基于5G通信的空间站舱内电磁环境分析

左文成，赵子文，徐至江，谭康伯

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

随着航天技术的不断发展，空间飞行器内部的系统构成愈加复杂，其内部密布的电子器件和传输线缆不仅缩减了舱内空余空间，还增加了飞行器的质量[1-2]。为了减少有线互连的限制，将无线通信技术用于舱内通信和数据传输已成为相关领域的研究重点。

传统的射频无线通信技术不能满足舱内中高速率通信、近距离组网高稳定性的技术要求[3-5]。超宽带射频系统[6-9]可提供良好的舱内通信质量，其具有的大带宽和高容量等特点使其使适用于短距舱内通信。对于存在复杂多径效应的舱内环境，超宽带射频系统能够实现高速、稳定的无线数据传输。近年来，5G技术所具有的高带宽、低延迟、组网灵活和高安全性等优势不断扩展其应用场景。在5G时代，将有望实现多目标的全空间互联[10-12]。在卫星与5G技术融合的进程中，已经进行了一些前期研究。文献[13]分析了5G通信环境的发展情况，并对干扰和共存问题进行了调研。文献[14]讨论了5G通信与低轨道卫星组网时的下行同步技术。文献[8]中讨论了星内通信的信道特征。由于空间飞行器舱内集成了较多的设备，因此形成了狭小的密闭空间。在此结构内，加载5G超宽带射频通信系统会形成特有的舱内电磁环境[15-16]。对于该电磁环境的分析将有助于更好地了解5G系统对舱内功能设备系统兼容性的影响。

本文以一款小型化的对数周期天线(Log Periodic Dipole Antenna，LPDA)为电磁环境检测天线，针对典型空间站内的5G通信应用进行研究。通过计算太空舱内的电磁场分布，分析舱内的5G通信环境，并分区域研究了摆放舱内通信收发设备的可选方案。为了较好地解决舱内信号覆盖的问题，本文还讨论了多收发工作环境中的隔离度问题。

1 建模分析

1.1 空间站模型分析

空间站复杂的模型结构可能导致电磁仿真模型网格数目的急剧增加，导致计算量过大，甚至受限于计算机的资源而无法完成数值分析工作[17]。为兼顾准确性和有效性，需要对空间站的主体特征进行提取。

空间站中的载人飞船与载货飞船仅承担运送宇航员与货物的功能，可与空间站的主体脱离，独立工作。位于舱外的太阳能电池板、天线等设备对舱内电磁环境的影响可忽略不计，因此在模拟过程中可去除飞船与舱外设备，重点研究人类活动与工作的主要区域，即实验舱与核心舱。

实验舱与核心舱的内壁分布有多种功能性电子设备以及支撑、防护结构，使得电磁波集中在舱内传播。空间站是一个密闭的金属舱体，单个太空舱的外部多为圆柱形金属隔热层，而内部为矩形结构[18]。为了提高分析效率，可对空间站进行特征提取，将舱室等效为PEC材料的矩形腔体。

考虑到空间站结构的实际大小和运算时间，本文将每个太空舱的内部空间尺寸设置为4 m×1 m×2 m(长×宽×高)，此时等效的空间站模型所占据的空间为8 m×1 m×5 m。图1(a)为多种功能模块组成的典型空间站的示意图。图1(b)为特征提取后的空间舱内部剖面图，其主要区域分为两个实验舱和一个核心舱，每个舱室的截面均为矩形。根据所建立的空间站模型结构，将该T型金属舱划分为4个区域，以研究5G天线工作时的舱内电磁环境分布。

(a)

文中所使用的发射天线、接收天线均是一种振子为L形的LPDA。天线结构如图2所示，图中给出了该LPDA振子的尺寸参数。振子的长边为典型对数周期天线[18]振子臂长ln的3/4，短边为1/4ln，天线的尺寸为250 mm×110 mm×0.51 mm。

