秦文奕

（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

坦克車(chē)載多天線(xiàn)系統(tǒng)的布局仿真分析

秦文奕

（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

為了研究坦克車(chē)載多天線(xiàn)系統(tǒng)的電磁兼容特性，針對(duì)天線(xiàn)系統(tǒng)性能優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)分析引起天線(xiàn)間干擾的因素得到提高系統(tǒng)性能的方法。采用電磁仿真軟件CST對(duì)各天線(xiàn)的電磁特性和天線(xiàn)間的耦合度進(jìn)行仿真分析。對(duì)比不同布局方案下天線(xiàn)間的耦合情況和裝載到平臺(tái)后的天線(xiàn)增益方向圖，得出最佳的天線(xiàn)安裝位置。分析過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)果可為坦克車(chē)載天線(xiàn)布局設(shè)計(jì)及電磁兼容研究提供重要參考。

電磁兼容，天線(xiàn)布局，耦合度，增益方向圖

0 引言

坦克通信系統(tǒng)在信息傳輸中發(fā)揮著重要作用，但由于載體空間有限，各種坦克車(chē)載通信設(shè)備的天線(xiàn)都安裝在坦克炮塔周?chē)?，電磁兼容環(huán)境十分惡劣。隨著軍事需求的不斷提高和技術(shù)的不斷改進(jìn)，新一代坦克裝載的天線(xiàn)數(shù)量還在增加，其自身的電磁兼容問(wèn)題將會(huì)更加嚴(yán)重。天線(xiàn)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是一種能在實(shí)際工程中方便有效的降低天線(xiàn)間干擾的方法。所謂天線(xiàn)布局設(shè)計(jì)是指在不改變天線(xiàn)發(fā)射和接收性能（即保證通信質(zhì)量）的前提下，根據(jù)天線(xiàn)的工作特性通過(guò)合理的天線(xiàn)布局來(lái)降低天線(xiàn)間的干擾。

針對(duì)坦克車(chē)載天線(xiàn)布局的文獻(xiàn)較少，相對(duì)于一般車(chē)載天線(xiàn)的研究，有其特殊性。主要是由于坦克自身結(jié)構(gòu)限制，其天線(xiàn)一般均布置在其炮塔周?chē)鄬?duì)較集中的平臺(tái)上，天線(xiàn)間的干擾問(wèn)題更加顯著。文獻(xiàn)［1-3］分別利用矩量法（MoM），時(shí)域有限差分法（FDTD）對(duì)車(chē)體上的單一線(xiàn)天線(xiàn)的電參數(shù)進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)［4］利用矩量法仿真3根VHF線(xiàn)天線(xiàn)間的耦合度，對(duì)車(chē)載多天線(xiàn)系統(tǒng)的天線(xiàn)布局進(jìn)行了預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)［5］使用時(shí)域有限差分法，分析了多根車(chē)載短波與超短波天線(xiàn)系統(tǒng)的電磁兼容特性。文獻(xiàn)［6］著重分析了汽車(chē)上不同安裝位置處鞭狀天線(xiàn)電參數(shù)的變化情況，并提出最佳安裝位置?？偟膩?lái)說(shuō)，針對(duì)車(chē)載天線(xiàn)的仿真研究中，車(chē)體模型設(shè)置都較簡(jiǎn)單，分析天線(xiàn)多為簡(jiǎn)單的線(xiàn)天線(xiàn)，類(lèi)型單一，線(xiàn)面天線(xiàn)結(jié)合的很少。本文以國(guó)內(nèi)某型坦克真實(shí)三維模型為基礎(chǔ)，分析了坦克車(chē)上5副結(jié)構(gòu)不同、工作頻率不同的天線(xiàn)間的干擾情況。采用集多種時(shí)域和頻域算法的電磁場(chǎng)仿真軟件CST對(duì)兩種布局方案下的天線(xiàn)特性、天線(xiàn)間耦合度進(jìn)行了仿真，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天線(xiàn)間干擾的程度，通過(guò)評(píng)價(jià)系統(tǒng)電磁兼容的重要指標(biāo)——天線(xiàn)耦合度的分析來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)位置的優(yōu)化。

1 天線(xiàn)耦合度的定義

耦合度是反映天線(xiàn)間電磁兼容性最重要的參數(shù)，用來(lái)衡量天線(xiàn)間的相互干擾程度。對(duì)于一對(duì)發(fā)射/接收天線(xiàn)，天線(xiàn)間的耦合度定義為接收天線(xiàn)接收到的功率和發(fā)射天線(xiàn)的輸入功率之比，輸入功率包含了近場(chǎng)區(qū)的功率和輻射場(chǎng)輻射出的功率，這兩部分功率都對(duì)接收天線(xiàn)產(chǎn)生作用。公式如下：

