车载天线系统的电磁兼容问题

车载天线系统的电磁兼容问题

(摘要： 本文采用矩量法和微波网络理论相结台的方法分析了车载多天线系统的电磁兼容问题该方法先将天线系统等效为微波网络，然后采用矩量法求解该等效网络的导纳矩阵Y，利用该导纳矩阵就可求得天线问的耦台度文中也对发射功率较大的天线的近场分布进行了分析．

关键词： 电磁兼容；矩量法；网络；耦台度；近场

随着电子技术、通信技术的快速发展，越来越多的电子设备被集成在一个系统中，同时，一个电子系统可能需要几副甚至十几副工作在不同波段的天线来接收或发射电子信号，倒如一架飞机或一艘军舰上会装载各种各样的完成不同功能的电子设备丑其天线同一系统中不同天线的近场耦合很馒，严重干扰了各收发电台的正常工作，周此怎样预估及避免这种干扰，对于通信设备的正常工作关重要另外当天线发射功率很大时，其周围的电子设备也会受到很强的干扰 而无法

正常工作．因此天线近场的预估也是电磁兼容的一十重要问题．

对于天线特别是线天线的分析计 算主要以矩量法(MOM)为主，文献[】，2]对矩量法做了十分详尽的论述．对于耦台度的求解 文献[3 采用近似公式法，得到较好结果，但只适合于半渡振子之间的耦台；另外还从矩量法求解天线时生成的导纳矩阵中取出两天线馈电段的自导纳和互导纳来计算天线问的耦台度，而两天线间的耦合不仅与导纳矩阵有关，还受天线的馈电方式以及匹配网络的影响因此这些方；击都存在一定的局限性．本文在前人工作的基础上采用矩量法和微渡网络

理论相结合的方法，对一复杂车体上的多个天线问的耦合度进行了_十算，并得到大功率发射天线的近场分布，为多天线系统的电磁兼容问题的分析做了十分有意义的尝试

2 理论分析及矩量法建模

对于安装在车辆、飞机等上的线天线多涉及线面连接问题．常用的处理方法是将车体或飞机体用封闭的金属导体面近似，并在导体面上采用磁场积分方程来求解电流分布，在导线上采用电场积分方程来求解，而对于线面相连接的区域比较复杂，其积分域包括直线段和导体面，需要采用电场积分方程和磁场积分方程相结台来求解’采用矩量法进行求解时，首先将线天线分成若干段，将导体面剖分为若干个面元f矩形面元或三角形面元等)；然后选用合适的基函数，井将线上电流J¨)和面上电流，(rj分别展开成这些基函数的叠加在线上本文采用的的展开函数为正弦插值基幽数

If)=A + sinknl — )十cosk0(f—f) If一‘l≤ ／2

(1】

式中的f．为第i段的中心位置，△．为第i段的长度三个待定

参数 ．B． C 中的两个可通过线段两端的电流和电荷连续

性条件确定 另外一个参数通过矩量法求解．对于面元上的电流，为简化计算 采用脉冲基函数展开如下

土

= [J·，1，(rj)+ (‘)] (，) t2)

式中 为第 个面元的中心位置．；．(0)和 (01是面元上

处的两个相互正交的单位切向矢量， (，)为脉冲基函数，当，在第个面元上时 (，)=1，否则， (，)=0，参数JI 和J2y分别为第 个面元上在t 【 )和t ( )方向上的表面电流密度，它们也通过矩量法求解

在天线和导体面相连接处的电流分布比较复杂，需要进行特殊处理．文献[5～7 中都对线面连接的问题进行r分析，图1线面相连处的结构示意罔

其中文献[5]采用圆形连接段来处理此类问韪，但它要求圆面半径O．2^的条件．当天线架设位置离导体面边缘时很近时该条件往往无法满足，文献 6，7]中介绍的矩形连接段可以克服这一困难如图l示，取线面连接点周围的四个矩形面的区域进行单独处理为保证线面相连区域电流的连续性，ABCD面上电流须满足如下条件

v ’Js( ，Y)=^( ， )+『n ( 、y) (3)

