第一篇：第八章 電磁能量輻射與天線概要

第八章 電磁能量輻射與天線

習題8.1

一長為20m的發(fā)射天線，在頻率f?1MHz時，可視為單元偶極子天線，設天線上電流振幅的有效值為2.5?A，求天線的輻射電阻Rrad和輻射功率P。如頻率變?yōu)閒?100kHz，其他參數(shù)不變時，輻射電阻和輻射功率又為多少?

題意分析：

單元偶極子天線輻射電阻和輻射功率是天線特性的重要參數(shù)，必須掌握。解：

當f?1MHz時

自由空間中電磁波的傳播速度為光速c

所以，電磁波的波長：

c3?108

????300（m）6f1?10天線的輻射電阻：

Rrad?80?2(天線的輻射功率：

P?I2Rrad?(2.5?10?6)2?3.5?2.19?10?11（W）

當f?100kHz時：

電磁波的波長：

c3?108

???（m）

?300 03f100?10?l?)2?80?2(202)?3.5（?）300天線的輻射電阻：

Rrad?80?2(天線的輻射功率：

P?I2Rrad?(2.5?10?6)2?3.5?10?2?2.19?10?13?l?)2?80?2(202)?3.5?10?2（?）3000（W）

從本題的分析可以看出：當激勵電流和單元偶極子天線尺寸不變時，信號的頻率越高，輻射功率越大。輻射電阻Rrad表征了單元偶極子天線輻射電磁能量的能力，Rrad越大，輻射能力越強。

習題8.2

一單元偶極子天線位于坐標原點，離天線較遠處測得天線激發(fā)的電磁波的場強為：

?sinθr?E(r,t)?E0sin?ω(t-rc???)?eθV/m ?式中c為真空中的光速。求天線輻射的平均功率。

題意分析：

由題意，測量點距天線距離較遠，本問題研究的是單元偶極子天線的遠區(qū)場問題。遠區(qū)場是橫電磁波（TEM波），電場強度和磁場強度在空間相互垂直，且與傳播方向垂直，三者滿足右手螺旋定律。在研究遠區(qū)場時，天線的尺寸相對于源點到場點的距離很小，可以忽略天線尺寸的影響，因此建立如圖所示球坐標系。

zP?er?e??e??S?E?Hoyx

圖8.2.1 場點P處電場強度，磁場強度以及坡印廷矢量方向關系

解：

根據(jù)場量與波阻抗的關系，可得磁場強度為：

??E?Esin?r???

H(r,t)?H?e???e??0sin?ω(t-)?e?（A/m）

Z0Z0rc??相位系數(shù)的定義式：

??表達式中ω(t-2???2?f?? ?fcr)項可以寫成ωt-?r，這樣就與標準表達式統(tǒng)一起來了。c電場強度的相量形式：

?1sinθ?j?r??

E?(。E0e)e?（V/m）

r2磁場強度的相量形式：

?1E0sinθ?j?r??

H?(。e)e?（A/m）

2Z0r坡印廷矢量平均值：

?????

Sav?ReE?H*

???1sinθ?j?r1E0sinθj?r????Re?(E0e)(e)(e??e?)?

r2Z0r?2?

2E02sinθ??er（W/m2）22Z0r

?平均功率，即將坡印廷矢量平均值Sav在球坐標系中進行閉合面積分：

2??2??E2sin2?2EP??Sav?dS???0rsin?d?d??0（W）2S002Z0r90

第二篇：機載天線電磁兼容分析

姓名：周慧

學號：2011201270

專業(yè)：電磁場與微波技術

機載天線的電磁兼容性分析

姓名：周慧

學號：2011201270 摘 要：天線布局和電磁兼容是機載系統(tǒng)設計的關鍵性問題。針對機載天線的特點，本文對機載天線的電磁兼容性的核心問題和主要解決途徑進行了簡要介紹，對常用的有限元法、物理光學、幾何光學等天線電磁兼容技術分析方法進行了比較，結合機載天線的布局問題綜合分析機載天線的電磁兼容技術。關 鍵 詞：機載天線 ；電磁兼容 ；天線布局

一、引言

隨著當今科學技術的不斷進步，航空軍用電子設備已成為C3I 系統(tǒng)實施指揮和獲取情報的重要手段。預警機是情報、通訊、指揮和控制中心，要實現(xiàn)這些戰(zhàn)術指標，就必然要在飛機這么一個有限的空間里布置大量的電子電氣設備。飛機作為一個指揮控制單元，其工作頻譜覆蓋范圍從甚低頻（VLF）到超高頻（UHF），在大功率高頻（HF）和超高頻（UHF）設備產(chǎn)生并通過天線輻射的電磁環(huán)境中，保證機載設備的兼容性是相當重要而復雜的問題。在飛機系統(tǒng)的研制、生產(chǎn)和安裝過程中有必要研究其變化后的電磁環(huán)境，對其兼容性狀態(tài)進行分析，從而保證機載系統(tǒng)的正常工作。

機載通信系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)中無線通信設備比較多，而且還要綜合考慮飛機的飛行性能，安放天線的位置就受到一定的局限，因此系統(tǒng)中EMC 的問題尤為突出，在無法擺脫自身設備EMC的前提下，要降低這種干擾只能通過天線布局的方法，通過降低各天線對間的耦合度達到減小干擾的目的。

研究飛機天線系統(tǒng)的電磁兼容性的關鍵就是確定機載天線的輻射特性，得到其輻射方向圖。確定機載天線的輻射特性可以通過實驗的方法，如利用暗室和飛機模型測試數(shù)據(jù)，但是這樣會浪費大量的人力、物力和財力，因此研制機載天線系統(tǒng)電磁兼容預測分析軟件己成為當務之急。EMC預測分析的目標是評估全機的電磁兼容性狀態(tài)，分析是否存在電磁干擾，以便于總體采取措施排除，盡量減少干擾問題的出現(xiàn)，確定關鍵性區(qū)域和關鍵性設備，確定干擾測試的重點，并為今后系統(tǒng)及設備設計和系統(tǒng)使用提供數(shù)據(jù)。

二、機載天線電磁兼容的基本理論

天線的電磁兼容，指天線或天線系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中，其自身性能既不下降又不影響其它天線性能的一種共存狀態(tài)。即某一設備上的天線既不會由于受

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專業(yè)：電磁場與微波技術

到處于同一電磁環(huán)境中的天線布局、載體、鄰近散射體和其它天線的影響而遭受不允許的性能降低，也不會使同一電磁環(huán)境中其它天線性能遭受不允許的性能降低。值得指出的是，電磁環(huán)境除了包括安裝天線的平臺、平臺上的其它天線、遮擋物、突出金屬物以外，在這里還特別增加了一項“鄰近散射體”。這里所說的鄰近散射體，包括了鄰近載體、地形地物和海面等。

從廣義上講，機載天線的電磁兼容性包含有兩個基本概念，輻射限制和抗擾度限制。輻射限制是指在不需要的空間和不需要的頻段上其輻射量的控制。抗擾度限制是指天線自身對惡意發(fā)射與難以避免的反射、散射、漏射、繞射、雜亂漫射、傳導等電磁能量的響應能力。

三、機載天線電磁兼容的技術重點

機載天線對整個系統(tǒng)的電磁兼容性能影響非常明顯。這主要是因為天線具有如下兩個特點：

1、天線的功能是完成電磁能量從“場”到“路”的雙向轉(zhuǎn)換，即將空間中的電磁場能量接收至傳輸線內(nèi)成為導波，或?qū)鬏斁€內(nèi)的導波輻射至空間形成電磁波。

2、多數(shù)天線輻射能量大、接收靈敏度高。相對于導線、設備、孔縫等無意輻射源，天線輻射能量要大若干個數(shù)量級。

本質(zhì)上講，機載天線的電磁兼容的核心問題就是輻射限制和抗擾度限制。因此解決天線的電磁兼容應從以下三個方面著手：電磁兼容實現(xiàn)手段、電磁兼容效果計算分析和天線布局優(yōu)化設計。

