第一篇：機載天線結構設計研究論文

1引言

0.45m衛星通信(簡稱衛通)天線項目系某型多用途載機首次安裝如此大尺寸、高帶寬的衛通天線,國內尚無類似產品裝備可參考,并且其使用環境條件復雜,這些都對天線結構設計提出了重大挑戰。天線結構設計過程重點考慮了各結構件在載機實際工作環境下的剛度、強度問題。其中許多關鍵部位的結構件,起著支撐天線、固定通信饋線及執行伺服驅動的作用,同時承擔和隔離載機產生的振動和沖擊,并實現天線的轉動、定位和定向。天線結構件的剛度、強度、重量、轉動慣量,直接影響到天線系統的精度和可靠性[1]。在天線結構整體設計階段,采用了ProE三維設計軟件進行結構設計,采用有限元法利用大型結構設計仿真軟件MSC.Patran/Nas-tran對天線結構進行結構力學分析和仿真,加強和優化主結構件關鍵部位。仿真和實驗結果以及實際飛行使用效果顯示,天線的結構特性均能滿足技術指標和使用要求。

2系統和整機要求

根據系統要求,天線系統在飛行過程中要實現準確地手動/自動跟蹤衛星功能,依賴于天線座結構應具有足夠的剛度、強度和傳動精度,以保證整個伺服系統的結構諧振頻率,提高伺服帶寬,增加系統的穩定性、動態響應和傳動精度。此外,根據載機實際工作環境要求,在最大限度減輕載機負擔(即減輕天線重量)的前提下,應采取合理布局的設計思路以優化結構設計,使天線在使用過程中能夠排除和降低載機工作環境對其產生的不利影響,保證其可靠性,達到指標要求[2]。

3總體結構設計與優化

根據載機實際情況,在保證性能的前提條件下,要求天線的尺寸和重量到達最小,對此進行了大量的優化工作,使得0.45m衛通天線外形安裝尺寸(直徑×高度)自最初方案提出的740mm×600mm(天線罩),重量約為50kg,優化為700mm×500mm(天線罩),重量約為40kg,如圖1所示。其總體優化過程如下:天線的反射體為降低安裝高度,放棄了傳統的拋物面天線,采用了最新研發成功的低剖面波導陣列天線;座架則仍采用典型的方位-俯仰型結構以保證跟蹤的可靠性;為了減輕重量,除關鍵傳動部件采用40Cr合金鋼外,其余結構件全部選用高強度輕質鋁合金2A12-T4;由于鋁合金螺紋連接處強度不夠,且重復拆裝性不好,參考已有航空設備安裝措施,裝入鋼絲螺套以提高螺牙強度;天線與機體安裝平臺間裝有隔振裝置以降低機體振動帶給天線的影響;天線罩為降低重量,在保證抗風強度的前提下,棄用傳統的環氧玻璃布結構,采用最新的紙蜂窩夾層結構,大大降低了安裝重量;所有電纜和波導則為保證氣密性而經密封處理后通過安裝孔進入機艙內部。按照以往的工程經驗,此類機載通信/雷達天線在類似的環境和使用要求下,一般應超過此重量與尺寸。因此,與以往工程設計的不同之處之一,即在設計之初就對各結構件進行了反復的比對和二次優化。

3.1天線結構介紹

波導陣列天線的結構尺寸為597mm×300mm×17.5mm,四周切角以減小回轉半徑;經過減重處理后的重量約8kg,電氣性能與0.45m口徑拋物面天線等效,而高度和厚度則大大低于傳統的拋物面天線。采用這種天線的優勢包括剖面低、輻射效率高、口徑分布控制精確、低副瓣、波束指向穩定、功率容量大、剛度和強度好、結構緊湊、厚度薄、相對重量輕、可靠性高等優異的電氣和結構性能等。

