通信天线布局电磁仿真设计

孟祥欣，张　鹏，张　博，边月奎，孙建聪

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳　712099)

通信系统是数字化车辆的信息情报枢纽，主要用于实现信息实时或近实时的传输，使系统形成网络化体系[1]。但车辆顶部空间有限，通信天线数量较多时，不但可能会对工作人员造成辐射危害，而且相互之间容易引起共址干扰问题，导致电台通信距离缩短、话音质量变差、噪声增大、误码率提高等后果。为降低通信干扰，在产品设计初期，运用了“自顶向下”的电磁兼容预设计流程，通过电磁仿真技术，对天线布局进行评估，以确保系统能够正常工作，缩短产品研制周期、节约成本[2-7]。

针对某车辆上设备布局情况，建立车辆和通信天线模型，进行通信系统天线电磁仿真分析，着重分析了车顶不同天线布局的情况，探究通信天线对工作人员的电磁辐射危害，及其所面临的相互耦合干扰问题，提出天线最佳布局，为车顶通信天线的实际设计安装提供依据。

1　通信天线模型设计

笔者使用CST软件进行建模分析。该软件以有限积分法为基础，涵盖时域有限积分法、频域有限元法、矩量法和传输线矩阵法等多种电磁算法，有利于对大尺寸结构进行电磁兼容仿真，广泛应用于车载天线电磁特性及耦合度的仿真研究[8-9]。

建立用于电磁仿真的车体模型，车体的外部尺寸为7.5 m×2.5 m×2.1 m。模型中一些不规则部分对计算结果影响不大，但会使计算复杂度大大提高，为减小计算复杂度，对这些都进行了简化处理，车体上的细小空洞、接缝被填满，忽略车厢内细小构件的影响。

通信系统由3部超短波电台、1部高速电台和1部短波电台组成。为了避免多根天线林立的情况，拟对高速电台和2部超短波电台采用天线合路器，使其共用1根天线，剩余的1部超短波电台使用1根天线，短波电台使用1根天线。其中，超短波天线和合路器天线采用鞭状天线，短波天线则采用半环天线。对于短波来说，鞭状天线虽然安装简单、全方向性好，但短波通信主要通过天波进行远距离传输，利用近垂直入射天波传播原理，天线需尽可能产生高仰角辐射，缩短天波反射的落地距离，消除地波和天波衔接部位的盲区，而半环天线可以有效地实现这一点[10]。

由于超短波和合路器天线为全向天线，易受平台遮挡的影响，要避免将其布置在有遮挡物的附近，以保证天线在平台上能够满足电性能指标的要求。同时，天线间的耦合度随着天线间距离的增大而减小，因此，即使是在空间有限的车载平台上，还是要尽可能地增大天线间的距离，尤其是超短波天线与合路器天线的间距[11-12]。据此，初步设计了两种天线布局方案，并在CST软件中建立天线模型，其中，方案1将合路器天线放置于车体右前方，短波天线放置在车体左前方，并跨接至车体右中部，超短波天线放置在车体左后方，如图1所示。

方案2将合路器天线放置于车体左后方，短波天线放置在车体左前方，并跨接至车体左中部，超短波天线放置在车体右前方，如图2所示。

通过对两种布局方案下的天线辐射危害和天线间耦合度进行仿真，预测天线辐射对工作人员的影响和相互间干扰的程度，来实现车顶通信天线布局的优化。

2　天线布局仿真对比

2.1　电磁辐射危害仿真

电磁辐射危害是车辆系统电磁兼容设计的重要内容之一。选取驾驶舱的两个工作位置和成员舱的两个工作位置设置电场探头，作为电场强度观测位置，如图3所示，通过仿真评估两个方案中通信系统对人员产生影响的程度。

2.1.1短波天线

两个方案中短波天线在其频段内对工作区辐射的电场，如图4、5所示。

通过比较可知，两个方案中短波都是对位置1和位置2辐射较大，方案2的峰值比方案1略高，其中，方案1的峰值出现在16 MHz附近，方案2的峰值出现在21 MHz附近。对比GJB 5313—2004电磁辐射暴露限值和测量方法中关于作业区短波连续波的暴露限值[13]，两个方案都满足要求。

