机载天线隔离度的分析计算与仿真
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
-3
3.340×10 当M≥26
姨0.508 3
ξ= 0.562 1
当M＜26 当M≥26wenku.baidu.com
式中：ρ为圆柱体半径；θ1，θ2为分别为第一个 天线与第二个天线安装位置的角坐标，弧度；RL 为圆柱上螺旋线线段的长度；λ为波长。
1.3 天线隔离度的计算
由前面给出的隔离度的表达式来计算在频点
F=150 MHz下2个1/4波长振子天线间的隔离度。将
摘 要：机载天线间的隔离度是飞机系统电磁兼容性的主要参数之一，用来表征天线间的耦合强弱程度。在实 际工程中，飞机上集中了大量天线，使得周围空间电磁环境很复杂。在研究机载天线电磁兼容性时，采用计算 天线间的隔离度数值的方法来实现。本文先通过对配置在圆柱体模型上的两个天线的隔离度进行理论分析和计 算，然后采用HFSS仿真软件对所需频带内的两个天线隔离度进行了仿真，并将其两者的结果进行了比较，从而 实现对整个频带内的天线的电磁兼容性的正确预测和评估。
点的直线部分来确定。
P2
R
P1
第二个天线P（2 ρ2，θ2，z2）
第一个天线P（1 ρ1，θ1，z1） 图3 圆柱体模型上两天线的位置关系
34
飞机设计
第 29 卷
因此，飞机机体形状理想化时，求得两天线
间的最短距离，或是直线线段的长度，或是圆锥
形和圆柱形螺旋线线段的长度。路线的选择取决
于天线在飞机机体上的配置情况，为确定两天
图2表示出天线间的隔离度与比例式R/λ的计 算关系曲线。从曲线上可以看出，特别是当天线 间的初始距离小的情况下，加大接收天线和发射 天线间的距离，会从本质上改变退耦作用。
AR
- 48 - 40 - 32 - 24
0 4 8 12 16 20 24 28 R/λ
图2 隔离度与的计算关系曲线
1.2 天线间的最短距离R
天线2
y
x 图4 飞机及天线模型
2.2 仿真结果 在HFSS中设置仿真频率为150 MHz，对配置
在圆柱体模型表面上的天线1和天线2进行仿真计 算，图5给出了仿真结果两天线的隔离度随频率的 变化情况。其中，在中心频率150 MHz处，天线1 和天线2的隔离度为- 31.2 （dB），与理论分析计算 的两天线的隔离度A=- 30.5（dB），吻合较好。
线的距离，将其两天线的坐标参数代入公式（4）
即可[3]。
考虑到飞机机身的遮挡效应，即无线电波绕
射机身的衰减系数，应该在机载平台通信系统天
线间隔离度的计算公式中加入衰减系数[5]。
AC=-
M ηM+ξ
（5）
式中：
2
M=ρ θ1- θ2 姨2π/λRL
（6）
η和ξ的值取决于M的值如下：
姨 -3
5.476×10 当M＜26 η=
射机天线输出功率比值的10倍对数值，其表达式
如下：
A=- 10 log Plr/Pin
（1）
其中：Plr为接收机天线负载上吸收功率；Pin为发
射机天线输出功率。
发射天线
接收天线
发射机
Pin
Plr
图1 发射及接收天线系统
接收机
在发射天线辐射信号时，省略了与求接收天
线上信号功率的中间换算，进而得到用分贝表示
参考文献
[1] GJB289A- 97．数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线 [s]．1997.