3.2天線座架結構設計與優化

天線座架采用典型的方位-俯仰形式,結構緊湊,受力情況合理,調整方便;設計選定承載能力強、剛度好、重量輕、結構緊湊的轉臺式結構;因而從整體幾何尺寸的優化滿足了最小安裝空間的要求。俯仰機構的轉動支撐采用了圓錐滾子軸承,可同時承受徑向力和軸向力,以最輕質最緊湊的結構滿足天線支撐的需要。關鍵件俯仰支臂用厚鋁板加工而成,其主要受力部位為軸承孔及與方位轉盤的連接面,因此必須在保持結構強度要求的前提下,對支臂的非承力部分進行減重優化設計,具體做法如下:整體按照最小幾何尺寸布置;保留軸承孔周邊最小結構尺寸;與方位轉盤、驅動、軸角裝置的連接面相應保留足夠厚度;保留一側面的相對完整,另一面完全成空腔結構;增加與軸承孔的兩道同心加強環筋,并根據此零件結構力學特性將其布置在最優強度位置。此外,根據以往工程設計經驗,俯仰支臂與方位機構的的連接根部和俯仰傳動鏈末級兩處通常是整個座架結構的最薄弱環節,因此在這兩點處預先進行了局部二次加強,加厚并盡可能圓滑支臂的連接根部,其優化過程如圖2所示。

方位機構的核心傳動部件轉盤軸承,優選了應用廣泛的帶外齒的四點接觸球軸承,使天線座架在保持緊湊的結構和較輕的重量的前提下,能同時承受較大的軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩和雙向推力載荷,還優化了方位總傳動比。另一重要部件滑環,采用具有超長壽命、免維護、無需潤滑、外形緊湊的空心軸多路滑環。方位運動的另一核心部件方位轉盤同樣用厚板材加工而成,負擔著天線和俯仰支撐的重量,并要具備足夠的剛度,其優化思路過程與俯仰支臂相似,也包括軸承結構保留、連接面強化、空腔化減重及同心加強環筋的布置,其優化過程如圖3所示。方位驅動和俯仰驅動均選用輕質、緊湊、高輸出扭矩的直流減速電機,末級增加間隙調整裝置,可調節傳動回程間隙。將經過優化設計的結構模型再由力學仿真進行分析驗算。

4天線結構的力學分析

由于天線的質量分布很復雜,很難用解析的方法得到其解析解,因此采用專業有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進行力學分析和仿真。

4.1有限元模型的建立

天線整體結構的有限元模型包括反射體、座架結構、俯仰齒輪及其連接支撐結構、方位轉動機構等。為降低軟件的計算量和復雜度,先對天線整體結構進行簡化,去掉冗余節點,再采用MSC.PATRAN軟件單獨對其組成零件劃分網格,最后將劃分好的網格進行組裝。采用了映射網格劃分方法,面上網格全部為四邊形,體則全部為六面體,這種劃分能夠更準確地描述天線座架結構的應力和位移情況[3]。模型的約束條件如下:天線座架的2個俯仰軸系各有一點的3個轉角自由度釋放,方位軸系釋放繞垂直軸轉角自由度及垂直方向位移自由度,約束其余4個自由度。模型的材料屬性如下:天線座架的各軸、軸承、齒輪定義屬性為鋼40Cr,而其他零件定義屬性為硬鋁2A12-T4。建立的天線結構有限元模型如圖4所示。

4.2模態分析

天線座架是一個復雜的彈性系統,如果其結構固有頻率與伺服帶寬靠近甚至落入伺服帶寬之內,各種伺服噪聲就會激發系統發生諧振,造成伺服系統不穩定,無法工作,甚至使結構破壞。為保證伺服系統的穩定性,并有足夠的穩定裕度,通常要求結構固有頻率高于伺服帶寬3~5倍[4]。通過計算得到天線結構模型的固有頻率,在第1、2、3、4階模態下,其值分別為28.7Hz、29.2Hz、51.4Hz、60.8Hz,而本天線伺服系統的帶寬為2.7Hz左右,可見固有頻率遠大于伺服系統的帶寬,因此,天線的伺服系統擁有足夠的穩定裕度。

4.3沖擊振動分析

依據實際環境使用要求,沖擊環境條件為:采用半正弦脈沖,峰值加速度15g,脈沖寬度11ms,3個互相垂直軸,6個軸向施加。對模型施加沖擊載荷并進行有限元分析,得到了如下分析結果:最大應力出現在z軸(圖5),可以看出最大應力處位于俯仰支臂的連接根部位置,最大應力值為109MPa,小于材料的屈服極限σ0.2=275MPa。所以,在給定的沖擊載荷條件下,結構滿足強度要求。振動條件見圖6振動譜,其中額外迭加的4處定頻振動峰值依次為1.6g、2.5g、1.7g、1.5g。對模型施加振動載荷并進行有限元分析,得到了如下分析結果:最大應力出現在y軸(圖7),同樣位于俯仰支臂的連接根部位置,其高斯分布規律的應力3σ值為178MPa,小于材料的屈服極限值σ0.2=275MPa。所以,在給定的隨機振動條件下,結構滿足強度要求。

