平坦地面條件下裝備間天線電磁耦合度分析

王 偉 王學田 王 文 宋 崧 李名游 陳 磊

（1.北京理工大學信息與電子學院，北京100081；2.中國人民解放軍裝備學院，北京101416）

引 言

隨著電子信息技術的發展，越來越多的電子信息裝備將被投入現代軍事運用中，當他們被部署在較近的空域內同時工作時，通信裝備間的電磁環境變得較為復雜，各個裝備間電磁兼容的問題就顯得尤為突出.若不能達到電磁兼容，裝備系統間整體工作效能就會下降，不僅達不到預期的目的，還可能會相互制約，甚至導致某些裝備系統不能正常工作.因此，系統間的電磁兼容性問題的研究迫切而重要［1－2］.

平坦地面條件下的通信系統間電波傳播主要考慮直射波、地面反射波及天波傳播，本文由于考察的是近距離系統間的通信裝備間電磁兼容的影響，因此不考慮天波對電波傳播的影響.本文主要分析了地表面反射系數以及地面土壤介質的介電特性；仿真得到了車體模型、地面介質、距離等因素對天線間耦合度的影響；建立了平坦地面條件下兩輛通信車上發射天線與接收天線間的電磁耦合度的精確模型；通過仿真得到了與實測結果較為一致的電波傳播損耗數據，為典型通信系統天線間電磁耦合度模型校驗和典型通信裝備間電磁兼容預測提供了基礎數據.

傳統研究通信系統間電波傳播損耗的方法是根據某些具體野外環境試驗得到的數據，通過統計分析建立理論模型.文獻［3］利用修正后的COST231－Hata模型，仿真數據和實測數據的均方差為5.14 dB，但由于忽略了真實環境對結果的影響，對于集群車載通信裝備的傳播損耗的計算來說誤差較大.文獻［4］采用了基于射線追蹤算法的電波傳播損耗預測軟件Wireless InSite，仿真與外場實測數據的平均標準偏差為4.5dB.但由于仿真中的環境量化誤差較大，以及射線追蹤算法的取舍誤差，最終的傳輸損耗結果存在著一定的誤差.

1 地面反射系數分析

地面和地面覆蓋物是無線電波在戶外傳播過程中最主要的影響因素，主要是對電磁波的反射、繞射和散射，以及對電磁波的衰減和吸收.當電磁波在光滑地面上傳播時，會發生鏡面反射現象，地面反射波和直達波會在接收點處產生干涉現象，合成場強會產生強烈的衰落；而當電磁波在粗糙地表面上傳播時，反射到地面上的波會形成漫反射，反射波和直達波在接收點處不會形成干涉，而是功率疊加，合成的信號不會出現強烈的衰落，而只是會表現出信號的閃爍和起伏［5－6］.

在現實野外平坦地貌條件下，絕對光滑地面情況是不存在的，判定地面是光滑還是粗糙的標準一般根據雷利準則.當雷利準則標準取的較為嚴格時，應滿足

當Δh＜Δhmax時，鏡面反射占絕對優勢.當天線為垂直極化方式時，可根據鏡面反射計算出地面反射系數為

式中：ε′r＝εr－60λσ；φ為擦地角.

當Δh＞Δhmax時，必須將其視為粗糙地面，一般來說粗糙地面的反射系數可以寫為

式中：α為粗糙地面對于反射射線的衰減因子；Rf為費涅爾反射系數.實際中α是無法有效計算出來的，并且也很難被測量.

2 地面土壤介質介電特性分析

微波波段土壤的介電常數對雷達回波的影響是很大的，介電常數越大，反射雷達波束的作用越強，透射作用越小，而且土壤的介電常數和土壤濕度有很大的關系.一般來說，土壤的介電常數主要受到入射電磁波頻率、溫度、鹽度、土壤中總的體積含水量等方面的影響.

土壤的復介電常數用ε＝ε′－jε″表示，式中：ε′為復介電常數的實部，其含義為在兩種不同介質表面發生的波的折射和反射現象，與介質的介電特性有關；ε″為復介電常數的虛部，與入射電磁波在介質中的衰減（吸收和轉化）有關，對于大多數自然表面，ε″遠小于ε′.

Wang and Schmugge建立了一種四成分模型［10］，設干土壤中沙土含量為S% 和粘土含量為C%，其中S＋C≤100，定義土壤的濕度壓縮點為Wp＝0.06774－0.00064×S＋0.00478×C；臨界體濕度的經驗公式為mt＝0.49WP＋0.165，定義參數β＝－0.57Wp＋0.481.

當土壤中的含水量mv≤mt時，等效介電常數εs＝mv×εx＋（p－mv）εa＋ （1－p）εr，其中εx＝

當土壤含水量mv＞mt時，εs＝mtεx＋ （mvmt）εw＋ （p － mv）εa＋ （1 － p）εr，其 中 εx＝εi＋（εw－εi）β.

上述公式中：εi＝3.2－0.1j是冰的介電常數；εr＝5.0－0.1j為巖石的介電常數；εa＝1.0是空氣的介電常數；εw是工作頻率下純水的介電常數.一般情況下，土壤中巖石的密度ρr＝2.6 g／cm3，設干土壤的密度為ρb，則土壤的積孔率為：p＝1－ρb／ρr.