1、電磁兼容實現(xiàn)手段

目前實現(xiàn)天線之間電磁兼容的主要手段，是通過增加天線之間的隔離度削弱天線間的相互影響，而衡量天線之間相互影響強度的指標即天線的隔離度，機載天線之間的隔離度是描述天線之間耦合的一種方式，它充分反應了天線的方向性、增益、極化狀態(tài)、帶內(nèi)帶外特性和天線之間的空間對收發(fā)天線間能量耦合的貢獻。為準確表達天線間的隔離程度，將發(fā)射天線的發(fā)射功率Pta與接收天線所接收的功率Pra的比值定義為天線隔離度（Pra為Pta經(jīng)過各種衰減后被接收天線所接收的功率值），通常在工程應用中，以dB 為單位表示，即：

L(dB)?10lgPta

（1）Pra當2個天線均處于彼此遠區(qū)場的情況下，其能量耦合主要通過輻射場實現(xiàn)。

設發(fā)射天線發(fā)射功率為P ta，增益為Gt，接收天線的接收功率為Pra，增益

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為Gr。接收天線與發(fā)射天線間的距離為D，一般情況下，收發(fā)天線直視時的天線隔離度可由公式（1）所表達的物理意義求解。當收發(fā)天線外形尺寸與D 相比較小時，收發(fā)天線均可近似被認為是具有一定方向性的點源，則發(fā)射天線發(fā)出的電磁波可被近似為球面波，且在接收天線處可視作平面波，此時天線隔離度可表示為：

L(dB)?L?G?G

（2）

dtr4?D式中，L?20lg為收發(fā)天線直視情況下的空間隔離，Ld由收發(fā)天線間的距d?離D和分析波長λ等因素決定，Gt為發(fā)射天線在接收方向的天線增益，應根據(jù)收發(fā)天線的相對位置從機載發(fā)射天線增益方向圖中讀取；Gr為機載接收天線在發(fā)射方向的天線增益，應根據(jù)收發(fā)天線的相對位置從天線增益方向圖中讀取。

當收發(fā)天線之間的極化不完全匹配時，還要考慮極化失配帶來的隔離度LP這一項，即總的天線隔離度為：

L(dB)?L?G?G?L

（3）

dtrp如果天線不能同時滿足位于彼此的遠區(qū)場，則2天線之間的相互干擾主要不是通過輻射場進行的，而是通過近區(qū)束縛場或近區(qū)感應場實現(xiàn)。

工程上圓極化對垂直極化或水平極化的損耗為3dB左右，垂直極化和水平極化間的失配損耗為20-35dB，由于機身表面天線的安裝方位比較復雜，極化失配損耗要比以上2個值要小。

2、電磁兼容效果計算分析

機載天線的電磁兼容實施過程中一個重要的環(huán)節(jié)，就是以計算機為工具，利用電磁場理論和計算電磁學的相關知識，對天線電磁兼容性的效果進行仿真計算和分析。通常情況下，對單個天線結構的阻抗特性和輻射特性的分析往往采用數(shù)值方法，而對于天線之間耦合特性（隔離度）的分析（該文中僅指遠場情況下），往往采用高頻方法。

隨著計算機性能的快速提高，電磁場數(shù)值計算技術日益成為應用電磁學領域內(nèi)的一個研究熱點。由于數(shù)值計算方法直接以數(shù)值的形式代替解析表達式描述和求解電磁場問題，故在理論上只要計算機配置足夠高，等待足夠的時間，就可以得到以任意精度逼近準確值的幾乎所有電磁場問題的解答。常用的數(shù)值計算技術包括有限元方法（FEM）、時域有限差分方法（FDTD）和矩量法（MOM）等。

有限元法是非常具有代表性、應用范圍廣泛的頻域數(shù)值方法。該方法以變分原理和剖分插值為基礎，能處理任意形狀的場域、多介質(zhì)和復雜交界面等情況。其所形成的代數(shù)方程系數(shù)矩陣具有對稱、正定和稀疏性的特征，因而收斂性好，3 / 6

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容易求解。由于具有這些優(yōu)點，有限元法成為國內(nèi)外學者的一個研究熱點。但是有限元法雖然是一種靈活性強的數(shù)值計算方法，但它只適合于最大尺寸約為幾個波長以下的物體。所以使用范圍也受到一定的局限。

機載天線工作頻率一般很高，而飛機一般有十幾米到幾十米長，因此機載天線系統(tǒng)是電大尺寸系統(tǒng)，對此系統(tǒng)的分析需要應用高頻近似技術。高頻近似技術是在相當嚴格的理論基礎上發(fā)展的一系列近似方法和漸進的高頻解析方法，一般可歸納作2 類：一類基于射線光學，包括幾何光學（GO）、幾何繞射理論（GTD）以及在基礎上發(fā)展的一致性繞射理論（UTD）等；另一類基于波前光學，包括物理光學（PO）、物理繞射理論（PTD）、等效電磁流方法（ECM）以及增量長度繞射系數(shù)法（ILDC）等。

物理光學法是通過對表面感應場的近似和積分來求解散射場的，它克服了平表面和單彎曲表面所出現(xiàn)的無限大的問題。由于感應場保持有限，散射場也就同樣有限。

幾何光學是研究射線傳播的一種理論，它是適用于計算電磁場零波長近似的高頻方法。但是幾何光學只研究直射、反射和折射問題，它無法解釋繞射現(xiàn)象。當幾何光學射線遇到任意一種表面不連續(xù)的情況，例如邊緣、尖頂，或者在向曲面掠入射時，它將不能進入到陰影區(qū)。按幾何光學理論，陰影區(qū)的場應等于零，但實際上陰影區(qū)的場并不等于零。為了解除幾何光學場的不連續(xù)性問題，并對幾何光學場計為零的場區(qū)中作出適當修正，引入了一種新的射線—繞射線，其對應的理論即幾何繞射理論。

幾何繞射理論的基本概念可以歸結為以下3 點：

1繞射場是沿繞射射線傳播的，這種射線的軌跡可以用廣義費馬原理確定。○2場的局部性原理：在高頻極限情況下，反射和繞射這一類現(xiàn)象只取決于○反射點和繞射點臨近域的電磁特性和幾何特性。

3離開繞射點后的繞射射線仍遵循幾何光學的定律。○

3、天線布局優(yōu)化設計

布局設計首先是天線自身的仿真與設計，其性能指標以能否滿足應用要求為先決條件，但這往往還不夠。實際中常會遇到這樣的情況，單獨看這個天線，其各項性能指標均合格，一旦配置到載體上，其主要參數(shù)幅度方向圖和相位特性將有程度不等的劣化，此時必須對天線進行必要的修改，有時甚至需要重新進行方案論證與選擇。

機載天線的布置應遵循如下的4個原則：

1飛機電子系統(tǒng)中各分系統(tǒng)的天線布置應充分發(fā)揮各分系統(tǒng)的戰(zhàn)技性能，○完成各自所擔負的任務。

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2分系統(tǒng)天線間輻射干擾影響盡量小，即盡量減少輻射耦合。○3要充分利用載體的遮檔。○4實際天線布局設計是一個綜合性的反復調(diào)整過程。○下面以一個實際的飛機來綜合考慮分析其各天線的布置情況

圖 1 某飛機的機載天線布局

1探測雷達天線布置 ○考慮飛機氣動力學影響，可采用共形相控陣天線型式，并將天線置于機身兩側(cè)和前后。

2GPS天線布置 ○GPS 接收天線，它用于接收衛(wèi)星信號，因此要安裝在機身上方，且盡量遠離探測雷達。

3ESM天線布置 ○無源探測（以ESM 為例）頻帶寬，接收靈敏度高，因此ESM 天線要遠離那些落于其工作頻帶的發(fā)射源，故ESM 天線應安裝于機身前后位置。