4.4實驗結果驗證

按照要求對完成的設備進行沖擊振動實驗,從結果來看:主結構件經優化過的關鍵部位未出現以往相似工程中出現的剛度、強度不足的問題;改用輕質材料或采取減重措施的零部件受力情況與分析結果基本一致,均能滿足設計要求;天線整體頻響特性較好,在功能實驗全程中運行正常,能夠滿足跟蹤要求。

5結論

在0.45m機載天線的設計中,對載機的工作模式和環境特點進行了較為深入的研究,找出了結構設計過程中需要增強或優化的多個關鍵點,驗證了天線結構的力學性能對伺服系統的重要性。在天線結構的設計與優化過程中,采用專業軟件較好地解決了天線結構尺寸重量強度的優化設計、載機環境適應性等主要問題。天線系統精度較高,結構性能良好,從實際飛行過程中的具體通信效果來看,電氣、伺服、結構等各項性能指標均完全滿足系統要求。

由于國內機載衛星通信應用尚處于初步階段,0.45m機載天線的研究結果對類似的機載雷達/通信天線的研發可以提供相應的技術參考和借鑒。需要指出的是,各種載機平臺擁有各自不同的特性,對天線結構的要求也相應有所不同,建議今后對不同的載機平臺,應進一步增加針對性的設計工作。

第二篇：機載天線電磁兼容分析

姓名：周慧

學號：2011201270

專業：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，要實現這些戰術指標，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）設備產生并通過天線輻射的電磁環境中，保證機載設備的兼容性是相當重要而復雜的問題。在飛機系統的研制、生產和安裝過程中有必要研究其變化后的電磁環境，對其兼容性狀態進行分析，從而保證機載系統的正常工作。

機載通信系統中，由于系統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據，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，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，確定關鍵性區域和關鍵性設備，確定干擾測試的重點，并為今后系統及設備設計和系統使用提供數據。

二、機載天線電磁兼容的基本理論

天線的電磁兼容，指天線或天線系統在共同的電磁環境中，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。即某一設備上的天線既不會由于受

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到處于同一電磁環境中的天線布局、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”的雙向轉換，即將空間中的電磁場能量接收至傳輸線內成為導波，或將傳輸線內的導波輻射至空間形成電磁波。

2、多數天線輻射能量大、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量級。

本質上講，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：電磁兼容實現手段、電磁兼容效果計算分析和天線布局優化設計。

1、電磁兼容實現手段

目前實現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、帶內帶外特性和天線之間的空間對收發天線間能量耦合的貢獻。為準確表達天線間的隔離程度，將發射天線的發射功率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場的情況下，其能量耦合主要通過輻射場實現。

設發射天線發射功率為P ta，增益為Gt，接收天線的接收功率為Pra，增益

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專業：電磁場與微波技術

為Gr。接收天線與發射天線間的距離為D，一般情況下，收發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。當收發天線外形尺寸與D 相比較小時，收發天線均可近似被認為是具有一定方向性的點源，則發射天線發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為收發天線直視情況下的空間隔離，Ld由收發天線間的距d?離D和分析波長λ等因素決定，Gt為發射天線在接收方向的天線增益，應根據收發天線的相對位置從機載發射天線增益方向圖中讀取；Gr為機載接收天線在發射方向的天線增益，應根據收發天線的相對位置從天線增益方向圖中讀取。

當收發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，而是通過近區束縛場或近區感應場實現。

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節，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，電磁場數值計算技術日益成為應用電磁學領域內的一個研究熱點。由于數值計算方法直接以數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、多介質和復雜交界面等情況。其所形成的代數方程系數矩陣具有對稱、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。由于具有這些優點，有限元法成為國內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，因此機載天線系統是電大尺寸系統，對此系統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，它無法解釋繞射現象。當幾何光學射線遇到任意一種表面不連續的情況，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。按幾何光學理論，陰影區的場應等于零，但實際上陰影區的場并不等于零。為了解除幾何光學場的不連續性問題，并對幾何光學場計為零的場區中作出適當修正，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飛機電子系統中各分系統的天線布置應充分發揮各分系統的戰技性能，○完成各自所擔負的任務。