线安装点之间的角度，弧度；z2- z1为沿圆柱体纵
轴方向的天线安装点之间的距离。
图3上表示的是一般的几何关系，用来求得沿
圆柱上螺旋线线段配置在圆柱体上的两个天线间
的距离。当第一个天线配置在机身上，而第二个
天线配置在飞机壳体其他部件（如垂直安定面，机
翼等）上时，天线间的距离按线段之和来确定：即
由圆柱上螺旋线部分和从天线至圆柱上螺旋线切
3结论
天线隔离度是影响机载天线布局的一个重要 参数，也是电磁兼容考虑的重要指标。本文对机 载天线隔离度进行了理论分析计算和HFSS软件仿 真，对比结果吻合较好。从而，也验证了对天线 隔离度理论分析计算的正确性，通过掌握理论分 析计算和仿真天线间的隔离度，能够更及时、准 确的对机载天线间的电磁兼容性进行正确的预测 和评估，对于工程设计上具有一定的借鉴意义。
前的理论计算条件一致，设圆柱体的半径为500
mm，长度为5 m，天线1和天线2配置在圆柱体的
同轴表面上，两者的距离3 m，相互间的倾斜角为
60°，飞机模型及天线安装位置如图4所示。天
线1和2均为1/4波长的振子，高500 mm。工作频带
为100 ~200 MHz间，中心频率为150 MHz。
z 天线1
的天线隔离度的表达式[2]。
A=201g（λ/4πR）+101gG1+101gG2+201gδ1+
201gδ2+101gT1+101gT2+101gB+101gC （2）
式中：λ为波长；R为天线间的距离；G1为发射
天线增益；G2为接收天线增益；δ1为发射天线方
向上的发射天线场方向图电平；δ2为接收天线方
第 29 卷 第 6 期 2009 年 12 月
文章编号：1673-4599（2009）06-0032-03
飞机设计 AI飞RCR机AFT设DES计IGN
Vol. 29 No. 6 Dec第 2290卷09
机载天线隔离度的分析计算与仿真
安兆卫 1，王明皓 2，雷 虹 2，洪铁山 2
（1. 沈阳航空工业学院 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136） （2. 沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035）
上匹配，VSWR=2，所以，AT1=AT2=- 0.75(dB)。 由于天线是同类型的，并垂直与圆柱体的表
面，所以当电波沿圆柱上螺旋线移动时，可以认
为天线电场的矢量是同轴的。在分析圆柱体曲率
对天线间退偶的影响时，应考虑天线极化面有初
始倾斜[4]。
在 这 种 情 况 下 B=1， AB=0（dB）， 由 ρ=2λ，
关键词：隔离度；电磁兼容；耦合；HFSS
中图分类号：V243.4
文献标识码：A
The Analysis and Simulation of Air bor ne Antenna Isolation
AN Zhao-wei1，WANG Ming-hao2，LEI Hong2，HONG Tie-shan2 （1. School of Electronic and Information Engineering，Shenyang Institute of Aeronautical
Engineering，Shenyang 110136，China） （2. Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Shenyang 110035，China）
Abstr act: Isolation between antennas is a primary parameter of electromagnetic compatibility (EMC) on airborne platform, which is the characterization of the degree of electromagnetic coupling. Electromagnetic environment for airborne platform is very complicate because of lots of antennas. The isolation between antennas is calculated in study of airborne electromagnetic compatibility. Based on the theoretical analysis and calculation of the cylinder model，the isolation between two antennas are simulated by HFSS in this paper. And the theoretical calculation results accord with the simulation results， so as to achieve the reasonable prediction and assessment for the antenna electromagnetic compatibility in the whole band.
