车载通信系统间电磁骚扰耦合仿真

2011-12-28房丽丽王学田

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：耦合度射线车载

房丽丽，王学田，王文

（北京理工大学信息与电子学院，北京 100081）

车载通信系统间电磁骚扰耦合仿真

房丽丽，王学田，王文

（北京理工大学信息与电子学院，北京 100081）

车载通信系统间电磁骚扰耦合仿真对评估系统联合工作的性能具有重要意义。车载通信系统间电磁骚扰耦合不仅要受到地面多径效应的影响，而且与车辆间队形、地形地貌密切相关。利用FEKO软件，仿真分析了两车组成横队时的电磁骚扰耦合特性。仿真结果表明，车载通信系统间电磁骚扰耦合随间隔的增大而逐渐减弱。

电磁骚扰；射线跟踪；FEKO；仿真

随着电子技术的高速发展，在同一系统中集成了越来越多的电子、电气设备，其发射功率逐渐增大，天线向周围空间的电磁辐射强度增大；同时，随着现代电子技术的发展，数字电路系统正逐步取代模拟电路，而数字系统具有对电磁环境敏感的固有特性，且随着半导体工艺的发展，数字电路系统的触发电平越来越低，使得系统更易受周围电磁骚扰的影响。诸如此类的电磁兼容问题如果不解决，将会影响集群系统联合工作的整体性能，使得各系统间相互制约，甚至部分设备不能正常工作。因此，解决实际地形条件下系统间电磁兼容问题具有重要的意义。

系统间电磁兼容预测分析与单个系统内的电磁兼容预测分析不同，其特点如下：1）不必知道装备的详细内部特征，仅需要确定干扰源的发射特性和敏感设备的敏感度，即认为干扰源不会对同一系统内的敏感设备产生干扰，不必对系统内进行分析；2）系统间的干扰方式以辐射干扰为主，传导干扰微弱可忽略不计；3）采用逐对考虑，每次只选一个干扰源和一个敏感设备进行分析，以下简称“发射－接收响应对”。

1 电磁骚扰耦合模型的建立

1．1 车载通信系统间电波传播的特点

车载通信系统间的电波传播要受到2方面的影响：1）车载系统天线架设高度往往距离地面较近，电波传播要受到地面多路径干扰的影响；2）周围地形地貌复杂，可能包括城市、郊区、平原、山区等形态各异的地形，地形地貌的多样性将影响电波传播。

1．2 车载通信系统间电磁骚扰耦合建模方法

电波传播模型可以分为3类：经验模型、确定性模型和半经验半确定模型。其中经验模型是根据大量的测量结果统计分析后，建立相应的计算模型。而确定性模型对具体的环境和具体目标应用电磁场理论计算方法进行分析，对具体的环境下电磁兼容特性预测精度较高。对于车载通信系统间电磁骚扰耦合建模，拟建立确定性模型并进行仿真分析。

对于确定性模型的电磁兼容仿真方法主要有3种：解析法、数值法和近似法。解析法最为精确，没有任何的近似，完全由电磁场的基本原理麦克斯韦方程导出，但通常只有一些经典简单的问题有解析解。由于实际问题的复杂性，通常的电波传播环境仿真计算更多地依赖数值方法和近似算法。数值算法需要对模型进行网格划分，受计算机硬件条件的限制，对电大尺寸问题应用数值方法，无论是从计算机内存容量还是计算速度上往往都难以实现。因此对于电大尺寸的电磁仿真通常都要采用近似算法。近似算法主要有逐步逼近法、变分法、迭代变分法、几何光学法（geometrical optics，GO）和物理光学法等。而对于室外场地分析的电磁计算，几何光学法是最为合适的方法。目前研究和应用较多的是基于GO理论、几何绕射理论（GTD）和一致性几何绕射理论（UTD）的射线跟踪技术（RTM）［1－4］。

射线跟踪法的基本思想是，首先确定一个发射源的位置，根据三维地图上的建筑物特征和分布，找出发射源到每个接收位置（测试点）光线的所有传播路径。然后根据菲涅耳等式和几何绕射理论（GTD／UTD）等，确定反射和绕射损耗，这样相应得到每条路径到每个测试点的场强，将到达同一测试点的所有路径的场强做相干叠加，得到每个测试点总的接收场强。

射线追踪法主要有正向算法和反向算法2类。正向算法是从源点出发，向周围空间均匀发出大量的射线束，分别跟踪每根射线束的路径，用接收球判定该射线束对观测点的场强是否有贡献。正向算法包括射线管射线发射法、弹跳射线法（SBR）等。反向算法是已知环境中的建筑物或障碍物、发射源和观测点，由观测点出发，根据GO理论找到从发射源到观测点的所有路径（直射、反射和绕射等），反向跟踪每一条可能从发射源到达观测点的路径。反向算法包括传统镜像法、多镜像射线跟踪法、虚拟源射线跟踪法、极小光程法等。正向算法计算简单，但仅适用于场强计算，在计算相位和极化时存在较大的误差；反向算法的优点是精确度高，除了能对场强覆盖进行预测外，还可以计算每条射线的相位、极化、时延和到达角等，与正向算法相比，其计算复杂度相对较高。

2 车载通信系统间电磁骚扰耦合实例分析

对于车载通信系统间电磁骚扰耦合的分析，首先要进行频段划分，对不同的频段进行分别建模分析。下面，以平坦地形条件为例，给出车载系统间短波电磁耦合建模分析的流程。

车载系统间电磁兼容问题可归结为多个电大尺寸目标的电磁散射和辐射问题。利用基于多层快速多极子方法的电磁仿真软件FEKO，以2车组成横队为例，笔者对平坦地形条件下车载通信系统间短波电磁骚扰耦合进行了仿真和定性分析。

2．1 建模

FEKO软件基于矩量法和多层快速多极子技术，快速高效，宜于对电大尺寸进行建模，是一种用于复杂结构电磁场分析的仿真工具。利用该软件对车载通信系统进行几何建模并进行表面三角形网格剖分。

图1 2车构成横队的三维实体模型表面网格剖分效果

图1为2车构成横队的三维实体模型表面网格剖分效果，其中D为两车载通信系统间距。由于车载短波天线尺寸相对于车体来说很小，对该车辆进行三角形网格剖分时要分段分块进行，而不能直接设置为FEKO软件的默认值。另一方面，将地面等效为无限大理想导电面处理，这是最简单的平坦光滑地面的情况。随着研究的进一步深入，还需要将不同粗糙度的地面模型导入FEKO软件进行建模。