4JTIDS天線布置 ○對JTIDS天線布置考慮應空對空、空對地通信，因此將它安裝于機身上下方。5通信天線尤其是V/UHF 天線數(shù)量多，頻段寬，要考慮減少相互影響，合○理布局。

在初步確定了天線在載體上的布局后，就可進行機載天線耦合干擾及天線方向圖的計算機預測與分析，通過不斷的調(diào)整天線的位置，最終找到最佳的天線布局方案。

四、國內(nèi)外機載天線布局和EMC的發(fā)展動態(tài)

西方發(fā)達國家早在二戰(zhàn)后就對飛機的EMC做了大量的研究工作，特別是美

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國在六七十年代中期對電磁兼容性研究所做的工作，比較全面和系統(tǒng)地考察了航空、航天、航海領域中的電磁兼容機理，并進行了研究和分析，獲得了大量的資料和經(jīng)驗，取得了較好的效果。如美軍先后研究出F-4，F(xiàn)-15系列飛機EMC分析方法和數(shù)學模型，并將其應用于飛機的設計、研制和維修中，取得了許多技術成果和顯著的經(jīng)濟效益。海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭及近期的反恐戰(zhàn)爭等，使各國對美國等西方各種武器的先進性有了更直觀的認識，而戰(zhàn)爭中美國飛機的卓越性能都體現(xiàn)了研究飛機天線系統(tǒng)EMC的價值。

我國在這方面研究起步很晚，與國外相比水平還遠遠落后，直到70年代后才開始著手研究，而且發(fā)展速度緩慢，導致我國與發(fā)達國家拉下很大距離。目前，我國已經(jīng)有一些部門和單位開始重視并從事這方面的工作，實現(xiàn)技術的跨越式發(fā)展，可望在不遠的未來趕上先進發(fā)達國家的水平，從而能夠利用EMC控制，使系統(tǒng)和設備與環(huán)境相融合，完成對電子設備的一體化設計。

參考文獻

[1] 湯仕平,楊景發(fā).飛機天線間兼容性分析及工程應用[J].電磁干擾抑制技術.[2] 王良剛,陳龍.機載C3I 系統(tǒng)電磁兼容技術研究[J].電訊技術,1997,37(2).[3] 邱揚,俞智敏,袁軍,田錦.機載通信系統(tǒng)EMC設計中天線布局優(yōu)化設計[J].艦船電子工程,2004.[4] 路志勇,宋長宏.機載系統(tǒng)天線布局及電磁兼容性分析[J].微波學報,2010.[5] 林澤祥,蘭強.天線的電磁兼容技術[J].電波科學學報,2007,22(1).[6] 袁旭猛,王浩.機載天線電磁兼容技術分析[J].無線電通信技術,2011,37(4).[7] 陳晨.機載天線輻射特性及耦合研究[D].西安:西北工業(yè)大學,2006.6 / 6

第三篇：天線設計畢業(yè)論文概要

第一章緒論

一、緒論

1.1課題的研究背景及意義

自古至今，通信無時無刻不在影響著人們的生活，小到一次社會交際中的簡單對話；大到進行太空探索時，人造探測器與地球間的信息交換。可以毫不保留地說，離開了通信技術，我們的生活將會黯然失色。近年來，隨著光纖技術越來越成熟，應用范圍越來越廣。在廣播電視領域，光纖作為廣播電視信號傳輸?shù)拿襟w，以光纖網(wǎng)絡為基礎的網(wǎng)絡建設的格局已經(jīng)形成。光纖傳輸系統(tǒng)具有的傳輸頻帶寬，容量大，損耗低，串擾小，抗干擾能力強等特點，已成為城市最可靠的數(shù)字電視和數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌罚彩菍崿F(xiàn)直播或兩地傳送最經(jīng)常使用的電視傳送方式。隨著全球通信業(yè)務的迅速發(fā)展，作為未來個人通信主要手段的現(xiàn)代通信技術引起了人們的極大關注，我國在移動通信技術方面投入了巨大的人力物力，我國很多地區(qū)的電力通信專用網(wǎng)也基本完成了從主干線向光纖過度的過程。目前，電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)已成為我國規(guī)模較大，發(fā)展較為完善的專用通信網(wǎng)，其數(shù)據(jù)、語音，寬帶等業(yè)務及電力生產(chǎn)專業(yè)業(yè)務都是由光纖通信承載，電力系統(tǒng)的生產(chǎn)生活，顯然，已離不開光纖通信網(wǎng)。無線通信現(xiàn)狀另一非常活躍的通信技術當屬，無線通信技術了。無線通信技術包括了移動通信技術和無線局域網(wǎng)（WLAN）技術等兩大主要方面。移動通信就目前來講是3G 時代，數(shù)字化和網(wǎng)絡化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。目前，移動通信已從模擬通信發(fā)展到了數(shù)字移動通信階段。無線局域網(wǎng)可以彌補以光纖通信為主的有線網(wǎng)絡的不足，適用于無固定場所，或有線局域網(wǎng)架設受限制的場合，當然，同樣也可以作為有線局域網(wǎng)的備用網(wǎng)絡系統(tǒng)。WLAN，目前廣泛應用IEEE802.11 系列標準。其中，工作于2.4GHZ 頻段的820.11 可支持11Mbps 的共享接入速率；而802.11a 采用5GHZ 頻段，速率高達54Mbps，它比802.11b 快上五倍，并和820.11b 兼容。給人們的生活工作帶來了很大的方便與快捷。

在整個無線通信系統(tǒng)中，用來輻射或接收無線電波的裝置成為天線，而通信、雷達、導航、廣播、電視等無線電技術設備都是通過無線電波來傳遞信息的，均需

要有無線電波的輻射和接收，因此，同發(fā)射機和接收機一樣，天線也是無線電技術設備的一個重要組成部分，其性能的優(yōu)良對無線通信工程的成敗起到重要作用。天線的作用首先在于輻射和接收無線電波，但是能輻射或接收電磁波的東西不一定都能作為天線。任何高頻電路，只要不被完全屏蔽，都可以向周圍空間或多或少地輻射電磁波，或從周圍空間或多或少地接收電磁波，但是任意一個高頻電路并不一定能用作天線，因為它的輻射或接收效率可能很低，要能夠有效地輻射或接收電磁波，天線在結構和形式上必須滿足一定的要求。快速發(fā)展的移動通信系統(tǒng)需要的是小型化、寬頻帶、多功能(多頻段、多極化、高性能的天線。微帶天線作為天線家祖的重要一員，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了可喜的進步，在移動終端中采用內(nèi)置微帶天線，不但可以減小天線對于人體的輻射，還可使手機的外形設計多樣化，因此內(nèi)置微帶天線將是未來天線技術的發(fā)展方向之一，設計出具有小型化的微帶天線不但具有一定的理論價值而且具有重要的應用價值，這也成為當前國際天線界研究的熱點之一。

因此，一副實用且性能良好的天線既要滿足系統(tǒng)易于集成化的要求，同時也要滿足各個系統(tǒng)的兼容性、可靠性要求，即為對天線小型化、寬頻帶、多頻帶的設計要求，因此本文主要對現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的多頻帶、寬帶、超寬帶天線進行研究和設計。

1.2微帶天線的發(fā)展概述

早在1953年G.A.DcDhamps教授就提出利用微帶線的輻射來制成微帶微波天線的概念。但是，在接下來的近20年里，對此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技術的發(fā)展和空間技術對低剖面天線的迫切需求，芒森(R．E ．Munson 和豪威爾(J．Q ．Howell 等研究者制成了第一批實用的微帶天線[1]。隨之，國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。1979年在美國新墨西哥州大學舉行了微帶天線的專題目際會議，1981年IEEE 天線與傳播會刊在1月號上刊載了微帶天線專輯。至此，微帶天線已形成為天線領域中的一個專門分支，兩本微帶天線專輯也相繼問世。80年代中，微帶天線無論在理論與應用的深度上和廣