式中，Pr為發(fā)射天線(xiàn)的輸出功率，Pin為接收天線(xiàn)的接收功率。在天線(xiàn)數(shù)為m的多天線(xiàn)系統(tǒng)中，如果將多副天線(xiàn)等效為一個(gè)多端口網(wǎng)絡(luò)，每副天線(xiàn)的天線(xiàn)端口對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)端口，天線(xiàn)激勵(lì)端為端口的參考面。發(fā)射天線(xiàn)i和接收天線(xiàn)j組成的第k個(gè)天線(xiàn)對(duì)間的耦合度CPk可表示為：

式中，Sji表示其余各端口均接匹配負(fù)載時(shí)，i端口到j(luò)端口的傳輸系數(shù)。

對(duì)于裝有多副天線(xiàn)的坦克車(chē)載平臺(tái)，要確定天線(xiàn)的最佳布局位置，必須綜合考慮多個(gè)天線(xiàn)的耦合度來(lái)評(píng)價(jià)不同天線(xiàn)布局方案的優(yōu)劣。采用加權(quán)法對(duì)多天線(xiàn)系統(tǒng)綜合耦合度進(jìn)行評(píng)價(jià)是很好的辦法，當(dāng)天線(xiàn)總數(shù)量為m時(shí)，評(píng)價(jià)公式如下所示：

2 坦克平臺(tái)和天線(xiàn)建模

2.1 坦克平臺(tái)建模

載體平臺(tái)模型的建立是進(jìn)行天線(xiàn)布局分析的前提，本文以國(guó)內(nèi)某型坦克為原型，采用結(jié)構(gòu)軟件對(duì)其進(jìn)行1∶1建模，如圖1所示，車(chē)體的外部尺寸（不包含炮筒）為7.6 m×3.5 m×2.37 m。由于真實(shí)的坦克模型細(xì)節(jié)眾多，要使其在仿真軟件中能夠順利完成網(wǎng)格的剖分和運(yùn)算求解，就必須對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，包括模型的精簡(jiǎn)、合并和錯(cuò)誤修正?？紤]到仿真軟件的仿真能力和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，精簡(jiǎn)忽略的內(nèi)容包括：機(jī)槍架、艙體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，車(chē)輪部分、履帶等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)等。按上述方法建立的仿真模型既保留了坦克平臺(tái)的特征，又減少了仿真運(yùn)算時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求，縮短了仿真時(shí)間并且對(duì)仿真精度影響不大。

圖1 簡(jiǎn)化后的平臺(tái)仿真模型

2.2 天線(xiàn)建模

本文主要針對(duì)裝載在坦克平臺(tái)上的5副射頻孔徑天線(xiàn)進(jìn)行布局分析，5副天線(xiàn)的功能和工作頻率不同，其天線(xiàn)形式也不同。短波和超短波天線(xiàn)采用鞭天線(xiàn)，工作頻率分別為2 MHz～30 MHz和30 MHz～80 MHz；衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)采用雙層微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，中心頻率為12xx MH和15xx MHz，帶寬為±10 MHz；衛(wèi)星通信天線(xiàn)工作在X頻段，采用微帶陣列天線(xiàn)，中心頻率10 GHz；敵我識(shí)別天線(xiàn)為波導(dǎo)裂縫陣，工作頻率大于30 GHz。

圖2 4種天線(xiàn)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)上述天線(xiàn)特性在仿真軟件中對(duì)其逐個(gè)建模仿真，建立的模型如圖2所示，各天線(xiàn)（天線(xiàn)陣）工作在其中心頻率時(shí)對(duì)應(yīng)的自由空間方向圖如下頁(yè)圖3所示。方向圖是衡量天線(xiàn)性能最重要的指標(biāo)之一，表示在不同方向上天線(xiàn)輻射的場(chǎng)強(qiáng)分布。當(dāng)天線(xiàn)安裝到平臺(tái)上時(shí)，由于存在遮擋或者其他的天線(xiàn)影響，其方向圖就會(huì)發(fā)生明顯的畸變。天線(xiàn)布局首先要保證天線(xiàn)方向圖的畸變?cè)谙到y(tǒng)容許范圍內(nèi)，也就是說(shuō)要保證天線(xiàn)的電性能指標(biāo)滿(mǎn)足系統(tǒng)通信的要求。很顯然，系統(tǒng)電磁兼容對(duì)于安裝在平臺(tái)上的天線(xiàn)期望是加載后的方向圖相對(duì)于自由空間方向圖的畸變?cè)叫≡胶?，天線(xiàn)間的耦合度越小越好，這就是天線(xiàn)優(yōu)化布局的目標(biāo)。