式中 ， )为二维 函数，v s为面散度， ( ，Y)是在ABCD区域上连续的函数，，n是绒面连接处的电流．对式

(3)的求解方法有很多，本文处理方法与文献E6]相类似．图2 发射大线和接收天线系统示意罔及其等效同络将上述电『癍展开并代人电场或磁场积分方程中，并采用点选配的方法进行检验，就得到了一个矩辟方程，求解该矩阵方程就可得到线上和面上的电流展开系数，进而可得到天线上和面上的电流、周围的近场、天线输^阻抗和远场方向图等参数．对于多天线同的耦合度可通过多端口微渡网络的方法来确定以三个天线为例．如图2示，假定天线I为发射天线，天线2和天线3为接收天线，可将三天线组成的系统等效为三端口微波网络；然后利用导纳矩阵元素求解方法 就可得到三端口网络的导纳矩阵已知三端口网络的导纳矩阵后，利用矩阵参数就可求得任意两个天线问的耦合度例如天线I和天线2之间的耦台度为式中

．为天线1的输八功率； 2为天线2的接收功率； 2

为天线2的负载导纳；．为端口I的输^导纳，也就是图2所示的 线l的输人导纳

3 算法验证

本文算法主要涉及天线同的耦合度的计算问题，F面对本文算法进行验证表1分别给出工作在300MHz的两个半波振子之间的耦台度以及工作在400NHz的两个半波对称振子之间的耦台度在不同间距上的计算值，同时给出利用文献l3：的近场耦合的近似公式求得的值计算中，取振子半径为Imrn，假定接收天线负载阻抗为50~hra由表中结果所示，本文计算值与近似公式的值吻合很好，而本文的结果为数值建模计算结果，具有更高的精确性同时，文献[3]公式只适合于计算半波振子天线，而且间距要大于等于一个波长，而本文算法适合于任意线天线间在任意间距上的耦合度计算，具有更广泛的适应眭通过这两个典型例子的计算和分析，充分说明了丰文算法是可行的，可以推广到分析实际工程的问韪中．表1 本文计算的天线耦台度与文献[3]计算结果的此较(单位：dB4 车载多天线间的耦台度及近场的计算结果和分析实际工程中天线相互同的电磁耦合干扰问韪往往是很复杂的图3给出丁一个某通信车辆经过工程近似(忽略与波长相比很小的金属体，整个车体为封闭导体)后的示意图．车上放置多副HF天线、vHF天线和EHF天线，其中有接收天线也有发射天线，而且天线的工作频段相近，甚至部分频段相重合+由j一这么多的天线安装在车体这样相对很小的载体上，各天线之间的耦合干扰十分严重，必须对各天线同的耦合度进行分析按照前面所述的方法，对包括车体和天线在内的整个系统进行了建模计算计算中将整个车体划分为1735个矩形或三角形面元，离天线较近区域和车体边缘区域感应电流变化剧烈，其划分较细，离天线较远处例如车底平面划分较粗，并将所有天线总共划分为101段

4．1 天线间的耦台度分析

如图3所示，车体上有两副工作在2—30MHz的H}天线，分别发射和接收信号；两副 I作在30～88MHz的VHF天线，一副UHF天线由频带范围可 看出，HF发射天线的谐波会落到VHF接收无线的频带内而对其产生干扰；HF和VHF的谐波会落到UHF天线的频带内而对其产生于扰；另外还有其它形式的相互干扰因此需要对各种干扰状况进行预估分析，主要是求解其相互间的耦台度 HF天线2(HF天线2被固定在车尾的后箱壁上，与车体不相连，中馈天线)和v吁天线I为例．分别考虑H}天线2的二次和三次谐渡对v吁天线I的干扰，经计算可得其耦台度表2 ttF天线2在二次谐波点上与VHI,天线1之间的耦台度表HF二次谐波(Ml )30 驺 36 39 42 45 48 51 57 60