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2分系統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和前后。

2GPS天線布置 ○GPS 接收天線，它用于接收衛星信號，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，通過不斷的調整天線的位置，最終找到最佳的天線布局方案。

四、國內外機載天線布局和EMC的發展動態

西方發達國家早在二戰后就對飛機的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驗，取得了較好的效果。如美軍先后研究出F-4，F-15系列飛機EMC分析方法和數學模型，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濟效益。海灣戰爭、科索沃戰爭及近期的反恐戰爭等，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，而戰爭中美國飛機的卓越性能都體現了研究飛機天線系統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，而且發展速度緩慢，導致我國與發達國家拉下很大距離。目前，我國已經有一些部門和單位開始重視并從事這方面的工作，實現技術的跨越式發展，可望在不遠的未來趕上先進發達國家的水平，從而能夠利用EMC控制，使系統和設備與環境相融合，完成對電子設備的一體化設計。

參考文獻

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第三篇：某機載天線伺服系統電磁兼容設計及分析

某機載天線伺服系統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的輻射發射問題。通過對比測試數據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，確定伺服系統的電磁兼容性有明顯的改善。

【關鍵詞】 電磁兼容 輻射發射 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，Filter 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展，對理論及工程實踐緊密結合的要求越來越高[1]。

現代社會中飛機、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生電磁干擾，對其它設備的正常工作產生影響[2，3]。短波通信是現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、故障現象及分析

用戶在使用過程中發現，當伺服系統工作時，會導致短波/超短波系統有效通信距離縮短。使用頻譜儀觀察短波/超短波天線接收信號頻譜，在伺服系統工作時，在10MHz～200MHz頻段范圍內短波/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。伺服系統組成如圖1所示，組成伺服系統的各設備通過互聯線纜進行通信。

采用電磁兼容三原則法進行分析，伺服系統是輻射源，短波/超短波天線是受影響設備，而伺服系統和短波/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）的輻射發射條件，由以上條件判斷輻射發射為干擾信號的傳輸路徑。為解決該輻射發射問題，按照GJB 151A-97中對機載設備的輻射發射要求，對伺服系統進行垂直極化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的PBS系列近場探頭對組成伺服系統的每個設備和設備間的互聯線纜進行輻射發射檢查。使用電場探頭分別在距互聯線纜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據記錄于表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、設備間的互聯電纜為主要輻射源。

三、分析及整改措施

針對產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電纜、碼盤和開關電源，具體措施如下。

3.1 互聯線纜

由于在進行伺服系統設計時，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。檢測發現輻射發射在碼盤插座與殼體連接處最強，拆下插座發現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，將該密封膠圈更換為導電膠圈后，插座連接處的輻射發射有明顯降低。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可有效抑制開關電源輸入和輸出端的共模噪聲。經仿真可得共模濾波器在不同參數下的特性曲線，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，開關電源的輻射發射已滿足GJB151A-97的要求。

采用以上措施對伺服系統進行整改后，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，伺服系統的輻射發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的各個設備與互聯線纜的輻射發射情況進行了分析，依據分析結果確定電場輻射是干擾信號的主要傳輸路徑。從電磁兼容問題產生所必需具備的三要素出發，采用切斷傳輸路徑及減少輻射源等措施對伺服系統進行了整改。在設計共模濾波器時引入仿真分析軟件CST對濾波器的參數進行計算，確保整改后的伺服系統順利通過了水平和垂直兩個極化方向的RE102測試，改善了伺服系統的電磁兼容性。

參 考 文 獻

[1] 戴斌，張炫.某雷達產品關于RE102試驗問題分析[J].火控雷達技術，2012，41（1）：76-80

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[3] 紀奕才，邱楊，陳偉，等.車載多天線系統的電磁兼容問題分析[J].電子學報，2002，30（4）：560-563