圖3 天線(xiàn)增益方向圖

3 仿真分析

3.1 布局方案

坦克的車(chē)頂布置了較多的物體，受到空間的限制，天線(xiàn)只能布置在一些確定的位置（炮塔前端、炮塔中部和尾部的空余處）?？紤]到天線(xiàn)的布置方便性（如不宜將天線(xiàn)布置于太過(guò)于擁擠的位置，這將給天線(xiàn)的拆裝、維修等帶來(lái)麻煩）、保證人員和燃油的安全性（如在炮塔出入口和尾部油箱位置不應(yīng)密集布置大量天線(xiàn)）、保證天線(xiàn)系統(tǒng)的全向性等原因，本文選擇了兩種具有代表性的天線(xiàn)布局方案。

布局方案中各天線(xiàn)精確位置坐標(biāo)見(jiàn)表1。方案一各天線(xiàn)具體分布方式如圖4所示，5副天線(xiàn)均位于坦克車(chē)炮塔上。其中1#短波天線(xiàn)和2#超短波天線(xiàn)分別位于炮塔后部的左右兩端，3#衛(wèi)星通信天線(xiàn)位于炮塔中后部靠右側(cè)，4#衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)位于炮塔尾部右側(cè)，5#敵我識(shí)別天線(xiàn)位于炮塔前端炮筒右側(cè)。方案二具體分布方式如圖5所示，與方案一不同的是1#短波天線(xiàn)和2#超短波天線(xiàn)往后移到炮塔最后部的左右兩端，3#衛(wèi)星通信天線(xiàn)位于炮塔中后部右側(cè)，4#衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)往前移動(dòng)到炮塔前端炮筒左側(cè)，位置與波導(dǎo)裂縫陣天線(xiàn)關(guān)于坦克中軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，5#敵我識(shí)別天線(xiàn)位置無(wú)變化。

表1 兩種布局方案天線(xiàn)坐標(biāo)（單位：mm）

圖4 天線(xiàn)布局方案一

圖5 天線(xiàn)布局方案二

3.2 仿真結(jié)果分析

天線(xiàn)間耦合度一般利用仿真軟件計(jì)算的傳輸系數(shù)直接獲得，最直接的方法是將所有天線(xiàn)孔徑直接加載到平臺(tái)模型上，分別激勵(lì)，采用全波算法計(jì)算其工作頻帶內(nèi)各端口之間的傳輸系數(shù)。對(duì)于頻率較低的短波、超短波天線(xiàn)、衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以采用CST軟件提供的全波算法——時(shí)域有限積分法對(duì)其進(jìn)行精確計(jì)算。對(duì)于工作頻率更高的衛(wèi)星通信天線(xiàn)和敵我識(shí)別天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，其波長(zhǎng)短，坦克平臺(tái)與其相比就變成了大尺寸，由于計(jì)算機(jī)硬件資源的限制，采用全波算法無(wú)法計(jì)算?？梢圆捎肅ST軟件內(nèi)嵌的高頻算法，先計(jì)算裝載后的發(fā)射天線(xiàn)在接收天線(xiàn)上的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，將其作為發(fā)射源，接收天線(xiàn)工作頻率的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖則作為接收源。在天線(xiàn)耦合計(jì)算的后處理模塊中，分別導(dǎo)入發(fā)射源和接收源，即可計(jì)算出發(fā)射天線(xiàn)對(duì)接收天線(xiàn)的耦合度。

按照布局方案一和布局方案二分別仿真得到裝載到坦克平臺(tái)后天線(xiàn)間的互耦值如圖6所示，限于篇幅，僅給出兩種方案下短波與超短波，超短波與衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)的傳輸系數(shù)對(duì)比仿真曲線(xiàn)。將所有天線(xiàn)中心頻率傳輸系數(shù)仿真值列入表2，以便對(duì)比和計(jì)算兩種方案的綜合耦合度?？紤]到頻率隔離度、仿真時(shí)間和內(nèi)存需求等因素，個(gè)別天線(xiàn)組合未進(jìn)行仿真。由于工作頻率大于30 GHz的波導(dǎo)縫隙陣天線(xiàn)受波導(dǎo)截止頻率的限制，不會(huì)對(duì)低于其截止頻率的天線(xiàn)產(chǎn)生影響。根據(jù)波導(dǎo)a、b邊尺寸計(jì)算得到的截止頻率大于20 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他天線(xiàn)的工作頻率，因此，波導(dǎo)裂縫陣天線(xiàn)不會(huì)對(duì)其余天線(xiàn)產(chǎn)生干擾。