图2 振子为L形的小型化天线模型

1.2 天线耦合度分析

天线的耦合度来源于收发天线间的能量转换过程，其定义为接收天线端口的净输出功率与发射天线端口的净输入功率之比。将天线系统等效为多端口网络，其中端口in和端口out分别对应一副发射和接收天线。当给定的发射天线激励、接收天线的端口使用负载阻抗满足理想匹配条件时，天线间的耦合度可表示为

(1)

式中，Pin和Pout分别表示发射天线和接收天线的净输入功率和净输出功率；C为两天线单元之间的耦合度，单位为dB。引入S参数表示端口匹配性能，则式(1)可表示为式(2)。

(2)

为了更详细地分析天线的耦合度与收发天线分布方式的关系，耦合度C可由混合隔离度I减去方向性D得到。方向性D与天线的结构和工作方式相关。混合隔离度I可表示为[19-20]

I=(IV-IH)(α/90°)+IH

(3)

式中，α为收发天线之间的垂直夹角；IV和IH分别是垂直隔离度和水平隔离度。

当满足两天线相互处于对方远场条件时，即d>2D2/λ，根据通信标准化协会给出的定义，IH和IV可分别表示为

(4)

IV=28+40lg(dV/λ)

(5)

式中，dH和dV分别为收发天线之间的水平距离和垂直距离；GT和GR分别为发射天线和接收天线的增益；L(φ)T和L(θ)R分别为一定角度上的归一化副瓣电平，其具体数值由收发天线相位中心所连直线与发射天线和接收天线之间的夹角决定。

根据耦合度计算式C=I-D可知，研究两天线之间的耦合度时，需要对收发天线之间的距离和角度进行讨论。因此本文首先分析了单发射天线和单接收天线在空间站内的布局对内部电磁环境的影响，进而获取最佳的天线分布方式；然后在最佳摆放位置处对多天线的互耦效应进行研究。

2 空间站内电磁环境分析

2.1 金属舱内部通信环境分析

将图2所示的小型化LPDA天线应用于空间站，相邻位置的天线间距离为3.25 m。通过测量天线辐射时各空间位置的场分布，可得到理想条件下(即舱内不存在舱门)天线在舱内的最佳摆放区域。

首先，将发射天线放置于区域1，激励天线将在T型金属舱体中产生电场分布，此时发射天线的工作频段为5G通信所用频段(2～6 GHz)。图4为将发射天线置于区域1时的场强分布结果，图中圆点为天线摆放位置。当电磁波经过T型结构区域后，在区域4产生的电场强度缓慢下降，而在区域3中的场强整体下降更为明显。这说明电磁波在矩形舱中沿直线传播时，损耗较小，基本保持稳定，但当电磁波经过90°拐角后，会出现明显的能量衰减。

图4 发射天线在区域1时的场强分布

图5给出了发射天线置于区域4时的场强分布图。由于结构的对称性，将天线放置在区域4同样可以得到上述结果。

图5 发射天线在区域4时的场强分布

随后，本文对将发射天线置于区域2和区域3时的场分布进行了讨论。图6和图7分别为上述两种情况下的场分布图，由上文结果可知，电磁波在矩形舱中沿直线传播时，损耗较小。

图6 发射天线在区域2时的场强分布

图7 发射天线在区域3时的场强分布

当天线被放置于区域2时，电磁波传播至其他区域均为直线传播，各个区域的电场强度基本保持稳定，未出现明显的能量衰减。当天线被放置于区域3时，电磁波传播至其他区域均会经过T型90°结构，此时能量会有较大的损耗。区域1和区域4的电场强度出现明显的衰减。

当天线被放置于区域1、区域4时，处于区域3的舱体信号会有较为严重的衰减。当天线被放置于区域3时，处于区域1、区域4的舱体信号会有较为严重的衰减。当天线被放置于区域2时，各个舱体的信号覆盖良好，没有明显的衰减。综上所述，将天线置于区域2时，空间站内通信环境处于较为理想的状态。