[4] 劉瑩，謝擁軍，張勇.車載集群通信系統“自頂向下”電磁兼容設計[J].電子科技大學學報，2010，39（5）：720-724

[5] 田錦，謝擁軍，辛紅全，等.復雜系統電磁兼容評估的改進TOPSIS方法[J].電子學報，2013，41（1）：105-109

第四篇：消費類電子產品論文：消費類電子產品天線阻抗匹配的研究

消費類電子產品論文：消費類電子產品天線阻抗匹配的研究

【中文摘要】消費類移動電子產品逐漸成為人們日常生活的必需品,消費類電子產品有智能手機、MID、PND及最近流行的平板電腦等,在這些電子產品中,普遍存在一個或多個無線接收或發射裝置,天線是發射或接收電磁波的關鍵器件。但有些天線單純依靠它本身的結構及特性,很難達到最佳接收或發射效果。如何根據不同的天線特點在大規模生產的時候進行有效匹配,滿足這些天線收發性能指標的設計要求就成了一個重要課題。本文對一些主要的天線特點、性能的設計要求及阻抗匹配方法進行了介紹。較詳細地分析了GPS天線阻抗特性及匹配方法、WIFI和藍牙阻抗特性及匹配方法、FM天線阻抗特性及匹配方法。在消費類移動電子產品中要求匹配電路簡單,生產效率高,滿足用戶要求及使用方便,其中寬帶天線往往是一個難點,因為簡單的電路快速匹配與寬帶系統本身就矛盾。本文重點研究寬帶U波段數字電視拉桿天線的特點及阻抗匹配方法,通過利用MATLAB工具箱遺傳算法函數和實測數據仿真計算來實現消費類便攜式電子產品天線阻抗匹配。最后以一實際的拉桿天線為例,結合實測數據,應用Matlab遺傳算法工具箱,求得其相關參數后,再去指導實際的匹配,得到最后的匹配參數。實例證明了本文提出的基于Matl...【英文摘要】Consumptively mobile electronic-products such as smart phones, MID, PND and fashionable Tablet PC, etc.are indispensable in the society.In these electronic products, one

or more wireless receiver or transmitter device is necessary.So, the antenna is of utmost importance since it is the key device to transmit or receive electromagnetic waves.However, it is difficult to achieve the best receiving or transmitting performance just relying solely on the structure and properties of the antenna itself.So, it...【關鍵詞】消費類電子產品 天線阻抗匹配 Matlab遺傳算法 拉桿天線

【英文關鍵詞】Consumptive electronic products Impedance matching MATLAB genetic algorithm Rod antenna 【目錄】消費類電子產品天線阻抗匹配的研究4-5Abstract5-6

第1章 緒論9-13

摘要

1.1 課題1.3 研究第2章 研究的背景9-10的主要內容和方法

1.2 國內外研究現狀10-1111-12

1.4 本文思路12-13

2.1 網絡參數介紹阻抗匹配網絡相關研究13-2013-1713-14帶寬15-172.1.1 天線的輸入阻抗及調諧器的輸入阻抗2.1.2 天線的反射參數14-15

2.1.3 匹配網絡

2.2.1 匹

2.2 天線匹配網絡的作用17-19

2.2.2 匹配網絡的作用配網絡的影響17-1818-1919-2020-332.2.3 匹配網絡的結構192.3 本章小結第3章 消費類電子產品天線阻抗匹配結構及方法3.1 GPS天線阻抗特性及匹配方法20-23