度上都獲得了進一步的發(fā)展；今天，這一新型天線已趨于成熟，其應用正在與日俱增。微帶天線具有結構緊湊、外觀優(yōu)美、體積小重量輕等優(yōu)點，得到廣泛的應用。

1.3小型化、多頻帶/寬頻帶天線的研究現(xiàn)狀 1.3.1天線小型化、寬頻帶研究現(xiàn)狀

天線作為無線收發(fā)系統(tǒng)的一部分，其性能的優(yōu)劣對整個系統(tǒng)的性能有著重要的影響。微帶天線帶寬相對較窄，通常低于3%，而無線通信技術的發(fā)展，特別是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及軍用寬帶無線系統(tǒng)的發(fā)展，要求天線具有更高的帶寬。同時在隨著電路集成度的提高，系統(tǒng)對天線的體積有著更高的要求，尤其是一些軍用和民用的領域，如導彈制導系統(tǒng)和手機等等，物理空間的限制成為系統(tǒng)設計必須考慮的重要因素。此外隨著天線尺寸的減小，天線效率會顯著降低，帶寬也會隨之變窄。如何在天線帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設計出寬帶小型化的微帶天線是近年出現(xiàn)的一個熱門課題。當然優(yōu)化微帶天線設計方法的探討有著重要的意義。

1.3.2多頻帶天線的研究現(xiàn)狀

多頻天線主要有多頻振子天線[2]、多頻縫隙天線[3]和多頻微帶天線[4，多頻振子天線主要通過添加不同長度的諧振振子來實現(xiàn)多頻帶，多頻縫隙天線主要通過在輻射單元以及輻射地結構上進行開縫改變電流流向來實現(xiàn)多頻化，多頻微帶天線則主要通過調(diào)節(jié)微帶線的長度、寬度以及不同微帶線之間的距離來實現(xiàn)多頻化。隨著

1.4論文的主要研究內(nèi)容

第二章微帶天線理論（參看寶兒書）第三章多頻帶天線設計 3.1天線多頻化實現(xiàn)技術

3.2基于分形結構的多頻微帶天線設計 3.1.1

三、微帶天線的小型化技術

天線作為無線收發(fā)系統(tǒng)的一部分，其性能的優(yōu)劣對整個系統(tǒng)的性能有著重要的影響。微帶天線帶寬相對較窄，通常低于3%，而無線通信技術的發(fā)展，特別是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及軍用寬帶無線系統(tǒng)的發(fā)展，要求天線具有更高的帶寬。同時在隨著電路集成度的提高，系統(tǒng)對天線的體積有著更高的要求，尤其是一些軍用和民用的領域，如導彈制導系統(tǒng)和手機等等，物理空間的限制成為系統(tǒng)設計必須考慮的重要因素。此外隨著天線尺寸的減小，天線效率會顯著降低，帶寬也會隨之變窄。如何在天線帶寬等性能受尺寸限制的情況下，設計出寬帶小型化的微帶天線是近年出現(xiàn)的一個熱門課題。當然優(yōu)化微帶天線設計方法的探討有著重要的意義。

3.1 天線加載

在微帶天線上加載短路探針 [4]，通過與饋點接近的短路探針在諧振空腔中引入耦合電容以實現(xiàn)小型化，典型結構如圖3.1 所示。其缺點是:(1 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點的距離Δ，往往需要饋電點的精確定位和十分微小的Δ，這給制造公差提出了苛刻要求。(2 帶寬窄。(3 H 面的交叉極化電平相對較高。將短路探針替換為低阻抗的切片電阻(chip resistor，在進一步降低諧振頻率的同時還可增加帶寬。

圖3.1 加載短路探針的微帶天線 3.2 采用特殊材料基片

從天線諧振頻率關系式可以知道，諧振頻率與介質(zhì)參數(shù)成反比，因此采用高介電常數(shù)(如陶瓷材料 或高磁導率(如磁性材料 的基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。這類高介質(zhì)天線的主要缺陷是:(a 激勵出較強的表面波，表面損

耗較大，使增益減小，效率降低。(b 帶寬窄。為提高增益，常在天線表面覆蓋介質(zhì)(如圖3.2 所示。

圖3.2 采用高r 的多層介質(zhì)微帶天線 3.3 表面開槽（slot）[5] 當在貼片表面開不同形式的槽或細縫時(如圖3.3 所示，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，在天線等效電路中相當于引入了級聯(lián)電感。由于槽很窄，它可模擬為在貼片中插入一無限薄的橫向磁壁。選擇適當?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵相位差90°的極化簡并模，還可形成圓極化輻射，以及實現(xiàn)雙頻工作。圖3.4 為表面開槽的口徑耦合饋電的小型圓極化貼片天線。

圖3.3 表面開槽的小型化微帶天線圖3.4 小型口徑耦合圓極化微帶

這類天線結構簡單，成本低廉，加工方便，其特點是:隨槽的長度增加，天線諧振頻率降低，天線尺寸減小，但尺寸的過分縮減會引起性能的急劇劣化，其中帶寬(一般約為1 % 與增益尤為明顯，而方向性影響不大。如何破除增益和帶寬這兩個限制，開發(fā)實用化、易調(diào)諧的此類天線尚待深入研究。

3.4 附加有源網(wǎng)絡

縮小無源天線的尺寸，會導致輻射電阻減小，效率降低。可利用有源網(wǎng)絡的放大作用及阻抗補償技術彌補由于天線尺寸縮小引起的指標下降。有源天線具有以下良好特性:(1 工作頻帶寬。利用有源網(wǎng)絡的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線

帶寬高低端頻比可達20～30。(2 增益高(可達10dB 以上，方向性好。(3 便于實現(xiàn)阻抗匹配。(4 易實施天線方向圖，包括主波方向、寬度、前后輻射比等的電控。(5 有源天線陣具有單元間弱互耦的潛在性能。但有源天線需考慮噪聲及非線性失真問題。

3.5 采用特殊形式

這些方法總的思路是使貼片的等效長度大于其物理長度，以實現(xiàn)小型化目的。近年來由于無線通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie(如圖3.5所示、倒F 型(PIFA，planar inverted2F antenna(如圖3.6 所示、L 形、E 形、Y 形、雙C 形、層疊短路貼片(stacked shorted patch 等等。

圖3.5 雙頻帶蝶型微帶天線圖3.6 電容加載的倒F 型微帶天線（PIFA）

四、結束語

微帶天線由于具有體積小、重量輕、剖面薄、易與飛行器共形、易于加工、易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優(yōu)點，因而自其誕生以來就得到社會各界的廣泛研究與應用。通訊產(chǎn)品越來越小型化，物理空間的限制成為系統(tǒng)設計必須考慮的重要因素，因此天線的小型化成為天線設計的一個研究熱點。如何設計出具有小型化的微帶天線是當前微帶天線設計的難點與重點。

第二章

1.課題的研究背景及意義

從馬可尼橫跨大西洋的無線電通信創(chuàng)舉，到今天千百萬用戶隨時隨地暢通無阻的漫游，從現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中戰(zhàn)略和戰(zhàn)術武器使用，到日常生活中便攜式通信設備普及，射頻無線通信技術取得了舉世矚目的成就，并且越來越緊密的影響和改變著我們的生活。剛剛過去的十年無疑是無線通信爆炸式發(fā)展和普及的十年，射頻電子技術已經(jīng)成為現(xiàn)代無線通信快速發(fā)展的基礎。通過近十年的發(fā)展來看，無線電通信技術變得更加實用，隨著通信事業(yè)的飛速發(fā)展，射頻前端電路的集成度越來越高，寬帶化要求日益增加，低成本、低功耗、小型化、重量輕等設計要求越來越苛刻，因此射頻前端電路與系統(tǒng)寬帶化設計顯得十分必要，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會意義。0 天線是無線電系統(tǒng)中的重要部件之一，其主要功能是輻射和接收電磁波[1]，通信系統(tǒng)中的雷達、導航、廣播、電視等都是通過電磁波來傳遞信息的。隨著現(xiàn)代通信技術的快速發(fā)展, 基于分形結構的多頻微帶天線設計 1分形天線結構

