王永勝， 郭文卿， 李 偉

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所， 山西 太原 030032）

引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星定位系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈控制系統(tǒng)等設(shè)備被越來越多地集成安裝在無人機(jī)上，大大增強(qiáng)了無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的能力，但同時也使無人機(jī)天線的類型和數(shù)量增加，導(dǎo)致無人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)電磁兼容的問題越加凸顯[1]。因此，在設(shè)計階段就要對無人機(jī)機(jī)載天線耦合度仿真分析，優(yōu)化天線布局，對減少天線之間的相互干擾，最終使無人機(jī)系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

本文主要針對某型無人機(jī)天線系統(tǒng)電磁特性及耦合度仿真進(jìn)行闡述，通過對計算電磁數(shù)值算法分析，仿真建模，天線耦合度仿真分析，得出無人機(jī)天線耦合度結(jié)果。

1 計算電磁數(shù)值算法

計算電磁學(xué)主要研究的電磁數(shù)值算法主要分兩大類：全波算法（精確算法）和高頻算法（漸近算法）[2]。全波算法主要是指時域全波和頻域全波算法，直接求解麥克斯韋積分或微分方程。場區(qū)和源區(qū)均需要劃分網(wǎng)格。全波算法包括有限差分法（FDM）、有限積分法（FIT）、傳輸線矩陣法（TLM）、有限元法（FEM）、矩量法（MoM）和邊界元法（BEM）[3]。高頻算法主要是基于格林函數(shù)，僅有頻域，僅源區(qū)需要劃分網(wǎng)格。高頻算法包括物理光學(xué)法（PO）和彈跳射線法（SBR）。

有限積分法（FIT）方法無論是在靜態(tài)場計算中還是在時域或頻域的高頻計算中都可以用來解決各類電磁場問題。時域有限積分法完整的理論基礎(chǔ)是基于數(shù)學(xué)物理方法建立的。它以麥克斯韋積分方程為基礎(chǔ)，對麥克斯韋方程在網(wǎng)格空間上進(jìn)行離散分析[4]。相比于與其它算法，F(xiàn)IT 是對積分形式的麥克斯韋方程組進(jìn)行離散化，而不是對微分形式的麥克斯韋方程組進(jìn)行離散。

彈跳射線法（SBR）結(jié)合了幾何光學(xué)法和物理光學(xué)法。彈跳射線法的原理是先將電磁波在物體表面的反射運用幾何光學(xué)來等效模擬，再運用物理光學(xué)原理解決遠(yuǎn)場問題，即求解其遠(yuǎn)場積分[5]。該方法能夠較好地追蹤目標(biāo)物體上射線反射的路徑并記錄射線的場強(qiáng)變化情況，因此非常適合用來處理射線的多次反射。在計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電大尺寸目標(biāo)的散射問題時，彈跳射線法既能提高計算效率，又能保證計算精度。因此，彈跳射線法作為應(yīng)用最多的高頻方法，具有很大的工程應(yīng)用價值。

本文研究對象為無人機(jī)，機(jī)載天線種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于電大尺寸，且天線工作頻段為MHz～GHz，難以用一種算法全波求解，因此采用CST 有限積分法（FIT）和高頻彈跳射線（SBR）法聯(lián)合完成仿真，這樣既能保證計算的精度，又能提高仿真計算效率[6]。

2 仿真建模

研究無人機(jī)天線耦合效應(yīng)之前，首先要對無人機(jī)和天線進(jìn)行建模。無人機(jī)機(jī)體內(nèi)外均由大量的細(xì)小結(jié)構(gòu)和精密單元構(gòu)成，而在仿真建模過程中，需要使用網(wǎng)格前處理軟件ANSA 對無人機(jī)模型進(jìn)行簡化，通過投影、切割等指令操作對邊界進(jìn)行合理的重新構(gòu)建，從而保證仿真計算的效率和準(zhǔn)確性[7]。

簡化后的無人機(jī)模型如下頁圖1 所示。經(jīng)過模型的預(yù)處理，保持無人機(jī)體的基本信息，大大縮減了網(wǎng)格數(shù)量與未知量，減少了計算所需要的內(nèi)存。系統(tǒng)天線信息如下頁表1 所示。