3.1.1

GPS天線簡介203.1.2 GPS天線阻抗特性20-223.1.3 GPS天線匹配結構及匹配方法22-23及匹配方法23-25WIFI及藍牙阻抗特性25

3.2 WIFI及藍牙阻抗特性

3.2.2

3.2.1 WIFI及藍牙簡介23-2424-25

3.2.3 WIFI及藍牙匹配方法

3.3.1 FM天3.3.3 FM天線3.3 FM天線阻抗特性及匹配方法25-283.3.2 FM天線阻抗特性

25-27線簡介25阻抗匹配方法27-28及匹配結構28-31

3.4 移動數字電視U波段天線阻抗特性3.4.1 移動數字電視簡介28

3.4.2 移動數字電視接收基本原理28-29阻抗特性29-30配的狀況30-31及問題31-32

3.4.3 移動數字電視天線

3.4.4 移動數字電視拉桿天線實際的阻抗匹3.5 目前解決寬帶天線快速匹配的主要方法3.6 本章小結32-33

4.1 遺傳算法

第4章 遺傳算法及33-39

4.1.1 遺傳MATLAB工具箱33-43算法概述33-3434-37

4.1.2 遺傳算法的一些基本概念

4.2 4.1.3 遺傳算法處理過程及流程37-39Matlab工具箱及遺傳算法函數39-42具箱39-4141-42

4.2.1 Matlab及函數工

4.2.2 MATLAB遺傳算法需要使用的函數4.3 本章小結42-43

43-64

第5章 基于遺傳算法的拉桿天線匹配網絡設計43-44

5.1 拉桿天線匹配網絡結構

5.3 拉桿5.2 拉桿天線沒有匹配的主要參數44天線匹配網絡數學表達44-46算法實現46-63

5.4 拉桿天線匹配網絡的遺傳

5.4.1 拉桿天線無匹配網絡時的測試及計算

結果46-51算法設計匹配網絡正55-6364-65

5.4.2 匹配阻抗表達式52-55

51-525.4.3 遺傳

5.4.4 仿真結果進行實際匹配及修

第6章 結論與展望

在攻讀碩士5.5 本章小結63-64參考文獻65-68

致謝68-69學位期間發表的論文

第五篇：可重構天線研究

可重構天線設計

近年來，無線通信技術得到飛速發展，系統對天線性能的要求越來越高。大容量、多功能、超寬帶是目前無線通信系統發展的重要方向，為了提高系統容量，下一代無線通信將更多的考慮采用MIMO技術。MIMO技術指的是利用多個發射天線和多個接收天線進行無線傳輸的技術，在分集技術出現后多徑效應在MIMO系統中作為一個有利因素被加以利用，從而改善了每一個用戶的服務質量及提高了頻譜利用率。但是，隨著使用天線數目的增加，通信系統的整體成本和重量也隨之增加，而且會帶來電磁兼容方面的問題，使得MIMO技術實現的復雜度和成本大幅度增高，不能充分發揮其技術優勢。技術相對成熟的相控陣天線又存在饋電網絡復雜、需增加移相器以及由此造成的高成本和高技術難度等缺點。可重構天線在這種背景下應運而生。

可重構天線就是采用同一個天線或天線陣，通過引入開關器件控制天線的輻射結構來實現工作模式的轉換，使其具有多個天線的功能。這種天線能夠根據應用需求改變其關鍵特性參數，如工作頻率、輻射方向圖、極化方式、雷達散射截面和輸入阻抗等，具有不用人工干預，便于控制等特點。可重構天線為天線技術的發展帶來了一次革命，為提高無線通信系統容量、擴展系統功能、增加系統工作帶寬、實現軟件無線電等方面提供重要的技術保障，將對無線通信技術帶來深遠的影響。

可重構天線按照功能可分為頻率可重構天線、方向圖可重構天線、頻率和方向圖同時可重構天線、極化可重構天線等。方向圖是天線的一個重要特性，在軍民用雷達、智能武器制導、無線通信等系統中要求天線具有方向圖可控性，因此，方向圖可重構天線是可重構天線研究的重要方向。

1可重構天線基本原理

天線設計是一個很復雜的電磁問題, 雖然天線的種類形形色色, 但其本質歸根到底就是設計一個具有特定電流分布的輻射體。天線所要求的各個參數都是由其輻射體或包圍輻射體的封閉面上的電流分布決定的。可重構天線作為一種新型的天線, 之所以可以重構天線的參數、具有可切換的不同的工作模式, 其本質也就是通過改變天線的結構進而改變天線的電流分布來實現的。因此, 可重構天線的設計需要高效的電磁分析手段, 而不是等同于多個傳統天線的簡單疊加。目前在可重構天線設計的電磁分析中廣泛使用的方法有: 時域有限差分法(FDTD)、有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)、矩量法(MOM)等。特別是FDTD, 由于它具有建模容易、計算時間短、對電磁特性模擬精確等優點, 因此在可重構天線的設計中有很大的應用價值。

2頻率可重構天線

理想的頻率可重構天線指的是保持天線其他特性不變，在一定范圍內具有對頻率的調諧或切換能力的大線。重構天線工作頻率的方法有：加載開關，加載可變電抗元件，改變天線機械結構，以及改變天線的材料特性。這些方法都依據相同的工作原理:改變大線的有效電長度從而使相應的L作頻率發生變化。

線天線，環天線，縫隙天線和微帶天線都屬于諧振天線。對于這些類型的大線而言，天線的有效電長度主要決定了天線的工作頻率、帶寬(分數帶寬一般不超過10%，常見數值在1%到3%之間)和天線上的電流分布。比如，對于傳統的線性雙極大線，一階諧振發生在天線長度接近半個波長處，這時天線表面的電流分布導致了水平全向的輻射模式。因此，如果我們希望使該天線工作于更高的頻率，我們可以縮短雙極天線的長度，而這個長度對應于改變后的工作頻率的半個波長，這樣便達到了頻率重構的目的。以上準則不僅對于雙極大線成立，也同樣適用于環天線、縫隙天線和微帶天線。