多頻天線主要有多頻振子天線[2]、多頻 縫隙天線[3]和多頻微帶天線[4]，這些多頻天線輻射結構之間相互獨立，沒有特定變化規(guī)律，而分形幾何結構獨有空間填充性和自相似性的特

點，在多頻微帶天線的設計中可實現(xiàn)天線多頻化、小型化的目的[4]。目前采用分形結構來實

現(xiàn)多頻工作的有Sierpinski 三角形分形[5]、寄生分形[6]、方形分形[7]、樹狀分形[8]結構等，它

們通過改變分形次數(shù)而不引入有耗加載量，具有的規(guī)律性結構使得小型化天線設計得到了簡化

天線是無線電系統(tǒng)中的重要部件之一，其主要功能是輻射和接收電磁波[1]，通信系統(tǒng)中的雷達、導航、廣播、電視等都是通過電磁波來傳遞信息的。隨著現(xiàn)代通信技術的快速發(fā)展, 小型化、多功能成為人們對各種手持設備的不斷追求，這就需要一個終端設備能夠同時在多個頻段工作。2G 通話頻段（GSM1800）、世界公開使用的無線頻段（ISM2.4GHz）和用于無線通信的城域網(wǎng)頻段（WiMAX）是小型多功能手持設備工作的重要頻段，因此設計出能覆蓋上述頻段的天線具有實際意義...............................本文擬采用Sierpinski 分形結構，利用加載諧振和匹配枝節(jié)的辦法，設計一款應用于GSM1800（1710MHz~1850MHz）、ISM（2.4GHz）和WiMAX(3.3GHz~3.6GHz 的全向輻射微帶天線。設計原理

Sierpinski 分形有Sierpinski 三角和Sierpinski 毯兩種，其中Sierpinski 三角的形式多樣，應用較為廣泛[9]。Sierpinski 三角形天線進行分形之前, 其初始元會在低頻處產(chǎn)生一個諧振點, 隨著天線分形結構迭代次數(shù)的不斷增加, 天線的生成元不斷減小, 而天線將保持原有的諧振點不變并在高頻處增加新的諧振點, 諧振點的個數(shù)與分形的迭代次數(shù)相等, 并且在各諧振頻點天線都具有相似的輻射性能。Sierpinski 三角形分形單元如圖1所示。

圖1Sierpinski 三角形分形單元

Sierpinski 三角形分形結構具有多頻特性，且各個諧振頻點成比例。比例系數(shù)可通過改變墊片的形狀來調(diào)節(jié)，但不能無限次分形，其存在的截斷效應將導致第一諧振點與其它諧振

點不滿足諧振頻率[9] n n h c f δ26.0=（1）

比例關系。其中，c 為空氣中的光速，h 為迭代前三角形的高度，δ為天線的縮放因子。若通過加載枝節(jié)的方法進行調(diào)節(jié)，則可以解決僅采用Sierpinski 三角形

分形結構時頻點位置難以調(diào)節(jié)和不能無限次分形實現(xiàn)多頻化的問題。加載的微帶枝節(jié)長度L 和寬度W 的表示式

分別為[10] L f c L e ?-=22(2 2 1(2-+=r f c W ε(3 其中，r ε為相對介電常數(shù)，e ε為有效介電常數(shù)，其計算式為[10] 121(21 21-+-++=w h r r e εεε（4）L ?為等效長度，由式（5）計算[10] 8.0(258.0(264.0(3.0(412.0+-++=?w w h L e e εε（5）2 天線設計 2.1天線模型設計

該天線基于Sierpinski 分形結構，采用兩次三角形分形分別產(chǎn)生1.7GHz 和3.5GHz 兩個諧振點，加入短諧振枝節(jié)產(chǎn)生2.4GHz 的諧振點，加入長匹配枝節(jié)調(diào)節(jié)低頻1.7GHz 諧振點后移至1.8GHz 處，克服了低頻諧振點因加入短諧振枝節(jié)以及耦合的影響出現(xiàn)前移的問題，背面采用2.3mm 寬的反射參考地結構，保證天線各處輻射大小相等，實現(xiàn)全向輻射。設計天線模型如圖2所示。

(a 正面

(b 背面 圖2 天線模型 2.2 模型參數(shù)設計

采用聚四氟乙烯材料為介質(zhì)基板，介電常數(shù)（r）為3.5，基板尺寸為53.6mm* 46.7mm*1mm。由式（1）可以計算求得Sierpinski 三角形分形輻射貼片的尺寸如下。初始S i e r p i n s k i 分形單元高度：ant H = 46.7mm 初始S i e r p i n s k i 分形單元寬度：W a n t = 53.6mm 第兩次分形后分形單元的長度：L 1

= 17.1mm，L 2=16.1mm, L3=25.7mm，L 4=12mm 第兩次分形后分形單元的寬度：W 1= 28.6mm，W 2=12.5mm 由微帶貼片理論公式（2）、（3）計算加入短諧振枝節(jié)的尺寸如下。短諧振枝節(jié)長度：L 5=24.9mm 短諧振枝節(jié)寬度：W 4=1mm 通過1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換，加入長匹配枝節(jié)的長度為：L 6=34.6mm。

由于受介質(zhì)均勻性、軟件本身存在的仿真誤差等影響，實際優(yōu)化長度與理想計算長度會稍有偏差，最終設計天線以實際優(yōu)化長度為主。3 仿真優(yōu)化與結果分析

利用三維電磁仿真軟件（Ansoft HFSS15.0）對天線結構、參數(shù)和輻射方向性進行仿真分析，仿真結果分別如圖

3、圖4圖5和圖6所示。

圖3為只有分形結構和在分形結構上分別加載短諧振枝節(jié)、長匹配枝節(jié)時天線諧振點和回波損耗的對比。

圖3加入不同枝節(jié)的天線回波損耗

由圖3可知，當僅采用Sierpinski 分形結構時，產(chǎn)生低頻1.7GHz 和高頻3.5GHz 兩個諧振點；加入短諧振枝節(jié)，可產(chǎn)生1.65GHz、2.4GHz、3.5GHz 3個

諧振點，與未加枝節(jié)時相比，低頻1.7GHz 諧振點的位置發(fā)生前移，但產(chǎn)生了新的諧振點；加入長匹配枝節(jié)，產(chǎn)生1.8GHz、3.5GHz 兩個諧振點，與加入短枝節(jié)相比，低頻諧振點則向后移動，頻點位置有所改善，但并沒有產(chǎn)生更多的諧振點，因此，綜合考慮加入短諧振枝節(jié)和長匹配枝節(jié)對頻點位置的影響，若同時加入長短枝節(jié)則可以實現(xiàn)該天線多頻化、小型化的設計。

圖4為不同的耦合距離對天線諧振點和回波損耗的影響對比圖。

圖4耦合間距的優(yōu)化

由圖4看出，耦合距離的變化對天線諧振頻率點位置的影響較小，但對回波損耗的大小影響較大，綜合考慮3個頻段的回波損耗，當耦合距離S=0.6mm時，回波損耗在3個諧振點處均達到-25dB 以下，達到最優(yōu)。

