车载多天线系统的电磁兼容问题分析

车载多天线系统的电磁兼容问题分析纪奕才,邱　扬,陈　伟,孙保华,刘其中(西安电子科技大学,陕西西安710071) 摘　要:　本文采用矩量法和微波网络理论相结合的方法分析了车载多天线系统的电磁兼容问题.该方法先将天线系统等效为微波网络,然后采用矩量法求解该等效网络的导纳矩阵Y ,利用该导纳矩阵就可求得天线间的耦合度.文中也对发射功率较大的天线的近场分布进行了分析.关键词:　电磁兼容;矩量法;网络;耦合度;近场中图分类号:　TN820 文献标识码:　A 文章编号:　037222112(2002)0420560204AnalysisofEMCProblemsoftheVehicularMultipleAntennasSystemJIYi 2cai,QIUYang,CHENWei,SUNBao 2hua,LIUQi 2zhong(Xidian University,Xi ′an ,Shaanxi 710071,China )Abstract:　ThemomentmethodcombinedwiththeoryofmicrowavenetworkisusedfortheanalysisofEMCproblemsoftheve 2hicularmultipleantennassystem.First,themultipleantennassystemisequivalenttoamicrowavenetwork,thentheadmittancematrix Y ingtheadmittancematrix,wecanobtainthecouplingbetweentwoan2tennas.AndthenearfieldoftheantennaswithhighRFpowerisalsocalculatedinthispaper.Keywords:　EMC;momentmethod;network;coupling;nearfield1　引言 随着电子技术、通信技术的快速发展,越来越多的电子设备被集成在一个系统中,同时,一个电子系统可能需要几副甚至十几副工作在不同波段的天线来接收或发射电子信号,例如一架飞机或一艘军舰上会装载各种各样的完成不同功能的电子设备及其天线.同一系统中不同天线的近场耦合很强,严重干扰了各收发电台的正常工作,因此怎样预估及避免这种干扰,对于通信设备的正常工作至关重要.另外,当天线发射功率很大时,其周围的电子设备也会受到很强的干扰,而无法正常工作,因此天线近场的预估也是电磁兼容的一个重要问题.对于天线特别是线天线的分析计算主要以矩量法(MOM )为主,文献[1,2]对矩量法做了十分详尽的论述.对于耦合度的求解,文献[3]采用近似公式法,得到较好结果,但只适合于半波振子之间的耦合;另外还从矩量法求解天线时生成的导纳矩阵中取出两天线馈电段的自导纳和互导纳来计算天线间的耦合度,而两天线间的耦合不仅与导纳矩阵有关,还受天线的馈电方式以及匹配网络的影响.因此这些方法都存在一定的局限性.本文在前人工作的基础上,采用矩量法和微波网络理论相结合的方法,对一复杂车体上的多个天线间的耦合度进行了计算,并得到大功率发射天线的近场分布,为多天线系统的电磁兼容问题的分析做了十分有意义的尝试.2　理论分析及矩量法建模 对于安装在车辆、飞机等上的线天线多涉及线面连接问题,常用的处理方法是将车体或飞机体用封闭的金属导体面近似,并在导体面上采用磁场积分方程来求解电流分布,在导线上采用电场积分方程来求解,而对于线面相连接的区域比较复杂,其积分域包括直线段和导体面,需要采用电场积分方程和磁场积分方程相结合来求解[5,6].采用矩量法进行求解时,首先将线天线分成若干段,将导体面剖分为若干个面元(矩形面元或三角形面元等);然后选用合适的基函数,并将线上电流I (l )和面上电流J (r )分别展开成这些基函数的叠加.