機載天線電磁兼容技術分析

袁旭猛,王 浩

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著電子信息技術的發展,飛機載體上的天線類型和數量不斷增加,造成飛機內部及其周圍空間的電磁環境越來越復雜,從而導致電磁兼容的問題日益突出。作為直接影響和制約系統電磁兼容性的天線,其電磁兼容問題越來越受到重視[1]。

1 機載天線特點

機載天線對整個系統的電磁兼容性能影響非常明顯。這主要因為天線具有如下2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場;

②多數天線輻射能量大、接收靈敏度高。相對導線、設備孔縫等無意輻射源,天線輻射能量要大若干個數量級[2]。

2 電磁兼容核心問題

從本質上而言,天線的電磁兼容與設備電磁兼容概念相通,都由2個核心問題組成：①輻射限制;②抗擾度限制。

具體說就是限制無用輻射的幅度上限以免干擾其他設備或天線;同時保證在一定強度的電磁環境下正常工作的能力。

3 解決方法分析

解決機載天線電磁兼容主要從2方面著手：①電磁兼容實現手段;②電磁兼容效果計算分析。

3.1 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,而衡量天線之間互相影響強度的指標即天線隔離度,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：

當2個天線均處于彼此遠區的情況下,其能量耦合主要通過輻射場實現。

首先，從《試點辦法》第5條第2款的規定來看，值班律師的工作場所是法院和看守所。長此以往，值班律師同法院和看守所的工作人員可能會形成一種一榮俱榮、一損俱損的利益共同體關系。在這樣一種休戚與共的環境之中，如果不將值班律師定位為犯罪嫌疑人、被告人利益的維護者(辯護人)，那么值班律師很有可能將自己視為為國家服務的“國家法律工作者”，從而盡力去配合公安司法機關對認罪認罰案件的處理，這時的值班律師實際上充當了辦案人員說客的角色。如果這樣，就會對本處于弱勢一方的被告人的訴訟地位更加不利。

設發射天線發射功率為 Pta,增益為 Gt(θt,φt),接收天線的接收功率為 Pra,增益為Gr(θr,φr);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：

式中,Ld=20lg[]為收發天線直視情況下的空間隔離,Ld由收發天線間的距離D和分析波長λ等因素決定;Gt(θt,φt)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(θr,φr)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L這P一項,即總的天線隔離度為：

如果天線不能同時滿足位于彼此的遠區,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。

工程上圓極化對垂直或水平極化的失配損耗為3 dB(3～4 dB),垂直極化和水平極化間的失配損耗為20～35 dB,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個值小。

天線布局優化是天線兼容性的基本內容之一[3]。調整多個天線的姿態及安裝位置,使這些天線之間的隔離度滿足要求,從而使多個天線達到兼容狀態的過程,就是天線布局優化。它主要是通過在飛機上可放置天線的范圍內調整各天線的安裝位置和姿態,分析不同布局情況下各機載天線與其他天線間的隔離度,根據天線隔離度數據判斷天線間的兼容情況;最終找到一種能夠使所有天線兼容工作的天線布局狀態。

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。在此基礎上,將天線配置到載體上,其阻抗特性和輻射特性可能會因為載體的存在而有程度不等的惡化,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。然后再將多個天線同時設置于載體上,調整至每個天線均能夠按照指標要求工作,布局優化結果確定后,各種天線性能指標和電磁兼容性就基本確定了。

3.2 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。

3.2.1 數值計算技術

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,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,能處理任意形狀場域、多介質和復雜交界面等情況。所形成的代數方程系數矩陣對稱、正定和稀疏,因而收斂性好,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。

有限元方法的引入極大的提高了這項技術的性能。完全匹配層技術(PML)在有限元方法中的成功應用使得有限元也能方便的處理具有開放結構的問題,有限元方法還可以與矩量法結合起來處理具有復雜的具有開放結構的問題。經過近30年的發展,隨著計算機速度的提高、軟件技術的成熟,在國內外學者的共同努力下,電磁場有限元數值計算方法不斷完善并且得到了廣泛應用。

有限元法雖然是一種有很大靈活性的電磁場的數值計算方法,但它只適合于最大尺寸約為幾個波長以下的物體。

3.2.2 高頻近似技術

由于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[4]。

物理光學法是通過對表面感應場的近似和積分求解散射場的,克服了平表面和單彎曲表面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[5]。當幾何光學射線遇到任意一種表面不連續,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,其對應理論即幾何繞射理論。

Keller在1951年前后提出了一種近似計算高頻電磁場的新方法。他把經典幾何光學的概念加以推廣,引入了一種繞射射線以消除幾何光學陰影邊界上場的不連續性,并對陰影區內的場進行適當的修正。Keller的這一方法稱為幾何繞射理論。繞射射線產生于物體表面上幾何特性或電磁特性不連續之處。例如,物體的邊緣、尖頂和光滑凸曲面上與入射射線相切之點。繞射射線既可以進入照明區,也可進入陰影區。因為幾何關學射線不能進入陰影區,故陰影區的場就完全由繞射射線來代表。這樣,幾何繞射理論就克服了幾何光學在陰影區的缺點,也改進了照明區的幾何光學解。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。

Keller導出的GTD基本算式(繞射系數),在亮區和陰影區幾何光學陰影邊界兩側的過渡區內失效,70年代Pathak和KovyoumJian等又將之發展成為一致性UTD,UTD克服了GTD的缺點,較好地解決了電磁波在陰影邊界上的連續問題。UTD在幾何光學陰影邊界過渡區有效,在陰影邊界過渡區以外,則自動轉化為GTD算式。

雖然現在己有許多求解電磁輻射和散射問題的高頻近似方法,但實際上沒有一種方法是“萬能”的,每種方法都有其使用范圍。例如,縱然幾何繞射理論及其一致性形式能準確地計算出大多數電大尺寸輻射和散射系統的高頻電磁場,但由于現在各種典型幾何體的繞射系數太少,有些大尺寸復雜目標的局部構形,如飛機機身和機翼的結合部,還沒有可利用的繞射系數。所以,單純用幾何繞射理論及其一致性形式不能解決所有的高頻電磁輻射與散射問題。

4 結束語

數值計算技術能精確地分析電小尺寸系統,高頻近似技術則適合分析電大尺寸系統。飛機上裝載的天線種類繁多,建議采用2種技術混合方法分析電磁兼容問題,在處理特定電磁問題時通過有機結合取長補短,如MoM-格林函數混合方法、MoMFD混合方法和FEM-BEM混合方法等[6]。當然,這些分析方法需要在實際工程中進一步驗證。

[1]林澤祥,蘭強.天線的電磁兼容技術[J].電波科學學報,2007,22(1)：170-173.

[2]林澤祥,張永庫.寬帶艦載收發天線的隔離[J].電子對抗,1988(2)：126-128.

[3]何小祥,徐金平.改進的IPO與TEM混合法分析復雜電大腔體電磁散射[J].電波科學學報,2004,19(5)：607-612.

[4]陳晨.機載天線輻射特性及耦合研究[D].西安：西北工業大學,2006.

[5]譚遠洋.應用GTD、UTD方法分析飛行器天線的輻射特性[D].西安：西安電子科技大學,2004.

[6]呂文安.機載天線的優化布局[D].西安：西北工業大學,2002.