圖5為設計天線同時加入長短枝天線的諧振頻點和回波損耗的變化圖。

圖5有無似對稱枝節(jié)的天線結構仿真回波損耗對比

由圖5可以看出，同時加入長短枝節(jié)以及耦合后，既增加了2.4GHz 諧振頻率，也改善了低頻1.7GHz 的頻點位置和高頻諧振處的帶寬。

圖6為天線在1.8GHz、2.4GHz 和3.5GHz 3個諧振點的E 面、H 面輻射方向。

(a 1.8GHz

(b 2.4GHz

(c 3.5GHz 圖6 天線的E 面、H 面方向

圖6中，該天線具有良好的全向遠場輻射特性，說明背面采用了較窄的地結構設計該天線保證了天線在遠場區(qū)等距離處輻射大小相等，實現(xiàn)全向輻射。將仿真天線模型導出版圖進行加工，加工實物如圖7所示。

(a 正面

(b）背面

圖7天線加工實物 4實測結果與分析

將該天線通過SMA 連接器連接到矢網(wǎng)儀(Agilent Technologies E5071C 300 MHz~20 GHz 進行測試，測試結果如圖8所示。

圖 8 天線測試環(huán)境 將圖 8 中測試結果導出并與仿真結果進行對比，對比結果如圖 9 所示。圖 9 天線仿真與測試回波損耗 圖 9 中，天線仿真回波損耗在-10dB 以下的頻段為 1.69GHz~1.85GHz、2.25GHz~2.54GHz、3.27GHz~3.69GHz，測試回波損耗在-10dB 以下的頻段為 1.65GHz~1.83GHz，2.37GHz~4.1GHz。與仿真結果相比，天線測試結果中 1.8GHz 諧振頻點 稍向前偏移，在 2.4GHz 和 3.5GHz 時，測試帶寬與仿真帶寬相比都有所提高，這主要是由 于材料及制作工藝存在誤差引起的，在誤差允許范圍內(nèi),實測結果與仿真結果吻合。5 結語 利用分形天線結構的空間填充性和自相似性的優(yōu)點實現(xiàn)了天線的小型化設計，通過加 入諧振枝節(jié)和匹配枝節(jié)實現(xiàn)了天線的多頻化設計。采用三維電磁仿真軟件（Ansoft HFSS15.0）進行仿真，并將該天線通過 SMA 連接器連接到矢網(wǎng)儀(Agilent Technologies E5071C

300 MHz~20 GHz進行測試，仿真和測試天線回波損耗在-10dB 以下的頻率范圍均 覆蓋了 GSM1800（1710MHz~1850 MHz）、ISM（2.4GHz）、WIMAX(3.3GHz ~3.6GHz頻段，實現(xiàn)了該多頻化、小型化微帶天線的設計。

第四篇：車載天線系統(tǒng)的電磁兼容問題

車載天線系統(tǒng)的電磁兼容問題

(摘要： 本文采用矩量法和微波網(wǎng)絡理論相結臺的方法分析了車載多天線系統(tǒng)的電磁兼容問題該方法先將天線系統(tǒng)等效為微波網(wǎng)絡，然后采用矩量法求解該等效網(wǎng)絡的導納矩陣Y，利用該導納矩陣就可求得天線問的耦臺度文中也對發(fā)射功率較大的天線的近場分布進行了分析．

關鍵詞： 電磁兼容；矩量法；網(wǎng)絡；耦臺度；近場

隨著電子技術、通信技術的快速發(fā)展，越來越多的電子設備被集成在一個系統(tǒng)中，同時，一個電子系統(tǒng)可能需要幾副甚至十幾副工作在不同波段的天線來接收或發(fā)射電子信號，倒如一架飛機或一艘軍艦上會裝載各種各樣的完成不同功能的電子設備丑其天線同一系統(tǒng)中不同天線的近場耦合很饅，嚴重干擾了各收發(fā)電臺的正常工作，周此怎樣預估及避免這種干擾，對于通信設備的正常工作關重要另外 當天線發(fā)射功率很大時，其周圍的電子設備也會受到很強的干擾 而無法 正常工作．因此天線近場的預估也是電磁兼容的一十重要問題． 對于天線特別是線天線的分析計 算主要以矩量法(MOM)為主，文獻[】，2]對矩量法做了十分詳盡的論述．對于耦臺度的求解 文獻[3 采用近似公式法，得到較好結果，但只適合于半渡振子之間的耦臺；另外還從矩量法求解天線時生成的導納矩陣中取出兩天線饋電段的自導納和互導納來計算天線問的耦臺度，而兩天線間的耦合不僅與導納矩陣有關，還受天線的饋電方式以及匹配網(wǎng)絡的影響因此這些方；擊都存在一定的局限性．本文在前人工作的基礎上 采用矩量法和微渡網(wǎng)絡

理論相結合的方法，對一復雜車體上的多個天線問的耦合度進行了_十算，并得到大功率發(fā)射天線的近場分布，為多天線系統(tǒng)的電磁兼容問題的分析做了十分有意義的嘗試 2 理論分析及矩量法建模

對于安裝在車輛、飛機等上的線天線多涉及線面連接問題．常用的處理方法是將車體或飛機體用封閉的金屬導體面近似，并在導體面上采用磁場積分方程來求解電流分布，在導線上采用電場積分方程來求解，而對于線面相連接的區(qū)域比較復雜，其積分域包括直線段和導體面，需要采用電場積分方程和磁場積分方程相結臺來求解 ’采用矩量法進行求解時，首先將線天線分成若干段，將導體面剖分為若干個面元f矩形面元或三角形面元等)；然后選用合適的基函數(shù)，井將線上電流J¨)和面上電流，(rj分別展開成這些基函數(shù)的疊加在線上本文采用的的展開函數(shù)為正弦插值基幽數(shù)

If)=A + sinknl —)十 cosk0(f—f)If一‘l≤ ／2(1】

式中的f．為第i段的中心位置，△．為第i段的長度三個待定 參數(shù) ．B． C 中的兩個可通過線段兩端的電流和電荷連續(xù) 性條件確定 另外一個參數(shù)通過矩量法求解．對于面元上的電流，為簡化計算 采用脈沖基函數(shù)展開如下 土

= [J·，1，(rj)+(‘)](，)t2)式中 為第 個面元的中心位置．；．(0)和(01是面元上

處的兩個相互正交的單位切向矢量，(，)為脈沖基函數(shù)，當，在第 個面元上時(，)=1，否則，(，)=0，參數(shù)JI 和J2y分別為第 個面元上在t 【)和t()方向上的表面電流密度，它們也通過矩量法求解 在天線和導體面相連接處的電流分布比較復雜，需要進行特殊處理．文獻[5～7 中都對線面連接的問題進行r分析，圖1 線面相連處的結構示意罔

其中文獻[5]采用圓形連接段來處理此類問韙，但它要求圓面半徑O．2^的條件．當天線架設位置離導體面邊緣時很近時該條件往往無法滿足，文獻 6，7]中介紹的矩形連接段可以克服這一困難如圖l示，取線面連接點周圍的四個矩形面的區(qū)域進行單獨處理為保證線面相連區(qū)域電流的連續(xù)性，ABCD面上電流須滿足如下條件 v ’Js(，Y)=^(，)+『n(、y)(3)式中，)為二維 函數(shù)，v s為面散度，(，Y)是在ABCD區(qū)域上連續(xù)的函數(shù)，n是絨面連接處的電流．對式(3)的求解方法有很多，本文處理方法與文獻E6]相類似．圖2 發(fā)射大線和接收天線系統(tǒng)示意罔及其等效同絡將上述電『癍展開并代人電場或磁場積分方程中，并采用點選配的方法進行檢驗，就得到了一個矩辟方程，求解該矩陣方程就可得到線上和面上的電流展開系數(shù)，進而可得到天線上和面上的電流、周圍的近場、天線輸^阻抗和遠場方向圖等參數(shù)．對于多天線同的耦合度可通過多端口微渡網(wǎng)絡的方法來確定以三個天線為例．如圖2示，假定天線I為發(fā)射天線，天線2和天線3為接收天線，可將三天線組成的系統(tǒng)等效為三端口微波網(wǎng)絡；然后利用導納矩陣元素求解方法 就可得到三端口網(wǎng)絡的導納矩陣已知三端口網(wǎng)絡的導納矩陣后，利用矩陣參數(shù)就可求得任意兩個天線問的耦合度 例如天線I和天線2之間的耦臺度為式中