于是，由表达式（3）得到，给定天线间的隔 离度A=- 30.5（dB）。
2 HFSS建模和仿真
2.1 飞机天线模型
基于电磁场高频结构仿真软件HFSS对实际飞
机做建模简化：将飞机机身等效为圆柱体结构，
在圆柱体同轴表面上配置两个1/4波长的振子天线。
结合上面对天线隔离度分析计算的数据参
数，采用HFSS软件进行建模[5]。为使其仿真与之
被研究的天线增益系数是可计算的，为了估
计天线间的距离，可将飞机机体形状理想化，从
而求出天线间的最短距离。
例如，当在飞机机身的圆柱形表面上配置两
个天线时，可以将天线在机身表面上的距离R确
定为一段圆柱上的螺旋线线段[2]。
R=[ρ（2 θ2- θ1）2+（z2- z1）2]1/2
（4）
式中：ρ为圆柱体半径；θ2- θ1为在圆柱体上天
（下转第43页）
第6期
黄 凌 等：余度数据总线电气隔离度的测试与分析
43
3小结
比较在上述2种不同状态下得到的隔离度， 并通过理论分析，不难得出电缆屏蔽层的良好接 地是提高隔离度的最佳保证。所以作为数据传输 总线和备份的余度总线，必须做到屏蔽层良好接 地，这样就可以做到无论使用哪条线进行数据传 输，都可以确保“有传输活动”总线不对“无传 输活动”总线产生干扰，同时也可以防止因总线 电缆屏蔽层接地不良而对其他敏感电气设备产生 辐射干扰。
Key wor ds: isolation；EMC；coupling；HFSS
随着电子信息技术的发展，机载电子设备的 种类和数量急剧增加。为了满足现代战场环境下 对通信、导航、目标识别等的需要，越来越多的 天线被安装在飞机上，其电磁兼容性设计便成为
工程设计中的一个重要课题。机载天线由于可用 空间有限，多部天线同时在很小的区域内工作的 情况不可避免。因此，天线间的耦合和干扰非常 严重，很难通过增大天线间距来降低天线间的互
这两个天线配置在半径ρ=2λ的圆柱体表面上，距
离为z=3λ，相互间的倾斜θs= θ1- θ2 =60°。
对 于 1/4 波 长 对 称 振 子 来 说 ， 可 以 认 为
G1=G2≈3.2，因此，AG1=AG2=10×l g3.2=5.05（dB）。 假定天线在方位面上的方向图均匀度等于1.0，
所以，δ1=δ2=1.0。因此，Aδ1=Aδ2=20×l g1=0（dB）。 除去2个天线的馈电系统，假定天线输入端
向上的接收天线场方向图电平；T1为发射天线馈
电系统传输系数；T2为接收天线馈电系统传输系
数；B为考虑两个天线极化匹配的系数；C为考虑
配置天线位置处表面屏蔽作用的系数。
或写成，A=AR+AG1+AG2+Aδ1+
Aδ2+AΓ1+AΓ2+AB+AC
（3）
对于工程实践来说，当表面的曲率半径与波
长可以比拟时，表达式（2）能够使计算结果同测量 结果取得较好的一致。分析表达式（2）能够估计出 引入表达式中的各因素对天线间隔离度增加程度 的影响。
收稿日期：2009- 04- 01；修订日期：2009- 10- 24
第6期
33
耦。因此需要通过理论计算和合理的设计天线的 布局来减小其互耦，从而最大限度的满足天线系 统的电磁兼容性。
1 理论分析和计算
1.1 隔离度定义的数学模型
天线间的耦合实质是无线电系统间电磁干扰
的主要途径，常用隔离度来定量表征这种耦合的
强弱程度[1]。通常情况下，机载通信天线间距离
较大且工作频率较高，因此可以把天线间的干扰
考虑为远场干扰。根据微波网络思想，以两个天
线组成一个通信系统为例，如图1所示。假设天
线1为发射天线，天线2为接收天线，将通信系统
等效为二端口微波网络模型，进而可以得到天线
的隔离度定义为接收机天线负载上吸收功率与发
z=3λ，θs= θ1- θ2 =60°，根据关系式（4）来确