表1 系統(tǒng)天線信息

3 天線耦合度仿真分析

在電磁兼容工程技術(shù)中，衡量天線間相互干擾程度大小的一個重要指標(biāo)是天線耦合度[8]。天線間的耦合度，是實現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容預(yù)測所必須的重要參數(shù)。天線間耦合度越大，天線相互耦合能量越小。天線耦合度為接收天線凈輸出功率與發(fā)射天線的凈輸入功率的比值[9]，如圖2 所示。

式中：Pin為發(fā)射天線端的凈輸入功率，W；Pout為接收天線端的凈輸出功率，W；L 為耦合度，dB。

3.1 仿真流程

對無人機(jī)導(dǎo)航接收天線、數(shù)據(jù)鏈主鏈天線、數(shù)據(jù)鏈副鏈天線和ADS-B 天線分別采用CST 有限積分法（FIT）時域或頻域求解器進(jìn)行方向圖仿真，然后采用CST MWS 高頻算法—高頻彈跳射線（SBR）進(jìn)行天線裝機(jī)后方向圖仿真，最后使用專用天線互耦計算模塊（Antenna Couping）對無人機(jī)平臺多部天線進(jìn)行兩兩互耦仿真，如圖3 所示。

3.2 天線系統(tǒng)的電磁特性仿真

3.2.1 導(dǎo)航接收天線仿真

導(dǎo)航接收天線為圓極化微帶貼片天線，數(shù)量有4 個，天線接收工作頻率為1.575 GHz、1.561 GHz，極化方式為右旋圓極化，饋電方式為同軸線饋電。使用CST 仿真平臺的Time Domain Solver 求解器對該模型進(jìn)行仿真計算，仿真頻率設(shè)置為1.575 GHz，方向圖如圖4 所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)鏈主鏈天線仿真

數(shù)據(jù)鏈主鏈天線為單極子天線，數(shù)量為1 個，工作頻率為1.3～1.74 GHz，極化方式為垂直極化，輸入阻抗為50 Ω，電壓駐波比VSWR＜2，饋電方式為同軸線饋電。使用CST 仿真平臺的Frequency Domain Solver 求解器對該模型進(jìn)行仿真計算，仿真頻率設(shè)置為1.7 GHz，方向圖如下頁圖5 所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)鏈副鏈天線仿真

數(shù)據(jù)鏈副鏈天線為單極子天線，數(shù)量為1 個，工作頻率為520～610 MHz，極化方式為垂直極化，電壓駐波比VSWR＜2，饋電方式為同軸線饋電。使用CST 仿真平臺的Frequency Domain Solver 求解器對該模型進(jìn)行仿真計算，仿真頻率設(shè)置為565 MHz，方向圖如圖6 所示。

3.2.4 ADS-B 天線仿真

ADS-B 天線為單極子天線，數(shù)量為1 個，工作頻率為1 090±1 MHz，極化方式為垂直極化，電壓駐波比VSWR＜1.5，饋電方式為同軸線饋電。使用CST仿真平臺的Time Domain Solver 求解器對該模型進(jìn)行仿真計算，仿真頻率設(shè)置為1.09 GHz，方向圖如圖7 所示。

3.3 天線裝機(jī)后電磁特性仿真

天線安裝在無人機(jī)機(jī)體上，復(fù)雜的機(jī)體結(jié)構(gòu)對天線的性能也有很大程度的影響，導(dǎo)致天線方向圖產(chǎn)生畸變[10]。數(shù)據(jù)鏈主鏈天線、數(shù)據(jù)鏈副鏈天線和ADS-B 天線裝機(jī)后方向圖如圖8—下頁圖14 所示。

3.4 天線耦合度仿真結(jié)果

利用CST 仿真軟件天線互耦計算模塊（Antenna Couping），對無人機(jī)平臺多部天線進(jìn)行兩兩互耦仿真，仿真結(jié)果如表4 和下頁圖15 所示。

表4 無人機(jī)天線耦合度仿真結(jié)果

4 結(jié)語

無人機(jī)天線間的耦合度仿真結(jié)果表明：工作頻率相差越大，天線間的耦合度越好。天線之間的耦合度均能夠滿足設(shè)計指標(biāo)要求，天線布局方案可行。

通過對無人機(jī)天線耦合度仿真，能夠在設(shè)計階段精確、快速地分析出機(jī)載各天線之間的耦合情況，為天線合理布局、優(yōu)化提供設(shè)計依據(jù)。