圖6 兩種布局方案隔離度對(duì)比

表2 各天線(xiàn)間傳輸系數(shù)（dB）

對(duì)于坦克車(chē)上布局的5副天線(xiàn)，假設(shè)其重要性相當(dāng)，每對(duì)天線(xiàn)加權(quán)系數(shù)均為1，根據(jù)式（3）可得判定最優(yōu)布局方案的系統(tǒng)綜合耦合度表達(dá)式：

將表2中的數(shù)據(jù)代入式（4），可看出方案二的綜合耦合度小于方案一。由于短波和超短波天線(xiàn)在兩種布局方案下位置變化較小，因此，其耦合度仿真值也基本相當(dāng)。除敵我識(shí)別天線(xiàn)與衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)外，其他天線(xiàn)對(duì)之間的耦合度方案二明顯優(yōu)于方案一，這符合天線(xiàn)間距離越大，天線(xiàn)耦合度越低的原則。按照此方案布局的所有天線(xiàn)間耦合度最大值為-17.0 dB（短波天線(xiàn)與超短波天線(xiàn)間的耦合），該值與實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合，最小值為-107 dB（通信天線(xiàn)與衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)間的耦合），天線(xiàn)間干擾很小，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)通信要求。按照方案二布局的各天線(xiàn)裝載后方向圖如圖7所示，與圖3所示的自由空間方向圖相比有一定畸變，但仍舊保留了與單天線(xiàn)相似的方向性，保證了這種布局方案的可行性。

從上述仿真結(jié)果可以看出，天線(xiàn)間的耦合度隨著天線(xiàn)間距離的增大而減小，因此，即使是在空間有限的坦克車(chē)載平臺(tái)上，還是要盡可能地增大天線(xiàn)間的距離。平臺(tái)對(duì)天線(xiàn)電性能的影響主要是造成方向圖的畸變和回波損耗曲線(xiàn)偏離設(shè)計(jì)工作頻段，即在工作頻段內(nèi)天線(xiàn)輸入阻抗失配。全向天線(xiàn)比方向性很強(qiáng)的陣列天線(xiàn)更易受平臺(tái)遮擋影響，要避免將其布置在有遮擋物的附近。將在自由空間設(shè)計(jì)好的天線(xiàn)加載到坦克平臺(tái)以后，由于安裝環(huán)境造成的頻率漂移需要進(jìn)行設(shè)計(jì)修正，以保證天線(xiàn)在平臺(tái)上能夠滿(mǎn)足電性能指標(biāo)的要求，完成系統(tǒng)要求的功能。

圖7 各天線(xiàn)加載后方向圖

4 結(jié)論

天線(xiàn)布局是系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)的重要方面，本文建立了坦克平臺(tái)模型及其上安裝的5副天線(xiàn)模型，采用商用電磁仿真軟件CST提供的時(shí)域有限積分算法和高頻算法，對(duì)天線(xiàn)間的耦合度和天線(xiàn)裝載到平臺(tái)前后的方向圖進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)對(duì)比分析兩種布局方案下天線(xiàn)的綜合隔離度，給出了最佳的布局方案。平臺(tái)模型基于實(shí)物結(jié)構(gòu)尺寸，天線(xiàn)模型既有線(xiàn)天線(xiàn)又有面天線(xiàn)，有單天線(xiàn)，也有陣列天線(xiàn)，彌補(bǔ)了以往類(lèi)似研究中平臺(tái)模型過(guò)于簡(jiǎn)化，天線(xiàn)形式單一的情況。文中的建模方法和數(shù)值仿真分析結(jié)果，可為實(shí)際坦克平臺(tái)的電磁兼容性分析以及平臺(tái)上的天線(xiàn)布局優(yōu)化提供參考。

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Analysis and Simulation of Layout for Tank Multiple Antenna System

QIN Wen-yi
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To research the electromagnetic compatibility of Tank multi-antenna system，the performance of the system is improved by analyzing the interference among the antennas and the influencing factors.The electromagnetic character of antennas at different position on model and the coupling degree between the antennas are simulated using CST.The best antenna position and coupling between antennas are obtained by comparing the simulation results of two different layout.The analysis process and simulation results can provide some references for tank vehicle antenna’s design and electromagnetic compatibility research.

EMC，antenna layout，coupling，gain patterns

TP391.9

A

1002-0640（2015）04-0098-04

2014-01-05

2014-03-07

秦文奕（1981- ），女，四川內(nèi)江人，工程師。研究方向：天線(xiàn)、電磁兼容。