3 仿真研究

3.1 車體結構對耦合度的影響

在復雜地貌環境下，我們需要考慮通信車車體及車體周邊環境等因素對通信天線輻射特性的影響.當通信系統中的收發天線的工作頻率為低頻時，由于電波波長和通信車車體幾乎可以比擬，因此車體對天線輻射特性影響較小；當通信系統工作頻率較高時，根據幾何繞射理論可以得出車體繞射場的計算公式為

式中：s1為發射點到繞射點的距離；s2為接收點到繞射點的距離；D為繞射系數.從式（4）可以發現當通信車相距較近時，如圖1所示，天線輻射在車體上的繞射場對于接收點處的場強還是有著一定的影響.因此，在實際仿真過程中，必須考慮通信車車體對天線輻射特性的影響.

圖1 車體散射場示意圖

仿真的實際通信車模型參考了測試所用到依維柯通信車，如圖2所示.利用FEKO軟件所建立的車體模型如圖3所示.所用收發天線為典型通信系統的短波天線，天線工作頻率范圍為1.6～30 MHz.

圖2 測試場地及測試車

為了使得模擬車體的近場條件模擬的更為逼真，仿真在自由空間環境下建立了精確的車體模型，考慮到了實際車體頂端的具體情況，包括車頂上的兩個箱體結構以及車尾端的圓柱體結構，并且在模擬車中考慮了車窗的玻璃材料以及車胎的橡膠材料，模擬車采用金屬空心車體.通過仿真分析，得到了現模型和立方體車體模型在短波及超短波頻段下各自耦合度的變化情況，如圖4所示.

圖3 測試車在FEKO5.5中的精確模型

圖4 自由空間下精確模型和簡易模型的耦合度對比圖

由圖4可以看出，不同車體模型對天線間耦合度影響較大，尤其是在頻率較高的時候，車體的具體形狀、結構及參數等因素對收發天線的輻射特性有著很大的影響.因此在實際的建模仿真工作中，需要考慮通信車的車體結構以及通信車周邊環境對結果的影響，并且需要建立精確的車體模型.車體最終模型如圖3所示.

3.2 地表面的介質特性對耦合度的影響

對于真實地面土壤介質的介電特性，情況就比較復雜.因為隨土壤深度增加，土壤的含水量、溫度等也會發生變化，尤其是含水量這一重要指標，對土壤介電常數影響較為明顯.一般來說，土壤含水量隨著土壤深度的增加而加大，因此在仿真中需要對土壤介質進行分層處理，然而這將大大增加仿真的計算量，仿真周期將會很長.考慮到分層模型的仿真對計算機內存及性能要求很大，本文只考慮一層地面的影響，同時為了減小仿真計算量，地面介質層的厚度就不能設置太大，需要通過仿真分析得到其厚度的仿真最小值，即若厚度再增加對得到的耦合結果幾乎不會有任何影響，最終將地面厚度設為5 m.同樣方法，根據仿真將模型中的車體與地面邊界的距離設為0.25個波長的距離，認為此時增加邊界的大小對耦合度影響不大.模型如圖5所示.

圖5 地面土壤介質及通信車建模

圖6～8分別為不同地面介質條件下，天線間電磁耦合度與自由空間條件下的對比.反映出不同的地表面介質（金屬、純水、海水）對耦合度的影響，為土壤地表面情況做參照.

圖6 地表面為金屬

3.3 仿真與實測結果

實際測試的地點為河南省孟州市的一處開闊平坦的測試場地，仿真模擬的地面介質為“沙壤土”，其含沙量為51.5%，粘土含量為13.5%，溫度為20°，含水量為40%.經過第2節地面土壤介質的介電特性的分析，計算得出其介電常數為25.4，損耗角正切值為0.088 6.將計算結果代入到仿真模型中，得到了最終的仿真結果并與實測結果進行對比，如圖9所示.

圖7 地表面為純水介質

圖8 地表面為海水介質

圖9 仿真結果與測試結果對比圖

從圖9可以發現：仿真結果曲線能夠大致描述實際測試耦合度曲線的變化規律；但是仿真結果在多數頻點均大于測試結果，分析可能是由于測試場地的大規模草叢對于短波天線的表面波傳播造成了一定的影響，導致實測數據小于仿真數據.此外仿真中對于真實場景的理想化考慮，以及實際測試產生的誤差都是最終誤差的來源.

圖10為天線間耦合度隨兩車距離變化的對比圖.可以看出平原地貌條件下通信車天線間電磁耦合度的變化趨勢：電磁耦合度隨著距離的增大而減小，在高頻時表現的更為明顯.

然而實際應用中通信車間距分布距離較大，利用矩量法對地面及車體進行模擬仿真的方法極大增加了計算的網格數，尤其是在高頻時仿真周期會大大增加.因此，當兩車距離較大，在高頻時，可以將模型進行分段仿真，即分別將發射和接收兩端的天線、車體及地面情況看成一個整體，兩車之間的地表面只考慮主反射面的影響.通過分段仿真減小了仿真的計算量，從而實現較遠距離時平坦地面條件下天線間耦合度的仿真.

圖10 耦合度隨距離變化對比圖

4 結 論

本文研究了處于平坦地面條件下電波傳播的地表面反射系數，對地表面的土壤介電特性進行了詳細的分析；仿真分析了車體結構對天線輻射特性的影響，從而對仿真中車體的結構進行了精確建模；本文最終建立了平坦地面情況下，兩通信車的收發天線間電磁耦合度的仿真模型，經與實測數據對比分析，仿真結果與實測數據變化規律一致，最大誤差為16.54dB，均方差為4.21dB.

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