在线上本文采用的的展开函数为正弦插值基函数I i (l )=A i +B i sin k 0(l -l i )+C i cos k 0(l -l i ),|l -l i |≤Δi /2(1)式中的l i 为第i 段的中心位置,Δi 为第i 段的长度.三个待定参数A i ,B i ,C i 中的两个可通过线段两端的电流和电荷连续性条件确定,另外一个参数通过矩量法求解.收稿日期:2000201215;修回日期:2001205224065第4期2002年4月电 子 学 报ACTAELECTRONICASINICA Vol.30　No.4April 2002 对于面元上的电流,为简化计算,采用脉冲基函数展开,如下J s =∑N pj =1[J 1j ^t 1j(r j)+J 2j^t 2j(r j)]δj(r )(2)式中r j 为第j 个面元的中心位置,^r 1(r j )和^r 2(r j )是面元上r j 处的两个相互正交的单位切向矢量,δj (r )为脉冲基函数,当r 在第j 个面元上时δj (r )=1,否则,δj (r )=0,参数J 1j 和J 2j 分别为第j 个面元上在^t 1(r j )和^t 2(r j )方向上的表面电流密度,它们也通过矩量法求解.在天线和导体面相连接处的电流分布比较复杂,需要进行特殊处理.文献[5～7]中都对线面连接的问题进行了分析,其中文献[5]采用圆形连接段来处理此类问题,但它要求圆面半径012λ的条件.当天线架设位置离导体面边缘时很近时该条件往往无法满足,文献[6,7]中介绍的矩形连接段可以克服这一困难.如图1示,取线面连接点周围的四个矩形面的区域进行单独处理.为保证线面相连区域电流的连续性,ABCD 面上电流须满足如下条件[6]S ・J S (x ,y )=J 0(x ,y )+I 0δ(x ,y )(3)式中δ(x ,y )为二维δ函数, S 为面散度,J 0(x ,y )是在ABCD 区域上连续的函数,I 0是线面连接处的电流.对式(3)的求解方法有很多,本文处理方法与文献[6]相类似.图1　线面相连处的结构示意图 图2　发射天线和接收天线系统示意图及其等效网络　 将上述电流展开并代入电场或磁场积分方程中,并采用点选配的方法进行检验,就得到了一个矩阵方程,求解该矩阵方程就可得到线上和面上的电流展开系数,进而可得到天线上和面上的电流、周围的近场、天线输入阻抗和远场方向图等参数.对于多天线间的耦合度可通过多端口微波网络的方法来确定.以三个天线为例,如图2示,假定天线1为发射天线,天线2和天线3为接收天线,可将三天线组成的系统等效为三端口微波网络;然后利用导纳矩阵元素求解方法[4]就可得到三端口网络的导纳矩阵.Y =Y 11Y 12Y 13Y 21Y 22Y 23Y 31Y 32Y 33(4)已知三端口网络的导纳矩阵后,利用矩阵参数就可求得任意两个天线间的耦合度,例如天线1和天线2之间的耦合度为C 12=P L 2P in 1=R e (Y L 2)R e (Y in 1)Y 23Y in +Y 21Y 13-Y 11Y 23Y 12Y 23-Y 13Y 22+Y 13Y L 22(5)式中P in 1为天线1的输入功率;P L 2为天线2的接收功率;Y L 2为天线2的负载导纳;Y in 为端口1的输入导纳,也就是图2所示的天线1的输入导纳.3　算法验证 本文算法主要涉及天线间的耦合度的计算问题,下面对本文算法进行验证.表1分别给出了工作在300MHz 的两个半波振子之间的耦合度以及工作在400MHz 的两个半波对称振子之间的耦合度在不同间距上的计算值,同时给出利用文献[3]的近场耦合的近似公式求得的值.计算中,取振子半径为1mm,假定接收天线负载阻抗为50ohm .由表中结果所示,本文计算值与近似公式的值吻合很好,而本文的结果为数值建模计算结果,具有更高的精确性.同时,文献[3]公式只适合于计算半波振子天线,而且间距要大于等于一个波长,而本文算法适合于任意线天线间在任意间距上的耦合度计算,具有更广泛的适应性.通过这两个典型例子的计算和分析,充分说明了本文算法是可行的,可以推广到分析实际工程的问题中.