坦克车载多天线系统的布局仿真分析

秦文奕

（西南电子技术研究所，成都 610036）

坦克车载多天线系统的布局仿真分析

秦文奕

（西南电子技术研究所，成都 610036）

为了研究坦克车载多天线系统的电磁兼容特性，针对天线系统性能优化问题，通过分析引起天线间干扰的因素得到提高系统性能的方法。采用电磁仿真软件CST对各天线的电磁特性和天线间的耦合度进行仿真分析。对比不同布局方案下天线间的耦合情况和装载到平台后的天线增益方向图，得出最佳的天线安装位置。分析过程和设计结果可为坦克车载天线布局设计及电磁兼容研究提供重要参考。

电磁兼容，天线布局，耦合度，增益方向图

0 引言

坦克通信系统在信息传输中发挥着重要作用，但由于载体空间有限，各种坦克车载通信设备的天线都安装在坦克炮塔周围，电磁兼容环境十分恶劣。随着军事需求的不断提高和技术的不断改进，新一代坦克装载的天线数量还在增加，其自身的电磁兼容问题将会更加严重。天线布局优化设计技术是一种能在实际工程中方便有效的降低天线间干扰的方法。所谓天线布局设计是指在不改变天线发射和接收性能（即保证通信质量）的前提下，根据天线的工作特性通过合理的天线布局来降低天线间的干扰。

针对坦克车载天线布局的文献较少，相对于一般车载天线的研究，有其特殊性。主要是由于坦克自身结构限制，其天线一般均布置在其炮塔周围相对较集中的平台上，天线间的干扰问题更加显著。文献［1-3］分别利用矩量法（MoM），时域有限差分法（FDTD）对车体上的单一线天线的电参数进行了分析，文献［4］利用矩量法仿真3根VHF线天线间的耦合度，对车载多天线系统的天线布局进行了预测。文献［5］使用时域有限差分法，分析了多根车载短波与超短波天线系统的电磁兼容特性。文献［6］着重分析了汽车上不同安装位置处鞭状天线电参数的变化情况，并提出最佳安装位置。总的来说，针对车载天线的仿真研究中，车体模型设置都较简单，分析天线多为简单的线天线，类型单一，线面天线结合的很少。本文以国内某型坦克真实三维模型为基础，分析了坦克车上5副结构不同、工作频率不同的天线间的干扰情况。采用集多种时域和频域算法的电磁场仿真软件CST对两种布局方案下的天线特性、天线间耦合度进行了仿真，准确预测天线间干扰的程度，通过评价系统电磁兼容的重要指标——天线耦合度的分析来实现天线位置的优化。

1 天线耦合度的定义

耦合度是反映天线间电磁兼容性最重要的参数，用来衡量天线间的相互干扰程度。对于一对发射/接收天线，天线间的耦合度定义为接收天线接收到的功率和发射天线的输入功率之比，输入功率包含了近场区的功率和辐射场辐射出的功率，这两部分功率都对接收天线产生作用。公式如下：

式中，Pr为发射天线的输出功率，Pin为接收天线的接收功率。在天线数为m的多天线系统中，如果将多副天线等效为一个多端口网络，每副天线的天线端口对应网络的一个端口，天线激励端为端口的参考面。发射天线i和接收天线j组成的第k个天线对间的耦合度CPk可表示为：

式中，Sji表示其余各端口均接匹配负载时，i端口到j端口的传输系数。

对于装有多副天线的坦克车载平台，要确定天线的最佳布局位置，必须综合考虑多个天线的耦合度来评价不同天线布局方案的优劣。采用加权法对多天线系统综合耦合度进行评价是很好的办法，当天线总数量为m时，评价公式如下所示：

2 坦克平台和天线建模

2.1 坦克平台建模

载体平台模型的建立是进行天线布局分析的前提，本文以国内某型坦克为原型，采用结构软件对其进行1∶1建模，如图1所示，车体的外部尺寸（不包含炮筒）为7.6 m×3.5 m×2.37 m。由于真实的坦克模型细节众多，要使其在仿真软件中能够顺利完成网格的剖分和运算求解，就必须对模型进行简化处理，包括模型的精简、合并和错误修正。考虑到仿真软件的仿真能力和计算结果的准确性，精简忽略的内容包括：机枪架、舱体内部结构，车轮部分、履带等细节结构等。按上述方法建立的仿真模型既保留了坦克平台的特征，又减少了仿真运算时对计算机内存的需求，缩短了仿真时间并且对仿真精度影响不大。