2.1開關可重構

天線的有效電長度可以通過加載開關的方法加以控制改變，從而達到重構天線頻率的目的，比如光學開關，PIN二極管開關，FET開關，以及射頻為電子機械系統——MEMS開關等。據文獻中介紹，光學開關相對于其他類型的開關，有助于減少開關數量并且降低開關偏置線的影響。

2.2加載可變電抗

加載可變電抗元件的重構方式與加載開關的重構方式基本相同，兩者的區別只在于，前者能夠在一定范圍內實現對頻率的離散切換，后者則可以在兒個頻率之間進行連續調諧。

文獻中一種連續調諧微帶貼片天線，就是在天線的兩輻射邊分別加載變容一極管。變容管的反偏電壓范圍在0到30V之間，對應其電容值可以從24連續變化至0.4pF。隨著偏置電壓的改變，加載貼片邊緣的電容值對天線的有效電長度進行調諧，由此可獲得一個大帶寬連續頻率調諧范圍。

2.3改變機械結構

相對于電重構方式，采用機械方式重構天線結構能夠獲得更大的頻率變化，不論是在開關離散重構還是連續變化重構的情況下。這種重構方式的主要挑戰在于天線的物理設計，激勵機制，以及在結構發生巨大的變化的同時對天線其他特性性狀的保持上。一種通過機械結構變化而連續調諧天線頻率的的例子是一個磁制動微帶天線。天線工作于26GHz附近。在天線表面附著一層很薄的磁材料，天線的輻射片與介質基片構成一定的角度.利用一種被稱為塑料變形組裝的微機械加工過程，對該天線施加外加的DC磁場可以使粘合在基片上的彎折塑料部分變形，從而導致輻射貼片與基片的夾角發生變化。角度上小的改變會導致工作頻率的變化而保持輻射特性無明顯變化;而大的角度變化則在改變工作頻率的同時，使天線的輻射方向圖也發生明顯的改變。特別是當貼片與水平基片之間的仰角超過45度時，天線的方向圖更接近一個喇叭天線，而當仰角接近90度時，天線的方向圖則過渡為單極天線的形式。

2.4改變材料特質

雖然對導體重構的設計思想在可重天線設計中占主導地位，改變天線的材料特性同樣能夠到達對天線頻率的調諧。應用靜電場可以改變鐵電體材料的相對介電常數，而應用靜磁場可以改變鐵氧體材料的相對磁導率。這些相對介電常數和磁導率的變化會導致天線有效電長度的改變，從而改變天線的工作頻率。這一方法本質上的一大優點是，這類材料的相對介電常數和磁導率比較一般常用材料的相應數值要高，這可以顯著減小天線的尺寸。而這一方法的主要缺點則是，這些標準鐵電體和鐵氧體材料(通常厚度在毫米量級)相對于其他類型基片的高傳導率會嚴重損害天線的效率。

3極化可重構天線

天線極化可重構性作為一種附加的自由度，通過在系統使用中切換天線的分集方式，可以有助于提高系統在變化的環境中對干擾信號的免疫能力，從而達到改善鏈路質量的效果。天線表面的電流方向決定著天線遠區電場的極化方式。為獲得極化可重構性，天線結構，材料特性，或者饋電結構必須改變天線表面的電流方向。極化可重構可以是不同方向的線極化之間的重構、左旋或右旋圓極化之間的重構，或者是線極化與圓極化之間的重構。達到這些改變的機制(比如改變開關狀態或結構)與前面描述的頻率重構機制基本相同，當然，它們具體的實現方式有所差異。該種重構性主要的實現困難在于，在實現極化可重構性的同時要保持天線的阻抗或頻率特性的穩定。