定圆柱上螺旋线弧线线段的长度为：
RL=[4λ2×1.10+9λ2]1/2=3.66λ 在 这 种 情 况 下 ， RL=R， 及 考 虑 图 2 的 曲 线 ， 可以得到系数AR=- 32（dB）。
由于天线配置在有曲率的圆柱体表面，所以 衰减系数由式（5）可得：AC =- 7.11（dB），其中η= 5.476×10-3，ξ=0.508 3，M由式（6）可得M=3.8。
3.340×10 当M≥26
姨0.508 3
ξ= 0.562 1
当M＜26 当M≥26wenku.baidu.com
式中：ρ为圆柱体半径；θ1，θ2为分别为第一个 天线与第二个天线安装位置的角坐标，弧度；RL 为圆柱上螺旋线线段的长度；λ为波长。
1.3 天线隔离度的计算
由前面给出的隔离度的表达式来计算在频点
F=150 MHz下2个1/4波长振子天线间的隔离度。将
摘 要：机载天线间的隔离度是飞机系统电磁兼容性的主要参数之一，用来表征天线间的耦合强弱程度。在实 际工程中，飞机上集中了大量天线，使得周围空间电磁环境很复杂。在研究机载天线电磁兼容性时，采用计算 天线间的隔离度数值的方法来实现。本文先通过对配置在圆柱体模型上的两个天线的隔离度进行理论分析和计 算，然后采用HFSS仿真软件对所需频带内的两个天线隔离度进行了仿真，并将其两者的结果进行了比较，从而 实现对整个频带内的天线的电磁兼容性的正确预测和评估。
点的直线部分来确定。
P2
R
P1
第二个天线P（2 ρ2，θ2，z2）
第一个天线P（1 ρ1，θ1，z1） 图3 圆柱体模型上两天线的位置关系
34
飞机设计
第 29 卷
因此，飞机机体形状理想化时，求得两天线
间的最短距离，或是直线线段的长度，或是圆锥
形和圆柱形螺旋线线段的长度。路线的选择取决
于天线在飞机机体上的配置情况，为确定两天
图2表示出天线间的隔离度与比例式R/λ的计 算关系曲线。从曲线上可以看出，特别是当天线 间的初始距离小的情况下，加大接收天线和发射 天线间的距离，会从本质上改变退耦作用。
AR
- 48 - 40 - 32 - 24
0 4 8 12 16 20 24 28 R/λ
图2 隔离度与的计算关系曲线
1.2 天线间的最短距离R
天线2
y
x 图4 飞机及天线模型
2.2 仿真结果 在HFSS中设置仿真频率为150 MHz，对配置
在圆柱体模型表面上的天线1和天线2进行仿真计 算，图5给出了仿真结果两天线的隔离度随频率的 变化情况。其中，在中心频率150 MHz处，天线1 和天线2的隔离度为- 31.2 （dB），与理论分析计算 的两天线的隔离度A=- 30.5（dB），吻合较好。
线的距离，将其两天线的坐标参数代入公式（4）
即可[3]。
考虑到飞机机身的遮挡效应，即无线电波绕
射机身的衰减系数，应该在机载平台通信系统天
线间隔离度的计算公式中加入衰减系数[5]。
AC=-
M ηM+ξ
（5）
式中：
2
M=ρ θ1- θ2 姨2π/λRL
（6）
η和ξ的值取决于M的值如下：
姨 -3
5.476×10 当M＜26 η=
射机天线输出功率比值的10倍对数值，其表达式
如下：
A=- 10 log Plr/Pin
（1）
其中：Plr为接收机天线负载上吸收功率；Pin为发
射机天线输出功率。
发射天线
接收天线
发射机
Pin
Plr
图1 发射及接收天线系统
接收机
在发射天线辐射信号时，省略了与求接收天
线上信号功率的中间换算，进而得到用分贝表示
参考文献
[1] GJB289A- 97．数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线 [s]．1997.