图1 简化后的平台仿真模型

2.2 天线建模

本文主要针对装载在坦克平台上的5副射频孔径天线进行布局分析，5副天线的功能和工作频率不同，其天线形式也不同。短波和超短波天线采用鞭天线，工作频率分别为2 MHz～30 MHz和30 MHz～80 MHz；卫星导航天线采用双层微带天线结构，中心频率为12xx MH和15xx MHz，带宽为±10 MHz；卫星通信天线工作在X频段，采用微带阵列天线，中心频率10 GHz；敌我识别天线为波导裂缝阵，工作频率大于30 GHz。

图2 4种天线结构模型

根据上述天线特性在仿真软件中对其逐个建模仿真，建立的模型如图2所示，各天线（天线阵）工作在其中心频率时对应的自由空间方向图如下页图3所示。方向图是衡量天线性能最重要的指标之一，表示在不同方向上天线辐射的场强分布。当天线安装到平台上时，由于存在遮挡或者其他的天线影响，其方向图就会发生明显的畸变。天线布局首先要保证天线方向图的畸变在系统容许范围内，也就是说要保证天线的电性能指标满足系统通信的要求。很显然，系统电磁兼容对于安装在平台上的天线期望是加载后的方向图相对于自由空间方向图的畸变越小越好，天线间的耦合度越小越好，这就是天线优化布局的目标。

图3 天线增益方向图

3 仿真分析

3.1 布局方案

坦克的车顶布置了较多的物体，受到空间的限制，天线只能布置在一些确定的位置（炮塔前端、炮塔中部和尾部的空余处）。考虑到天线的布置方便性（如不宜将天线布置于太过于拥挤的位置，这将给天线的拆装、维修等带来麻烦）、保证人员和燃油的安全性（如在炮塔出入口和尾部油箱位置不应密集布置大量天线）、保证天线系统的全向性等原因，本文选择了两种具有代表性的天线布局方案。

布局方案中各天线精确位置坐标见表1。方案一各天线具体分布方式如图4所示，5副天线均位于坦克车炮塔上。其中1#短波天线和2#超短波天线分别位于炮塔后部的左右两端，3#卫星通信天线位于炮塔中后部靠右侧，4#卫星导航天线位于炮塔尾部右侧，5#敌我识别天线位于炮塔前端炮筒右侧。方案二具体分布方式如图5所示，与方案一不同的是1#短波天线和2#超短波天线往后移到炮塔最后部的左右两端，3#卫星通信天线位于炮塔中后部右侧，4#卫星导航天线往前移动到炮塔前端炮筒左侧，位置与波导裂缝阵天线关于坦克中轴线对称，5#敌我识别天线位置无变化。

表1 两种布局方案天线坐标（单位：mm）

图4 天线布局方案一

图5 天线布局方案二

3.2 仿真结果分析

天线间耦合度一般利用仿真软件计算的传输系数直接获得，最直接的方法是将所有天线孔径直接加载到平台模型上，分别激励，采用全波算法计算其工作频带内各端口之间的传输系数。对于频率较低的短波、超短波天线、卫星导航天线，其结构简单，波长较长，可以采用CST软件提供的全波算法——时域有限积分法对其进行精确计算。对于工作频率更高的卫星通信天线和敌我识别天线来说，其波长短，坦克平台与其相比就变成了大尺寸，由于计算机硬件资源的限制，采用全波算法无法计算。可以采用CST软件内嵌的高频算法，先计算装载后的发射天线在接收天线上的远场方向图，将其作为发射源，接收天线工作频率的远场方向图则作为接收源。在天线耦合计算的后处理模块中，分别导入发射源和接收源，即可计算出发射天线对接收天线的耦合度。

按照布局方案一和布局方案二分别仿真得到装载到坦克平台后天线间的互耦值如图6所示，限于篇幅，仅给出两种方案下短波与超短波，超短波与卫星导航天线的传输系数对比仿真曲线。将所有天线中心频率传输系数仿真值列入表2，以便对比和计算两种方案的综合耦合度。考虑到频率隔离度、仿真时间和内存需求等因素，个别天线组合未进行仿真。由于工作频率大于30 GHz的波导缝隙阵天线受波导截止频率的限制，不会对低于其截止频率的天线产生影响。根据波导a、b边尺寸计算得到的截止频率大于20 GHz，远远高于其他天线的工作频率，因此，波导裂缝阵天线不会对其余天线产生干扰。