由于微帶天線易于產生線極化和及圓極化波的優點，現今文獻中報道的極化可重構大線設計基本都是基于微帶天線形式的。

Fries等人研制了一種帶有PIN三極管開關的縫隙環天線。該天線可以實現線極化與圓極化、或左旋與右旋圓極化狀態之間的切換。對于線極化/圓極化設計，將位于45°和一135°方向的兩個二極管正偏可獲得線極化特性，反偏則獲得圓極化特性。為實現左旋與右旋圓極化狀態之間的重構，在設計中增加了對稱的不連續結構。在兩種設計中，為開關提供適當的OC偏置的同時又要保證RF信號的連續性(采用電容連接地平面各部分)，所以對地平面的設計尤其重要。該結構說明了相對于傳統的固定天線，為使天線具有可重構性需要附加元素的重要性——基本輻射結構可能大致相同，但是在提供DC偏置連接和保持RF信號穩定方面則需要做重大調整。

4方向圖可重構

理想的方向圖可重構天線指的是，在保持天線其他特性參數不變的情況下對輻射方向圖具有調節能力的天線。天線輻射結構上電流或磁流的分布情況直接決定了天線的空間輻射方向圖的形狀。由于這種源電流與由其導致的輻射方向圖之間的對應關系，使得在保證頻率特性不發生很大改變的前提條件下獲得方向圖重構性能變得十分困難。天線設計者首先要確定所需的電流分布(包括幅度和相位信息)。一旦所需的電流分布拓撲結構確定下來，設計者根據這一點選擇一種基本的天線形式，然后對其做必要改動最后實現期望的電流分布形式.這一設計過程與陣列合成技術十分相似。剩下的任務就是考慮如何修改設計以保證天線終端的阻抗特性不發生大的改變，或者為改變的阻抗特性提供可調節的補償匹配電路。在某些情況下，可以選擇諸如反射器天線或寄生禍合天線結構。這類天線的輸入端與天線結構的重構部分具有更好的隔離，這就允許天線的阻抗特性不隨方向圖的重構而發生改變。

5國內外研究現狀

雖然可重構天線在近年來得到了高度重視，并且研究發展迅速，但是在具體實現上還存在一些難點和瓶頸。首先，開關的引入會影響天線的電流分布，天線產生的輻射場，對射頻開關的性能也會帶來影響，而目前有不少關于可重構天線的研究并沒有采用真實的開關。其次，可重構天線的研究成果中極少提到偏置電路的設計思路。最后，可重構天線包含了天線本身、射頻開關、直流偏置電路等方面的內容，而絕大部分的研究僅限于開關和天線本身，很少有對可重構天線進行整體性研究的例子。

通常為了衡量天線的性能，我們關注天線的兩種類型參數性能，一是天線的輸入端口阻抗隨頻率變化的性能(或稱天線的頻率響應特性);一是天線的遠場輻射性能(或稱輻射模式)。天線作為一種換能器裝置能夠將波導中傳播的導行波轉化為自由空間傳播的電磁波。因此天線兼具路和場的性質。作為電路一部分的天線模塊，相對于饋線來說是一個一端口負載元件，其輸入阻抗和帶寬由天線類型、天線表面源分布情況和周圍環境等因素決定。尤其是輸入阻抗，對于饋電點附近的物理細節十分敏感.另一方面，電磁波的輻射是由時變電流元和磁流元產生的，作為空間輻射源的天線模塊，其上的時變源的分布狀態決定著它的遠場輻射模式。改變天線的表面電流或磁流分布狀態就能夠改變它的空間輻射特性(這也是重構 天線輻射模式的著眼點)，但同時天線的頻響特性也發生變化;反之為了改變天線的頻率響應而改變天線表面的源分布也會影響其空間輻射性能。由此我們可以獲得如下結論:對天線的頻率響應和輻射模式參數的兩者之一進行重構勢必會影響天線另一個參數的性能。即，頻率響應的改變會對輻射模式產生影響:而天線輻射模式的變化也同樣會影響天線的頻率響應性能。而可重構天線終極的研究目標是希望獲得對天線的各個參數進行分別獨立控制的能力。因此這種頻率響應與輻射模式之間的關聯性質成為可重構天線設計者面臨的最大挑戰。國內外對可重構天線重構參數的研究主要集中在頻率、方向圖、極化方式等方面，其中頻率可重構天線的研究成果較多。近來，人們將分形天線引入到可重構天線研究中，在分形天線口徑的適當位置安裝MEMS開關，通過調節開關狀態，可以實現天線的頻率重構或方向圖重構。由于分形圖形具有自相似性，因而分形天線具有重構工作頻率的潛力。目前，國內才剛剛開始對分形天線進行可重構方面的研究工作，而國外的研究也多在頻率重構方面，方向圖重構方面的研究進行得相對較少。