表1　本文计算的天线耦合度与文献[3]计算结果的比较(单位:dB )频率(MHz )天 线 间 距 (单位:m )71615122219301538114517300文献[3]结果-3611-4212-4517-4812-5011-5117本文结果-36107-42109-451645-48113-50107-51165400文献[3]结果-3816-4417-4812-5017-5216-5412本文结果-38158-44160-48116-50164-52158-541164　车载多天线间的耦合度及近场的计算结果和分析 实际工程中天线相互间的电磁耦合干扰问题往往是很复杂的,图3给出了一个某通信车辆经过工程近似(忽略与波长相比很小的金属体,整个车体为封闭导体)后的示意图.车上放置多副HF 天线、VHF 天线和UHF 天线,其中有接收天线也有发射天线,而且天线的工作频段相近,甚至部分频段相重合.由于这么多的天线安装在车体这样相对很小的载体上,各天线之间的耦合干扰十分严重,必须对各天线间的耦合度进行分析.按照前面所述的方法,对包括车体和天线在内的整个系统进行了建模计算.计算中将整个车体划分为1735个矩形165第　4　期纪奕才:车载金天线系统的电磁兼容问题分析或三角形面元,离天线较近区域和车体边缘区域感应电流变化剧烈,其划分较细,离天线较远处例如车底平面划分较粗,并将所有天线总共划分为101段.411　天线间的耦合度分析如图3所示,车体上有两副工作在2～30MHz 的HF 天线,分别发射和接收信号;两副工作在30～88MHz 的VHF 天线,一副UHF 天线.由频带范围可以看出,HF 发射天线的谐波会落到VHF 接收天线的频带内而对其产生干扰;HF 和VHF 的谐波会落到UHF 天线的频带内而对其产生干扰;另外还有其它形式的相互干扰.因此,需要对各种干扰状况进行预估分析,主要是求解其相互间的耦合度.以HF 天线2(HF 天线2被固定在车尾的后箱壁上,与车体不相连,中馈天线)和VHF 天线1为例,分别考虑HF 天线2的二次和三次谐波对VHF 天线1的干扰,经计算可得其耦合度.表2　HF 天线2在二次谐波点上与VHF 天线1之间的耦合度表HF 二次谐波(MHz)3033363942454851545760耦合度(dB )-1417-1418-1516-1816-2317-3010-2714-2610-2614-2616-2518表3　HF 天线2在三次谐波点上与VHF 天线1之间的耦合度表HF 三次谐波(MHz)30333639424548515457耦合度(dB )-1417-1418-1516-1816-2317-3010-2714-2610-2614-2616HF 三次谐波(MHz)60636669727578818488耦合度(dB )-2518-2515-2315-2314-2414-2110-2313-2515-2810-3213 表2和表3分别给出了HF 天线2的二次和三次谐波点上HF 天线2和VHF 天线1之间的耦合度,由表可见,HF 天线2二次谐波对VHF 天线1在60MHz 以下形成干扰,HF 天线2的三次谐波对VHF 天线1全波段干扰,耦合度最高达-1417dB,最低也有-3213dB,可见二者之间的耦合是相当强的.当两天线同时工作时,假设HF 天线2为大功率发射天线,而VHF 天线1为接收天线,当VHF 天线1工作频点刚好落在HF 天线2谐波点附近时必将产生相当大的干扰,严重影响VHF 天线1的接收性能,因此必须对此问题加以解决.实际中首先要提高HF 天线2的发射机抑制谐波的能力,使其谐波发射电平尽量小,另外也可以对两天线的工作频率等进行合理安排,以避免干扰.另外对其他天线之间的干扰及更高次谐波的干扰情况也进行了计算分析.412　天线的近场分布图4和图5分别给出了HF 天线2和VHF 天线1在30MHz 发射时,周围30米范围内的z =0面上切向电场分布图.计算中假定两天线在30MHz 时的输入驻波比为310,天线系统辐射效率为80%,HF 天线2发射功率为125W,VHF 天线1发射功率为65W .　