线安装点之间的角度，弧度；z2- z1为沿圆柱体纵
轴方向的天线安装点之间的距离。
图3上表示的是一般的几何关系，用来求得沿
圆柱上螺旋线线段配置在圆柱体上的两个天线间
的距离。当第一个天线配置在机身上，而第二个
天线配置在飞机壳体其他部件（如垂直安定面，机
翼等）上时，天线间的距离按线段之和来确定：即
由圆柱上螺旋线部分和从天线至圆柱上螺旋线切
3结论
天线隔离度是影响机载天线布局的一个重要 参数，也是电磁兼容考虑的重要指标。本文对机 载天线隔离度进行了理论分析计算和HFSS软件仿 真，对比结果吻合较好。从而，也验证了对天线 隔离度理论分析计算的正确性，通过掌握理论分 析计算和仿真天线间的隔离度，能够更及时、准 确的对机载天线间的电磁兼容性进行正确的预测 和评估，对于工程设计上具有一定的借鉴意义。
前的理论计算条件一致，设圆柱体的半径为500
mm，长度为5 m，天线1和天线2配置在圆柱体的
同轴表面上，两者的距离3 m，相互间的倾斜角为
60°，飞机模型及天线安装位置如图4所示。天
线1和2均为1/4波长的振子，高500 mm。工作频带
为100 ~200 MHz间，中心频率为150 MHz。
z 天线1
的天线隔离度的表达式[2]。
A=201g（λ/4πR）+101gG1+101gG2+201gδ1+
201gδ2+101gT1+101gT2+101gB+101gC （2）
式中：λ为波长；R为天线间的距离；G1为发射
天线增益；G2为接收天线增益；δ1为发射天线方
向上的发射天线场方向图电平；δ2为接收天线方
第 29 卷 第 6 期 2009 年 12 月
文章编号：1673-4599（2009）06-0032-03
飞机设计 AI飞RCR机AFT设DES计IGN
Vol. 29 No. 6 Dec第 2290卷09
机载天线隔离度的分析计算与仿真
安兆卫 1，王明皓 2，雷 虹 2，洪铁山 2
（1. 沈阳航空工业学院 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136） （2. 沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035）
上匹配，VSWR=2，所以，AT1=AT2=- 0.75(dB)。 由于天线是同类型的，并垂直与圆柱体的表
面，所以当电波沿圆柱上螺旋线移动时，可以认
为天线电场的矢量是同轴的。在分析圆柱体曲率
对天线间退偶的影响时，应考虑天线极化面有初
始倾斜[4]。
在 这 种 情 况 下 B=1， AB=0（dB）， 由 ρ=2λ，
关键词：隔离度；电磁兼容；耦合；HFSS
中图分类号：V243.4
文献标识码：A
The Analysis and Simulation of Air bor ne Antenna Isolation
AN Zhao-wei1，WANG Ming-hao2，LEI Hong2，HONG Tie-shan2 （1. School of Electronic and Information Engineering，Shenyang Institute of Aeronautical
Engineering，Shenyang 110136，China） （2. Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Shenyang 110035，China）
Abstr act: Isolation between antennas is a primary parameter of electromagnetic compatibility (EMC) on airborne platform, which is the characterization of the degree of electromagnetic coupling. Electromagnetic environment for airborne platform is very complicate because of lots of antennas. The isolation between antennas is calculated in study of airborne electromagnetic compatibility. Based on the theoretical analysis and calculation of the cylinder model，the isolation between two antennas are simulated by HFSS in this paper. And the theoretical calculation results accord with the simulation results， so as to achieve the reasonable prediction and assessment for the antenna electromagnetic compatibility in the whole band.