图6 两种布局方案隔离度对比

表2 各天线间传输系数（dB）

对于坦克车上布局的5副天线，假设其重要性相当，每对天线加权系数均为1，根据式（3）可得判定最优布局方案的系统综合耦合度表达式：

将表2中的数据代入式（4），可看出方案二的综合耦合度小于方案一。由于短波和超短波天线在两种布局方案下位置变化较小，因此，其耦合度仿真值也基本相当。除敌我识别天线与卫星导航天线外，其他天线对之间的耦合度方案二明显优于方案一，这符合天线间距离越大，天线耦合度越低的原则。按照此方案布局的所有天线间耦合度最大值为-17.0 dB（短波天线与超短波天线间的耦合），该值与实测经验数据较为吻合，最小值为-107 dB（通信天线与卫星导航天线间的耦合），天线间干扰很小，能够满足系统通信要求。按照方案二布局的各天线装载后方向图如图7所示，与图3所示的自由空间方向图相比有一定畸变，但仍旧保留了与单天线相似的方向性，保证了这种布局方案的可行性。

从上述仿真结果可以看出，天线间的耦合度随着天线间距离的增大而减小，因此，即使是在空间有限的坦克车载平台上，还是要尽可能地增大天线间的距离。平台对天线电性能的影响主要是造成方向图的畸变和回波损耗曲线偏离设计工作频段，即在工作频段内天线输入阻抗失配。全向天线比方向性很强的阵列天线更易受平台遮挡影响，要避免将其布置在有遮挡物的附近。将在自由空间设计好的天线加载到坦克平台以后，由于安装环境造成的频率漂移需要进行设计修正，以保证天线在平台上能够满足电性能指标的要求，完成系统要求的功能。

图7 各天线加载后方向图

4 结论

天线布局是系统电磁兼容设计的重要方面，本文建立了坦克平台模型及其上安装的5副天线模型，采用商用电磁仿真软件CST提供的时域有限积分算法和高频算法，对天线间的耦合度和天线装载到平台前后的方向图进行了仿真计算。通过对比分析两种布局方案下天线的综合隔离度，给出了最佳的布局方案。平台模型基于实物结构尺寸，天线模型既有线天线又有面天线，有单天线，也有阵列天线，弥补了以往类似研究中平台模型过于简化，天线形式单一的情况。文中的建模方法和数值仿真分析结果，可为实际坦克平台的电磁兼容性分析以及平台上的天线布局优化提供参考。

［1］Ankarson P，Carlsson J.FDTD Simulation of the Electrical Environment for Vehicles By Using CAD-data［C］//Electro-Magnetic Compati-bility 2002 3rd International Symposium. Boras，Sweden：SP Swedish Nat.Testing&Res.Inst，2002：272-275.

［2］Jobava R G.Bogdanov F G，Gheonjian A L，etal.Analysis of Influence of Vehicle Bodyshell on the Characteristice of Wire Antennas Using New MoM-based EM/EMC solver［C］//IEEE Internation Symposium on Antennas and Progagation Society，2003，4（22-27）：831-834.

［3］纪奕才，邱扬.车载多天线系统的电磁兼容问题分析［J］.电子学报，2002，30（4）：560-563.

［4］严海舟，杨显清，黄坤超.利用矩量法设计车载多天线系统天线布局［J］.安全与电磁兼容，2009，6（10）：39-43.

［5］范喜全，匡镜明，别晓武.车载多天线系统的仿真研究［J］.系统仿真学报，2008，20（10）：2637-2639.

［6］俞集辉，马晓雷.车载鞭状天线电磁特性及耦合度的仿真研究［J］.计算机仿真，2008，25（1）：271-284.

Analysis and Simulation of Layout for Tank Multiple Antenna System

QIN Wen-yi
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

To research the electromagnetic compatibility of Tank multi-antenna system，the performance of the system is improved by analyzing the interference among the antennas and the influencing factors.The electromagnetic character of antennas at different position on model and the coupling degree between the antennas are simulated using CST.The best antenna position and coupling between antennas are obtained by comparing the simulation results of two different layout.The analysis process and simulation results can provide some references for tank vehicle antenna’s design and electromagnetic compatibility research.

EMC，antenna layout，coupling，gain patterns

TP391.9

A

1002-0640（2015）04-0098-04

2014-01-05

2014-03-07

秦文奕（1981- ），女，四川内江人，工程师。研究方向：天线、电磁兼容。