图3　车体及天线系统 图4　HF 天线2在30MHz 时z =0 图5　VHF 天线1在30MHz 时z =0　的示意图面上切向场分布图面上切向场分布图 从场强分布图可清楚的看出车体(天线)附近的电场较大,离车体越远,电场越小;中间黑色长方形即为车体模型底平面,其上的切向电场为零;HF 天线2位于车尾左侧(图中右下方),与车不相连,受车后平面遮挡,则天线附近X <0,Y <0处电场应较大,计算结果也证明了这一点;同理VHF 天线1位于图中车顶平面上侧,受车体影响,其上侧电场应大于下侧电场,与计算结果相符;同时由图可看出,由于VHF 天线1放在车顶有限地面上,其电场H 面近场等值线分布不再是同心圆,而HF 天线2受车后平面影响,其H 面电场等值线分布也变化较大.由图可见发射天线周围的电场很大,发射天线周围空间中的其他电子设备如通信设备、电子控制设备等要安装在合适的位置,以减少所受影响;对于较脆弱的设备和元件应该采用加屏蔽等措施进行保护,以免因电场较强烧坏元件而导致意外事故,另外对工作人员也应采取适当的保护措施.5　结论 对于车载,舰船和飞机等大型多天线系统,其电磁现象复杂,相互间的干扰严重,但由于模型复杂,其精确模拟相当复杂,而且受软件硬件的约束也很大.国外对于这种大型系统的电磁兼容的计算分析已经很成熟,国内的研究相对较少.本文265 电 子 学 报2002年以一个复杂的车载多天线系统为例,采用矩量法与网络理论相结合的方法,对天线间的耦合度进行了分析,并求出了大功率发射天线周围的场分布,以便预估天线间的相互干扰和对周围电子设备的潜在干扰.本文采用的模型复杂,电磁干扰现象严重,这样的模型更接近于实际工程中的问题.因此,本文的方法和实践对于实际工程中通信系统的电磁兼容问题的有效计算和预估有着十分重要的意义.参考文献:[1]　RFHarrington.FieldComputationbyMomentMethod[M].NewYork:Macmillan,1968.[2]　刘其中,宫德明.天线的计算机辅助设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,1988.[3]　陈穷.电磁兼容工程设计手册[M].北京:国防工业出版社,1993.[4]　廖承恩.微波技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995.[5]　EHNewman,DMPozar.Considerationsforefficientwire/surfacemodeling[J].IEEETransonAP,1980,28(1):121-125.[6]　张新军.复杂电磁目标近场及表面场研究[D].西安:西安电子科技大学,1999.[7]　NCAlbertsen,JEHansen,putationofradiationfromwireantennasonconductingbodies[J].IEEETransonAP,1974,22(2):200-206.作者简介:纪奕才　男,1974年出生于山东省青岛市,1998年在西安电子科技大学电磁场与微波技术专业获学士学位,现为该校天线与电磁散射研究所博士研究生.目前主要从事天线数值计算与CAD 、短波超短波天线小型化技术以及电磁兼容等方面的研究.邱　扬　男,1957年出生,硕士学位,现任西安电子科技大学机电学院教授,陕西省电磁兼容专业委员会副主任、委员.发表30余篇学术论文,出版2本专著,获得2项省部级科技进步奖.主要研究方向为移动通信系统、电磁兼容设计、网络与综合布线系统电磁兼容技术、屏蔽理论与技术以及信息技术设备的信息安全技术.目前承担着多项国家相关项目的科研工作.陈　伟　男,1976年出生,1999年毕业于西安电子科技大学精密仪器专业,现为该校机电学院硕士研究生,主要研究方向为电磁兼容及防信息泄漏.365第　4　期纪奕才:车载金天线系统的电磁兼容问题分析。