平坦地面条件下装备间天线电磁耦合度分析

王 伟 王学田 王 文 宋 崧 李名游 陈 磊

（1.北京理工大学信息与电子学院，北京100081；2.中国人民解放军装备学院，北京101416）

引 言

随着电子信息技术的发展，越来越多的电子信息装备将被投入现代军事运用中，当他们被部署在较近的空域内同时工作时，通信装备间的电磁环境变得较为复杂，各个装备间电磁兼容的问题就显得尤为突出.若不能达到电磁兼容，装备系统间整体工作效能就会下降，不仅达不到预期的目的，还可能会相互制约，甚至导致某些装备系统不能正常工作.因此，系统间的电磁兼容性问题的研究迫切而重要［1－2］.

平坦地面条件下的通信系统间电波传播主要考虑直射波、地面反射波及天波传播，本文由于考察的是近距离系统间的通信装备间电磁兼容的影响，因此不考虑天波对电波传播的影响.本文主要分析了地表面反射系数以及地面土壤介质的介电特性；仿真得到了车体模型、地面介质、距离等因素对天线间耦合度的影响；建立了平坦地面条件下两辆通信车上发射天线与接收天线间的电磁耦合度的精确模型；通过仿真得到了与实测结果较为一致的电波传播损耗数据，为典型通信系统天线间电磁耦合度模型校验和典型通信装备间电磁兼容预测提供了基础数据.

传统研究通信系统间电波传播损耗的方法是根据某些具体野外环境试验得到的数据，通过统计分析建立理论模型.文献［3］利用修正后的COST231－Hata模型，仿真数据和实测数据的均方差为5.14 dB，但由于忽略了真实环境对结果的影响，对于集群车载通信装备的传播损耗的计算来说误差较大.文献［4］采用了基于射线追踪算法的电波传播损耗预测软件Wireless InSite，仿真与外场实测数据的平均标准偏差为4.5dB.但由于仿真中的环境量化误差较大，以及射线追踪算法的取舍误差，最终的传输损耗结果存在着一定的误差.

1 地面反射系数分析

地面和地面覆盖物是无线电波在户外传播过程中最主要的影响因素，主要是对电磁波的反射、绕射和散射，以及对电磁波的衰减和吸收.当电磁波在光滑地面上传播时，会发生镜面反射现象，地面反射波和直达波会在接收点处产生干涉现象，合成场强会产生强烈的衰落；而当电磁波在粗糙地表面上传播时，反射到地面上的波会形成漫反射，反射波和直达波在接收点处不会形成干涉，而是功率叠加，合成的信号不会出现强烈的衰落，而只是会表现出信号的闪烁和起伏［5－6］.

在现实野外平坦地貌条件下，绝对光滑地面情况是不存在的，判定地面是光滑还是粗糙的标准一般根据雷利准则.当雷利准则标准取的较为严格时，应满足

当Δh＜Δhmax时，镜面反射占绝对优势.当天线为垂直极化方式时，可根据镜面反射计算出地面反射系数为

式中：ε′r＝εr－60λσ；φ为擦地角.

当Δh＞Δhmax时，必须将其视为粗糙地面，一般来说粗糙地面的反射系数可以写为

式中：α为粗糙地面对于反射射线的衰减因子；Rf为费涅尔反射系数.实际中α是无法有效计算出来的，并且也很难被测量.

2 地面土壤介质介电特性分析

微波波段土壤的介电常数对雷达回波的影响是很大的，介电常数越大，反射雷达波束的作用越强，透射作用越小，而且土壤的介电常数和土壤湿度有很大的关系.一般来说，土壤的介电常数主要受到入射电磁波频率、温度、盐度、土壤中总的体积含水量等方面的影响.

土壤的复介电常数用ε＝ε′－jε″表示，式中：ε′为复介电常数的实部，其含义为在两种不同介质表面发生的波的折射和反射现象，与介质的介电特性有关；ε″为复介电常数的虚部，与入射电磁波在介质中的衰减（吸收和转化）有关，对于大多数自然表面，ε″远小于ε′.

Wang and Schmugge建立了一种四成分模型［10］，设干土壤中沙土含量为S% 和粘土含量为C%，其中S＋C≤100，定义土壤的湿度压缩点为Wp＝0.06774－0.00064×S＋0.00478×C；临界体湿度的经验公式为mt＝0.49WP＋0.165，定义参数β＝－0.57Wp＋0.481.

当土壤中的含水量mv≤mt时，等效介电常数εs＝mv×εx＋（p－mv）εa＋ （1－p）εr，其中εx＝

当土壤含水量mv＞mt时，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是冰的介电常数；εr＝5.0－0.1j为岩石的介电常数；εa＝1.0是空气的介电常数；εw是工作频率下纯水的介电常数.一般情况下，土壤中岩石的密度ρr＝2.6 g／cm3，设干土壤的密度为ρb，则土壤的积孔率为：p＝1－ρb／ρr.