．為天線1的輸八功率； 2為天線2的接收功率； 2 為天線2的負載導納；．為端口I的輸^導納，也就是圖2所示的 線l的輸人導納 3 算法驗證

本文算法主要涉及天線同的耦合度的計算問題，F(xiàn)面對本文算法進行驗證表1分別給出 工作在300MHz的兩個半波振子之間的耦臺度以及工作在400NHz的兩個半波對稱振子之間的耦臺度在不同間距上的計算值，同時給出利用文獻l3：的近場耦合的近似公式求得的值計算中，取振子半徑為Imrn，假定接收天線負載阻抗為50~hra由表中結果所示，本文計算值與近似公式的值吻合很好，而本文的結果為數(shù)值建模計算結果，具有更高的精確性同時，文獻[3]公式只適合于計算半波振子天線，而且間距要大于等于一個波長，而本文算法適合于任意線天線間在任意間距上的耦合度計算，具有更廣泛的適應眭通過這兩個典型例子的計算和分析，充分說明了豐文算法是可行的，可以推廣到分析實際工程的問韙中．表1 本文計算的天線耦臺度與文獻[3]計算結果的此較(單位：dB4 車載多天線間的耦臺度及近場的計算結果和分析實際工程中天線相互同的電磁耦合干擾問韙往往是很復雜的 圖3給出丁一個某通信車輛經(jīng)過工程近似(忽略與波長相比很小的金屬體，整個車體為封閉導體)后的示意圖．車上放置多副HF天線、vHF天線和EHF天線，其中有接收天線也有發(fā)射天線，而且天線的工作頻段相近，甚至部分頻段相重合+由j一這么多的天線安裝在車體這樣相對很小的載體上，各天線之間的耦合干擾十分嚴重，必須對各天線同的耦合度進行分析按照前面所述的方法，對包括車體和天線在內(nèi)的整個系統(tǒng)進行了建模計算計算中將整個車體劃分為1735個矩形或三角形面元，離天線較近區(qū)域和車體邊緣區(qū)域感應電流變化劇烈，其劃分較細，離天線較遠處例如車底平面劃分較粗，并將所有天線總共劃分為101段

4．1 天線間的耦臺度分析

如圖3所示，車體上有兩副工作在2—30MHz的H}天線，分別發(fā)射和接收信號；兩副 I作在30～88MHz的VHF天線，一副UHF天線由頻帶范圍可 看出，HF發(fā)射天線的諧波會落到VHF接收無線的頻帶內(nèi)而對其產(chǎn)生干擾；HF和VHF的諧波會落到UHF天線的頻帶內(nèi)而對其產(chǎn)生于擾；另外還有其它形式的相互干擾因此 需要對各種干擾狀況進行預估分析，主要是求解其相互間的耦臺度 HF天線2(HF天線2被固定在車尾的后箱壁上，與車體不相連，中饋天線)和v吁天線I為例．分別考慮H}天線2的二次和三次諧渡對v吁天線I的干擾，經(jīng)計算可得其耦臺度表2 ttF天線2在二次諧波點上與VHI,天線1之間的耦臺度表HF二次諧波(Ml)30 騶 36 39 42 45 48 51 57 60 耦臺度(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,天線2在三次諧波點上與vHF天線1之間的耦臺度表 HF三次諧波(MHz)30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 耦臺度(dB)一14 7 —14．8 —15 6 —18 6 —23 7 —30 0 一l27 4 —26 0 —26 4 ～26 6 HF三次諧波(MHz)60 63 66 69 72 75 78 81 88 耦臺度(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分別給出廠HF天線2的二次和三次諧波點上HF天線2和VHF天線1之間的耦臺度．由表可見，HF天線2二次諧渡對VHF天線1在60MHz 下形成于擾，HI"天線2的三次諧波對VHF天線I全波段于擾．耦臺度最高選一14 7dB，最低也有一32 3dB、可見二者之問的耦臺是相當強的當兩天線同時工作13I、假設HF天線2為大功率發(fā)射天線而VHF天線1為接收天線．當VHF天線1工作頻 剛好落在HF天線2諧波 附近時必將產(chǎn)生相當大的干擾，嚴重影響VHF天線1的接收性能，因此必須對此問題加 解決實際中首先要提高HF天線2的發(fā)射機抑制諧波的能力．使其諧波發(fā)射電平盡量小．另外也可 對兩天線的工作頻率等進行合理安排． 避免干擾．另外對其他天線之間的干擾及更高敞喈波的干擾情況電進行了計算分析．4．2 天線的近場分布圖4和圖5分別給出了HF天線2和Ⅵ 天線I在30MHz發(fā)射時，周圍3O米范圍內(nèi)的 =0面h切向電場分布圖計算中假定兩無線在30MHz時的輸八駐波比為3 0．天線系統(tǒng)輻射效率為80％，HF天線2發(fā)射功率為125W．VHF天線1發(fā)射功率為65w 罔3 車體及天線系統(tǒng)的 意罔巨4 HF犬線2住30MHz時 =0 暗l上切向場分布【刳從場強分布圈可清楚的看出車體t天線)附近的電場較大．離車體越遠，電場越小；中同黑色K方形即為車體模型底平面，其上的切向電場為零：HF天線2位于車尾左刪(圖中右下方)．與車不相連．受車后平面遮擋 則天線附近<0．y<0處電場應較大．計算結果也證明了這一點；同理vHF天線1位于圖中車頂平面上側(cè)．受車體影響．其上側(cè)電場應大于下側(cè)電場，與計算結果相符；同時由圖可看出 由于'~TIF天線1放在車頂有限地面上．其電場H面近場等值錢分布不再足同心圓．而ttF天線2受車后平面影響．其H面電場等值線分布也變化較大．由圖可見發(fā)射天線周圍的電場很大．發(fā)射天線周圍蚓5 YHr天線I在31)MHz時 =0靠卜印向場分布圖空間中的其他電子設備如通信設備、電子控制設備等要安裝在合適的位置． 減少所受影響：對于較脆弱的設備和元件應該采用加屏蔽等措施進行保護．以免因電場較強燒壞元件而導致意外事故，另外對I作人員也應采取適當?shù)谋Ｗo措施． 5 結論

對r車載，艦船和 機等大型多天線系統(tǒng)．其電磁現(xiàn)象復雜．相互同的干擾嚴重．但由于模型復雜．其精確模擬相當復雜．而且受軟件硬件的約束也很大國外對于這種大型系統(tǒng)的電磁兼容的計算分析已經(jīng)很成熟．國內(nèi)的研究相對較少本文第4 期 紀奕才：車載金天線系統(tǒng)的電磁兼容問題分析以一個復雜的車載多天線系統(tǒng)為例，采用矩量法與廚絡理論相結合的方法，對天線間的耦合度進行了分析，并求出了大功率發(fā)射天線周圍的場分布，以便預估天線間的相互干擾和對周圍電子設備的潛在干擾．本文采用的模型復雜．電磁干擾現(xiàn)象嚴重，這樣的模型更接近于實際工程中的問題．因此，本文的方法和實踐對于實際工程中通信系統(tǒng)的電磁兼容問題的有效計算和預估有著十分重要的意義．