耦台度(dB) 一I4 7 —14 8 一I5 6 —18 6 —23， —30 0 —2]4 —26．0 —26 4 —26 6 —25 8

表3 HI,天线2在三次谐波点上与vHF天线1之间的耦台度表

HF三次谐波(MHz) 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57

耦台度(dB) 一14 7 —14．8 —15 6 —18 6 —23 7 —30 0 一l27 4 —26 0 —26 4 ～26 6

HF三次谐波(MHz) 60 63 66 69 72 75 78 81 88

耦台度(dB) 一25 8 —25 5 —23 5 —23．4 —21 0 —23 3 —25 5 —28 0 ～32 3

表2和表3分别给出厂HF天线2的二次和三次谐波点上HF天线2和VHF天线1之间的耦台度．由表可见，HF天线2二次谐渡对VHF天线1在60MHz 下形成于扰，HI"天线2的三次谐波对VHF天线I全波段于扰．耦台度最高选一14 7dB，最低也有一32 3dB、可见二者之问的耦台是相当强的当两天线同时工作13I、假设HF天线2为大功率发射天线而VHF天线1为接收天线．当VHF天线1工作频 刚好落在HF天线2谐波附近时必将产生相当大的干扰，严重影响VHF天线1的接收性能，因此必须对此问题加解决实际中首先要提高HF天线2的发射机抑制谐波的能力．使其谐波发射电平尽量小．另外也可对两天线的工作频率等进行合理安排． 避免干扰．另外对其他天线之间的干扰及更高敞喈波的干扰情况电进行了计算分析．4．2 天线的近场分布图4和图5分别给出了HF天线2和Ⅵ 天线I在30MHz发射时，周围3O米范围内的=0面h切向电场分布图计算中假定两无线在30MHz时的输八驻波比为3 0．天线系统辐射效率为80％，HF天线2发射功率为125W．VHF天线1发射功率为65w

罔3 车体及天线系统的 意罔巨4 HF犬线2住30MHz时 =0

暗l上切向场分布【刳从场强分布圈可清楚的看出车体t天线)附近的电场较大．离车体越远，电场越小；中同黑色K方形即为车体模型底

平面，其上的切向电场为零：HF天线2位于车尾左删(图中右下方)．与车不相连．受车后平面遮挡 则天线附近 <0．y<0处电场应较大．计算结果也证明了这一点；同理vHF天线1位于图中车顶平面上侧．受车体影响．其上侧电场应大于下侧电场，与计算结果相符；同时由图可看出由于'~TIF天线1放在车顶有限地面上．其电场H面近场等值钱分布不再足同心圆．而ttF天线2受车后平面影响．其H面电场等值线分布也变化较大．由图可见发射天线周围的电场很大．发射天线周围蚓5 YHr天线I在31)MHz时 =0靠卜印向场分布图空间中的其他电子设备如通信设备、电子控制设备等要安装在合适的位置． 减少所受影响：对于较脆弱的设备和元件应该采用加屏蔽等措施进行保护．以免因电场较强烧坏元件而导致意外事故，另外对I作人员也应采取适当的保护措施．

5 结论

对r车载，舰船和 机等大型多天线系统．其电磁现象复杂．相互同的干扰严重．但由于模型复杂．其精确模拟相当复杂．而且受软件硬件的约束也很大国外对于这种大型系统的电磁兼容的计算分析已经很成熟．国内的研究相对较少本文第4 期 纪奕才：车载金天线系统的电磁兼容问题分析以一个复杂的车载多天线系统为例，采用矩量法与厨络理论相结合的方法，对天线间的耦合度进行了分析，并求出了大功率发射天线周围的场分布，以便预估天线间的相互干扰和对周围电子设备的潜在干扰．本文采用的模型复杂．电磁干扰现象严重，这样的模型更接近于实际工程中的问题．因此，本文的方法和实践对于实际工程中通信系统的电磁兼容问题的有效计算和预估有着十分重要的意义．

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