3 仿真研究

3.1 车体结构对耦合度的影响

在复杂地貌环境下，我们需要考虑通信车车体及车体周边环境等因素对通信天线辐射特性的影响.当通信系统中的收发天线的工作频率为低频时，由于电波波长和通信车车体几乎可以比拟，因此车体对天线辐射特性影响较小；当通信系统工作频率较高时，根据几何绕射理论可以得出车体绕射场的计算公式为

式中：s1为发射点到绕射点的距离；s2为接收点到绕射点的距离；D为绕射系数.从式（4）可以发现当通信车相距较近时，如图1所示，天线辐射在车体上的绕射场对于接收点处的场强还是有着一定的影响.因此，在实际仿真过程中，必须考虑通信车车体对天线辐射特性的影响.

图1 车体散射场示意图

仿真的实际通信车模型参考了测试所用到依维柯通信车，如图2所示.利用FEKO软件所建立的车体模型如图3所示.所用收发天线为典型通信系统的短波天线，天线工作频率范围为1.6～30 MHz.

图2 测试场地及测试车

为了使得模拟车体的近场条件模拟的更为逼真，仿真在自由空间环境下建立了精确的车体模型，考虑到了实际车体顶端的具体情况，包括车顶上的两个箱体结构以及车尾端的圆柱体结构，并且在模拟车中考虑了车窗的玻璃材料以及车胎的橡胶材料，模拟车采用金属空心车体.通过仿真分析，得到了现模型和立方体车体模型在短波及超短波频段下各自耦合度的变化情况，如图4所示.

图3 测试车在FEKO5.5中的精确模型

图4 自由空间下精确模型和简易模型的耦合度对比图

由图4可以看出，不同车体模型对天线间耦合度影响较大，尤其是在频率较高的时候，车体的具体形状、结构及参数等因素对收发天线的辐射特性有着很大的影响.因此在实际的建模仿真工作中，需要考虑通信车的车体结构以及通信车周边环境对结果的影响，并且需要建立精确的车体模型.车体最终模型如图3所示.

3.2 地表面的介质特性对耦合度的影响

对于真实地面土壤介质的介电特性，情况就比较复杂.因为随土壤深度增加，土壤的含水量、温度等也会发生变化，尤其是含水量这一重要指标，对土壤介电常数影响较为明显.一般来说，土壤含水量随着土壤深度的增加而加大，因此在仿真中需要对土壤介质进行分层处理，然而这将大大增加仿真的计算量，仿真周期将会很长.考虑到分层模型的仿真对计算机内存及性能要求很大，本文只考虑一层地面的影响，同时为了减小仿真计算量，地面介质层的厚度就不能设置太大，需要通过仿真分析得到其厚度的仿真最小值，即若厚度再增加对得到的耦合结果几乎不会有任何影响，最终将地面厚度设为5 m.同样方法，根据仿真将模型中的车体与地面边界的距离设为0.25个波长的距离，认为此时增加边界的大小对耦合度影响不大.模型如图5所示.

图5 地面土壤介质及通信车建模

图6～8分别为不同地面介质条件下，天线间电磁耦合度与自由空间条件下的对比.反映出不同的地表面介质（金属、纯水、海水）对耦合度的影响，为土壤地表面情况做参照.

图6 地表面为金属

3.3 仿真与实测结果

实际测试的地点为河南省孟州市的一处开阔平坦的测试场地，仿真模拟的地面介质为“沙壤土”，其含沙量为51.5%，粘土含量为13.5%，温度为20°，含水量为40%.经过第2节地面土壤介质的介电特性的分析，计算得出其介电常数为25.4，损耗角正切值为0.088 6.将计算结果代入到仿真模型中，得到了最终的仿真结果并与实测结果进行对比，如图9所示.

图7 地表面为纯水介质

图8 地表面为海水介质

图9 仿真结果与测试结果对比图

从图9可以发现：仿真结果曲线能够大致描述实际测试耦合度曲线的变化规律；但是仿真结果在多数频点均大于测试结果，分析可能是由于测试场地的大规模草丛对于短波天线的表面波传播造成了一定的影响，导致实测数据小于仿真数据.此外仿真中对于真实场景的理想化考虑，以及实际测试产生的误差都是最终误差的来源.

图10为天线间耦合度随两车距离变化的对比图.可以看出平原地貌条件下通信车天线间电磁耦合度的变化趋势：电磁耦合度随着距离的增大而减小，在高频时表现的更为明显.

然而实际应用中通信车间距分布距离较大，利用矩量法对地面及车体进行模拟仿真的方法极大增加了计算的网格数，尤其是在高频时仿真周期会大大增加.因此，当两车距离较大，在高频时，可以将模型进行分段仿真，即分别将发射和接收两端的天线、车体及地面情况看成一个整体，两车之间的地表面只考虑主反射面的影响.通过分段仿真减小了仿真的计算量，从而实现较远距离时平坦地面条件下天线间耦合度的仿真.

图10 耦合度随距离变化对比图

4 结 论

本文研究了处于平坦地面条件下电波传播的地表面反射系数，对地表面的土壤介电特性进行了详细的分析；仿真分析了车体结构对天线辐射特性的影响，从而对仿真中车体的结构进行了精确建模；本文最终建立了平坦地面情况下，两通信车的收发天线间电磁耦合度的仿真模型，经与实测数据对比分析，仿真结果与实测数据变化规律一致，最大误差为16.54dB，均方差为4.21dB.

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