2.1.2合路器天线

合路器天线是2部超短波电台和1部高速数据电台共用的天线。当超短波电台工作时，两个方案对工作区辐射电场如图6、7所示。通过比较可知，两个方案中超短波的辐射场都满足GJB 5313—2004中关于作业区超短波连续波暴露限值的要求，但方案1的场强远高于方案2。

当高速电台工作时，两个方案对工作区辐射电场如图8、9所示。由图可知，方案1中高速电台对工作区影响远高于方案2，且方案1的辐射场强超过了GJB 5313—2004中暴露限值的要求，而方案2满足要求。

2.1.3超短波天线

两个方案中超短波天线与合路器天线位置互换，所以方案1的超短波天线辐射可参考图7，而方案2的超短波天线辐射可参考图6。通过比较可知，方案2的辐射影响远大于方案1。

2.2　天线耦合度仿真

车上装有多部电台，其中短波电台会对超短波电台造成谐波干扰，多部超短波电台之间会产生邻道、谐波、互调干扰，除此还有杂散干扰等多种类型的干扰，这些因素都可以量化的体现为天线耦合度。所以共址通信系统电磁兼容中，对天线耦合度的预测，是用来衡量天线间的相互干扰程度的关键点。

任意划分的两个天线单元均满足端口网络的端口特性，因此，采用多端口网络理论来分析天线间的干扰特性。把多根天线所组成的系统等效为多端口网络，每副天线的天线端口对应网络的一个端口，天线激励端为端口的参考面，则发射天线i和接收天线j间的耦合度CP可表示为

Cp=20 lg|Sji|

(1)

式中，Sji表示其余各端口均接匹配负载时，i端口到j端口的传输系数。

2.2.1短波天线耦合度

短波电台发射功率大，其工作频段的二次谐波和三次谐波大多在超短波频段内，因此共址工作时产生谐波干扰的可能性较大。模拟短波电台工作的情况，提取短波天线与另外两个天线端口间的S参数，研究天线间的相互耦合。两个方案的耦合度如图10、11所示。

通过对比可知，方案1中短波天线与合路器间耦合较大，远高于方案2。对于位于车体后部的天线，方案1中短波天线与其耦合度在60 MHz以下较大，而方案2中短波天线与其耦合度在60 MHz以上较大。

2.2.2超短波天线耦合度

3部超短波电台共址同时工作的情况下，虽然跳频通信具有一定的抗干扰能力，但是由于电台工作频率范围相同，其射频滤波器对同类信号基本无损耗，同时空间损耗较小，同频段的发射信号直接进入共址电台，会造成带内耦合，可能形成阻塞干扰或减敏干扰等。

通过模拟超短波天线发射的情况，提取合路器天线端口的S参数，研究天线间的相互耦合。由于两个方案中超短波天线与合路器天线位置互换，所以只需仿真任意一个方案的超短波天线耦合度即可作为参考，如图12所示。

由图12可知，超短波相互耦合在45 MHz以下较大。在3部超短波电台工作时，频率间隔应尽量大，以避免共址干扰。

3　天线布局确定

通过2个天线布局方案的仿真对比可知，方案2在合路器天线辐射危害方面具有较大优势，但其超短波天线对工作区的辐射仍然较大，因此需要对超短波天线的位置进行优化，将其向车体后部移动0.4 m。

对优化后的天线布局再次进行电磁仿真，以确定辐射危害和天线耦合度的变化。超短波天线对工作区的辐射如图13所示，与优化前相比，电场辐射的最大峰值由13 V/m降低到2.1 V/m，且对驾驶舱的影响明显减小。

优化后，超短波天线与短波天线、合路器天线的耦合度如图14所示。依据天线互易性，与图11、12相比，天线间耦合度相差不大。

天线布局优化后，超短波天线的电磁辐射危害降低，而天线间互耦基本不变，可以满足系统电磁兼容性设计要求。通过仿真可知，天线对驾驶舱的电磁辐射较大，实际工作时需确保其上的两个舱门关闭，以防止电磁辐射危害。

4　结束语

车载通信系统的天线布局是系统电磁兼容设计的重要内容之一，笔者采用电磁软件CST仿真计算了天线辐射危害和天线间耦合度。通过对比分析了两种布局方案，给出了最佳的天线布局，可为实际车辆平台的电磁兼容性分析以及平台上的天线布局优化提供参考，有助于通信频率合理分配和管理。

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