图8给出了当发射天线位于区域1时，接收天线在其他位置接受信号的强度。

图8 接收信号的强度

由图8可知，电磁波在矩形舱中沿直线传播时损耗较小，基本保持稳定，但当电磁波经过90°拐角后，会出现明显的能量衰减。当天线位于区域1时，区域3处于拐角处的远区。由图3可以看出，区域3的电场强度几乎为0，此时位于该区域的天线无法进行正常通信。从图8也可以看出，频率为3 GHz时，区域3的接收信号功率为-124 dBw，说明处于区域3的天线无法接收来自区域1的信号。

图3 耦合度分析时的天线分布

本文对非理想环境(金属舱内存在散射体)下的舱内场分布进行分析时，将每个太空舱的舱门等效为散射体。

如图9所示为当发射天线位于区域1时的场强分布图。当金属腔中存在散射体时，电磁波的传播规律变化不大，但因有耗散射体对电磁波有吸收作用，使得场强分布结果相对于理想情况下均有所下降。

图9 非理想环境下发射天线的场强分布

2.2 多天线环境下的耦合度分析

由章节2.1可知，当发射天线被置于区域2时，整个空间内具有较均匀的场强分布，因此以区域2中天线单元的摆放点作为最佳布局进行后续工作。由于信号存在多径传播衰落效应[21]，在T型金属舱内放置单个天线时，信号传输范围无法覆盖整个金属舱，会在空间站内产生信号盲区，导致通讯设备信号接收不良，甚至会造成通讯中断。使用多天线联合工作可提高发射功率，但该方法会造成天线之间相互耦合，从而影响信号传输。

为了探究多天线协同工作时天线间的耦合度关系，本文以两单元发射天线为例，讨论了空间站内发射天线单元间的互耦情况。如图10所示，天线组的摆放位置为上文中提出的最佳位置，天线间的距离可调。图10(a)和图10(b)分别给出了两个同类型LPDA平行放置和垂直放置的示意图，以及垂直放置时两天线夹角的定义。

(a) (b)

图11为两个天线间夹角角度变化时各频段的耦合度，此时天线之间的距离为500 mm。图11(a)为两天线平行放置于同一平面的耦合度结果，随着两个天线之间夹角的增大，天线的耦合度会减小。图11(b)为两天线相互正交放置的耦合度结果，在正交摆放的情况下，最大耦合度从-50 dB降低到了-67 dB。由以上结果可以看出，两个天线正交放置会减少天线间的耦合度，当两天线垂直时，在频带上会产生较大的抖动。

(a)

图12给出了两个天线在固定夹角下各个频段的耦合度。天线之间的角度恒定，为上文中测试出的最佳值。天线间的距离为350 mm和500 mm。图12(a)为两天线平行放置于同一平面的耦合度结果。图12(b)为两天线相互正交放置的耦合度结果。图12(b)中显示的最大耦合度为-65 dB，而图12(a)中显示的最大耦合度为-48 dB，大于图12(b)给出的最大值。该结果表明，两个天线正交放置可减少天线间的耦合度。

(a)

上述结果表明，当天线的摆放位置固定时，两天线间的夹角越大，天线之间的耦合程度越低。相较于其他摆放方式，当两个天线正交放置时，耦合度会进一步的减小。

3 结束语

本文通过建立等效空间站模型，分区域地研究了舱内的场分布情况，并分析了舱内通信环境，得出通信设备的最佳放置区域。本文还讨论了多天线工作环境下天线之间的隔离度问题，探索了改变天线放置方式获得低耦合度的方法。分析舱内电磁环境是研究辐射干扰、电磁兼容等问题的基础，因此在未来的研究中，将进一步对建立的等效模型进行细致优化，并将本文的方法应用到电磁兼容性评估等工作中。今后，还可将本文的研究工作与GJB 1027A等空间站实验与要求的标准相结合，对将5G通信应用于空间站时需要注意的电磁兼容问题进行深入研究。