于是，由表达式（3）得到，给定天线间的隔 离度A=- 30.5（dB）。
2 HFSS建模和仿真
2.1 飞机天线模型
基于电磁场高频结构仿真软件HFSS对实际飞
机做建模简化：将飞机机身等效为圆柱体结构，
在圆柱体同轴表面上配置两个1/4波长的振子天线。
结合上面对天线隔离度分析计算的数据参
数，采用HFSS软件进行建模[5]。为使其仿真与之
被研究的天线增益系数是可计算的，为了估
计天线间的距离，可将飞机机体形状理想化，从
而求出天线间的最短距离。
例如，当在飞机机身的圆柱形表面上配置两
个天线时，可以将天线在机身表面上的距离R确
定为一段圆柱上的螺旋线线段[2]。
R=[ρ（2 θ2- θ1）2+（z2- z1）2]1/2
（4）
式中：ρ为圆柱体半径；θ2- θ1为在圆柱体上天
（下转第43页）
第6期
黄 凌 等：余度数据总线电气隔离度的测试与分析
43
3小结
比较在上述2种不同状态下得到的隔离度， 并通过理论分析，不难得出电缆屏蔽层的良好接 地是提高隔离度的最佳保证。所以作为数据传输 总线和备份的余度总线，必须做到屏蔽层良好接 地，这样就可以做到无论使用哪条线进行数据传 输，都可以确保“有传输活动”总线不对“无传 输活动”总线产生干扰，同时也可以防止因总线 电缆屏蔽层接地不良而对其他敏感电气设备产生 辐射干扰。
Key wor ds: isolation；EMC；coupling；HFSS
随着电子信息技术的发展，机载电子设备的 种类和数量急剧增加。为了满足现代战场环境下 对通信、导航、目标识别等的需要，越来越多的 天线被安装在飞机上，其电磁兼容性设计便成为
工程设计中的一个重要课题。机载天线由于可用 空间有限，多部天线同时在很小的区域内工作的 情况不可避免。因此，天线间的耦合和干扰非常 严重，很难通过增大天线间距来降低天线间的互
这两个天线配置在半径ρ=2λ的圆柱体表面上，距
离为z=3λ，相互间的倾斜θs= θ1- θ2 =60°。
对 于 1/4 波 长 对 称 振 子 来 说 ， 可 以 认 为
G1=G2≈3.2，因此，AG1=AG2=10×l g3.2=5.05（dB）。 假定天线在方位面上的方向图均匀度等于1.0，
所以，δ1=δ2=1.0。因此，Aδ1=Aδ2=20×l g1=0（dB）。 除去2个天线的馈电系统，假定天线输入端
向上的接收天线场方向图电平；T1为发射天线馈
电系统传输系数；T2为接收天线馈电系统传输系
数；B为考虑两个天线极化匹配的系数；C为考虑
配置天线位置处表面屏蔽作用的系数。
或写成，A=AR+AG1+AG2+Aδ1+
Aδ2+AΓ1+AΓ2+AB+AC
（3）
对于工程实践来说，当表面的曲率半径与波
长可以比拟时，表达式（2）能够使计算结果同测量 结果取得较好的一致。分析表达式（2）能够估计出 引入表达式中的各因素对天线间隔离度增加程度 的影响。
收稿日期：2009- 04- 01；修订日期：2009- 10- 24
第6期
33
耦。因此需要通过理论计算和合理的设计天线的 布局来减小其互耦，从而最大限度的满足天线系 统的电磁兼容性。
1 理论分析和计算
1.1 隔离度定义的数学模型
天线间的耦合实质是无线电系统间电磁干扰
的主要途径，常用隔离度来定量表征这种耦合的
强弱程度[1]。通常情况下，机载通信天线间距离
较大且工作频率较高，因此可以把天线间的干扰
考虑为远场干扰。根据微波网络思想，以两个天
线组成一个通信系统为例，如图1所示。假设天
线1为发射天线，天线2为接收天线，将通信系统
等效为二端口微波网络模型，进而可以得到天线
的隔离度定义为接收机天线负载上吸收功率与发
z=3λ，θs= θ1- θ2 =60°，根据关系式（4）来确
定圆柱上螺旋线弧线线段的长度为：
RL=[4λ2×1.10+9λ2]1/2=3.66λ 在 这 种 情 况 下 ， RL=R， 及 考 虑 图 2 的 曲 线 ， 可以得到系数AR=- 32（dB）。
由于天线配置在有曲率的圆柱体表面，所以 衰减系数由式（5）可得：AC =- 7.11（dB），其中η= 5.476×10-3，ξ=0.508 3，M由式（6）可得M=3.8。