第五篇：某機載天線伺服系統(tǒng)電磁兼容設計及分析

某機載天線伺服系統(tǒng)電磁兼容設計及分析

【摘要】 本文采用近場電磁干擾源探測定位法分析了某機載天線伺服系統(tǒng)的輻射發(fā)射問題。通過對比測試數(shù)據(jù)確定碼盤及開關電源為主要輻射源，針對碼盤和開關電源輻射超標的問題采用屏蔽、接地和濾波等措施進行整改。在設計共模濾波器時使用仿真軟件CST對濾波器的參數(shù)進行仿真，最后通過電磁兼容試驗驗證整改效果，確定伺服系統(tǒng)的電磁兼容性有明顯的改善。

【關鍵詞】 電磁兼容 輻射發(fā)射 屏蔽 濾波器設計

Design and Analysis of Electromagnetic Compatibility Problems of Airborne Antenna Servo System

Wang Xiao-yu，Liu Xin，Zhang De

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

Abstract：In this paper，electromagnetic interference sources detection method is used for the analysis of radiated emission problem of the airborne antenna servo system.By comparing the test data，it is confirmed that the main source of radiation is the encoder and switching power supply.In order to solve the problem of the encoder and switch power source radiation exceed the standard，a series of measures such as shielding，grounding and filtering are adopted to carry out rectification.The parameters of filter are simulated using the CST simulation software in the design of common mode filter.Furthermore，the rectification effect is verified by the electromagnetic compatibility test.It is found that the electromagnetic compatibility of the servo system is improved obviously.Keywords：Electromagnetic compatibility，Radiation emission，Shielding，F(xiàn)ilter design

一、引言

電磁兼容（EMC）作為一門綜合性的前沿學科，在20世紀末、21世紀初的電氣及電子科學中得到迅速發(fā)展，對理論及工程實踐緊密結合的要求越來越高[1]。

現(xiàn)代社會中飛機、艦艇、汽車等各種平臺在狹窄的空間中安裝了各種功能的電子設備，在工作時這些設備會產(chǎn)生電磁干擾，對其它設備的正常工作產(chǎn)生影響[2，3]。短波通信是現(xiàn)代飛機等載體完成任務、保障安全的重要通信手段。隨著技術的進步，各種飛行器對通信質(zhì)量的要求日益高漲，導致飛行器上電子通信設備的種類和數(shù)量不斷增長。由于通信設備都安裝在飛行器殼體上，以殼體作為共地點，而在飛行期間殼體與大地并無連接，導致設備間的電磁兼容成為不可忽視的問題 [4，5]。

二、故障現(xiàn)象及分析

用戶在使用過程中發(fā)現(xiàn)，當伺服系統(tǒng)工作時，會導致短波/超短波系統(tǒng)有效通信距離縮短。使用頻譜儀觀察短波/超短波天線接收信號頻譜，在伺服系統(tǒng)工作時，在10MHz～200MHz頻段范圍內(nèi)短波/超短波天線底噪有明顯抬升，抬升幅度隨頻點不同，但最小幅度也大于10dBm。伺服系統(tǒng)組成如圖1所示，組成伺服系統(tǒng)的各設備通過互聯(lián)線纜進行通信。

采用電磁兼容三原則法進行分析，伺服系統(tǒng)是輻射源，短波/超短波天線是受影響設備，而伺服系統(tǒng)和短波/超短波天線之間無任何線纜連接，并分別由各自系統(tǒng)的隔離電源供電，因此干擾信號無法通過傳導方式達到受影響設備。并且由于伺服系統(tǒng)的供電和信號電纜長度超過10m，而10MHz信號的波長約為30m，電纜長度已滿足L≥（λ/20）的輻射發(fā)射條件，由以上條件判斷輻射發(fā)射為干擾信號的傳輸路徑。為解決該輻射發(fā)射問題，按照GJB 151A-97中對機載設備的輻射發(fā)射要求，對伺服系統(tǒng)進行垂直極化RE102測試，測試結果如圖2所示，測試曲線在30KHz～500MHz范圍內(nèi)頻譜嚴重超限，同時包括窄帶尖峰噪聲、寬帶噪聲和高密集型尖峰群噪聲三種情況。

采用頻譜儀和德國安諾尼公司生產(chǎn)的PBS系列近場探頭對組成伺服系統(tǒng)的每個設備和設備間的互聯(lián)線纜進行輻射發(fā)射檢查。使用電場探頭分別在距互聯(lián)線纜10cm和20cm的位置進行測量，觀察頻譜儀上測試曲線的峰值變化并將數(shù)據(jù)記錄于表1。采用對比法分析，由峰值變化可判斷輻射類型主要為電場輻射。同時按照頻譜儀上曲線峰值及包絡的強弱排列，可得開關電源、碼盤、設備間的互聯(lián)電纜為主要輻射源。

三、分析及整改措施

針對產(chǎn)生輻射的設備進行分析和整改，按照整改措施的難易程度進行排序為互聯(lián)電纜、碼盤和開關電源，具體措施如下。

3.1 互聯(lián)線纜

由于在進行伺服系統(tǒng)設計時，未考慮電磁兼容設計，所有的傳輸線均未使用屏蔽線纜，同時為走線美觀，將信號線和電源線集中捆扎，導致線纜間耦合嚴重，線纜整體成為發(fā)射天線。

3.2 碼盤

由于碼盤在設計時已采用金屬殼體進行屏蔽，因此對其使用近場探頭進行檢測。檢測發(fā)現(xiàn)輻射發(fā)射在碼盤插座與殼體連接處最強，拆下插座發(fā)現(xiàn)插座上安裝的密封膠圈是絕緣體，破壞了碼盤整體的電連續(xù)，將該密封膠圈更換為導電膠圈后，插座連接處的輻射發(fā)射有明顯降低。同時在碼盤的電源線和信號線上采用饋通濾波器LT1-200-332進行濾波，并將濾波器外殼有效接地，再次進行RE102測試，測試曲線已滿足GJB151A-97的要求。

3.3 開關電源

采用靠測法，使用200MHz帶寬的示波器測量開關電源的輸入及輸出端的電壓變化，在開關電源工作時觀察到輸入輸出端電壓均疊加有高頻共模噪聲，將共模噪聲在時域展寬后如圖3所示。

在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）軟件，該軟件強大的仿真能力解決了以上濾波器設計所面對的問題。設計共模濾波器如圖4所示，采用該共模濾波器并匹配合適的參數(shù)可有效抑制開關電源輸入和輸出端的共模噪聲。經(jīng)仿真可得共模濾波器在不同參數(shù)下的特性曲線，如圖5所示。

按照仿真結果設計共模濾波器，在電源輸入及輸出端串入共模濾波器后，對開關電源進行RE102測試，測試結果如圖6所示，開關電源的輻射發(fā)射已滿足GJB151A-97的要求。

采用以上措施對伺服系統(tǒng)進行整改后，再次進行RE102測試，測試曲線如圖7所示，圖7-a為水平極化測試曲線，圖7-b為垂直極化測試曲線，由圖7可知，伺服系統(tǒng)的輻射發(fā)射在垂直和水平兩個極化方向上都能滿足GJB 151A-97中機載設備的電磁輻射發(fā)射要求。

四、結論

本文采用近場電磁干擾源探測定位法對組成伺服系統(tǒng)的各個設備與互聯(lián)線纜的輻射發(fā)射情況進行了分析，依據(jù)分析結果確定電場輻射是干擾信號的主要傳輸路徑。從電磁兼容問題產(chǎn)生所必需具備的三要素出發(fā)，采用切斷傳輸路徑及減少輻射源等措施對伺服系統(tǒng)進行了整改。在設計共模濾波器時引入仿真分析軟件CST對濾波器的參數(shù)進行計算，確保整改后的伺服系統(tǒng)順利通過了水平和垂直兩個極化方向的RE102測試，改善了伺服系統(tǒng)的電磁兼容性。

參 考 文 獻

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