频率附近出现两个峰值。如此可见，车辆车载收发天线间的电磁耦合度比理想导体平面上收发天线对的电磁耦合度大。因为车体对天线有散射作用，引起天线间耦合度的增加。

同样，在收发天线间距r=1600mm的情况下，当1号天线工作于VHF频段，2号天线工作于UHF频段时，1号天线的三次谐波与2号天线的电磁耦合度计算结果见表2。

表2 VHF天线1在三次谐波点上与UHF天线2之间的耦合度(车载)

由表2可以看出，与理想导体平面上收发天线对的电磁耦合度比较，此种情况下VHF天线（75~88MHz频段）的三次谐波对UHF天线（225~264MHz频段）产生的电磁耦合也十分严重，并在256MHz（85.3MHz的三次谐波）处达到峰值-25.5dB。当两天线同时工作时，假设1号天线为VHF频段大功率发射天线，而2号天线为UHF频段的接收天线，那么发射天线可能严重影响接收天线的性能。

综上所述，为了降低发射天线谐波对接收天线的干扰，必须提高接收机抑制谐波的能力，或者降低发射天线谐波电平。另外，合理分配收发天线工作频率，避免收发天线间的相互干扰，可以提高系统的电磁兼容性。

4. 结语

使用ANSA软件对车辆模型进行简化处理，建立了全尺寸的车辆电磁仿真简化模型。基于广义S参数理论，阐述了收发天线间的空间网络概念，给出了收发天线间的电磁耦合度表达式。利用CST软件仿真分析了理想导体平面上收发天线对的电磁耦合度，以及车辆车载收发天线间的电磁耦合度。结果表明，随着天线间距的减小，车载天线间的耦合度变化较为复杂，但基本呈增加趋势。收发天线工作于谐振频率62.5MHz时，电磁耦合度最小，谐振频率附近出现两个电磁耦合度最大峰值。发射天线的三次谐波与接收天线的电磁耦合度较强。文中的建模方法和数值仿真结果，可为实际车载平台的电磁兼容性分析以及车载平台天线布局优化提供参考。

（参考文献略）

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