数据链仿真系统中室内环境对天线的影响研究

刘彬彬

【摘 要】本文针对弹载数据链仿真系统模拟试验时，所采用的吸顶天线遇到的问题进行了研究。通常由于室内环境比室外复杂，要获得良好的信号覆盖，必须构建一个天线网络。但由于室内空间资源有限而造成有些天线不得不安装在不适合的位置，从而导致天线的性能急剧下降。本文对吸顶天线在室内的布局应用进行了理论分析和实验研究。

【关键词】室内通信；吸顶天线；天线网络；信号覆盖

1前言

战术导弹武器的协同作战、集群攻击是当今世界导弹武器的作战使用趋势之一，以弹载数据链为基础的多址通信与信息共享技术是导弹武器飞行中实时通信，实现协同作战的前提。本文据此构建了数据链应用仿真系统，该系统以新一代战术导弹武器系统协同作战的通信链路验证为背景，设计时充分考虑了导弹武器飞行全过程的姿态特性、反应速度及控制特点，系统围绕导弹的实际作战需求进行设计，尽量本仿真系统保证与实战环境的一致性。

其中，无线通信终端若干部，作为数据源和接收装置，用于模拟导弹飞行过程产生的飞行轨迹、姿态、内部工作状态等信息，通过无线天线发送到数据链终端中，并接收数据链终端的遥控信息，同时可将模飞过程中的所有状态、控制和通信情况通过网络接口传输给地面站等效设备。数据链终端用于模拟导弹集群飞行中的母弹，负责对整个集群的状态监测、飞行遥控和通信链路管理。基于弹载数据链的自身特点，难以进行大批量的飞行试验，因此试验室模拟成为检验系统工作性能的必要手段，而室内环境进行模拟的数据链仿真系统中使用的天线必须要求良好的信号覆盖率。因而建立高效率的室内覆盖系统是目前研究的重点。

覆盖系统主要采用天线网络的方法，由于制造简单、实用等优越条件，本系统的天线采用螺旋全向吸顶天线。在实际的工程应用中，在室内不同的位置吸顶天线的覆盖范围有很大的起落变化。在某些情况下，其性能参数甚至会产生很大的衰退。产生这些现象的几个主要原因有：①天线在一个带有各种开口和孔缝结构，而且不规则的腔体内工作；②室内有各种金属或是非金属的家具和办公用品；③内室的多种电器设备会对天线产生干扰；④各式各样的电源线和导线干扰。本文针对这些问题通过具体的应用来进行理论研究和验证，得出一些通用的规则。

2螺旋吸顶天线室内特性理论分析

法向模螺旋天线可根据成熟公式来进行设计。关键参数为轴比、增益和带宽之间的平衡。采用小环和短偶极子远场分析方法可以作为初始设计。它们的场为：

式中A为环面面积，S为偶极子的长度，I为电流强度。在菲涅耳区的时候，在采取相应的近似后横向场的表达式与远场一样。当频率大于1GHz的时候波长小于0.3m，对于室内环境来说，需要关注的区域不仅仅是辐射区域，还有辐射近场区（菲涅耳区）。小环和短偶极子的模型还是可以用来分析远场，但是由于是室内，所以在某些区域放置的天线需要考虑镜像对方向图的影响，例如当天线贴近墙壁和墙角的时候。另一个需要关注的是当窗户里天线不远的情况。这些是我们关注的重点。一个螺旋天线可以看做是小环和短偶极子的阵列天线。阵函数为：

从阵因子方向图我们可以看到，它与偶极子和小环天线方向图相乘后，总方向图去掉了后瓣。对于我们分析的区域没有影响，因此上面所提到的模型适合于本文所分析的情形。天线的轴比为：

从上面看到，当考虑远场的时候，而当处于菲涅耳区的时候项对总的轴比影响不大。因此远场的分析结果可以在工程应用中分析辐射近场区的近似趋势。

2.1 墙壁影响分析

图1（a）中的偶极子及环天线根据镜像原理可等效成图1（b）的模型。其中虚线表示镜像源。在这里的模型中，我们认为在室内的某一块区域内看作是近场，其他区域则看作为远场。根据镜像原理，电偶极子的镜像的方向如图1（b）所示，当源平行于平面时，方向相反；当源垂直于平面时，方向相同。而小环电流则相反。由图（b）模型我们可以估计方向图如图2所示。其中带圆圈的线为无墙壁时的情况，实线则为有墙壁的时候的方向图。从图中我们可以看到，有墙壁的时候在某些方向上得到了加强，而有些方向却减弱。因此当布置一个天线在墙壁附近的时候，覆盖范围中存在一些盲区。这是我们所不希望的。但是通过调整离墙壁的上下和前后的距离，我们可以在一定程度上缓解这种现象，如图3所示。

2.2墙角影响分析

当天线放置在墙角的时候，采用与1.1的方法一样。不同的是，这里的情况更加复杂一些，有三个镜面。因此镜像更加复杂。方向图中出现了更多的波瓣，覆盖范围中出现零点的地方更多。因此当布置天线的时候应尽量避免这些地方。

2.3门窗影响分析

由于孔缝的作用，窗户的情形要复杂一些。根据等效原理，我们可以做一些简化的模型，如图4所示。在原窗口区域，本模型利用等效磁流约等于在自由空间中辐射的小环电流和短电偶极子在那里产生的场。据此，我们可以得到相应的方向图，具体如图5所示。

3实验分析

由前面的理论分析可知，室内不同于室外的主要原因是墙体、窗口等结构。要在这样的环境中做到良好的信号覆盖率，必须对天线布置进行优化。下面我们选取几个典型的位置作为发射区域，而固定一个接收点的方式来进行实验。根据上面的理论，天线离墙壁和窗口的距离需要进行优化，测试点示意图如图6所示。

图中发射点指发射天线放置在这临近的区域的情况。测试结果如图7所示。从图中可见，当天线位于墙角的地方时，产生了多瓣效应，在瓣与瓣之间的地方可存在信号盲区。而当一侧有窗户的时候，这种效应得到一定缓解。当天线位于支柱附近的时候，由于柱体的绕射效应，产生了更多的波瓣。因此天线的放置应尽量避免靠近柱体。图6与图7当中的尺寸均为示意相对位置。

4结论

本文研究了室内天线的信号覆盖问题，提出了简化的模型，并以数据链应用仿真系统为背景的项目来进行实践研究。简化的模型以短偶极子和小环天线的模型为基础。室内空间相对于波长来说大部分属于远场区域。由于现在的应用波长小于0.3m，所以在一个大厅的办公环境来说，研究的区域处于远场区域。从而天线系统的分布问题可以应用本文中简化模型来研究。从上面的实验和理论研究中，我们可以的得出在布局室内天线系统的时候：

避免在墙角的地方安装天线；

避免在实体支柱附件布置天线；

靠近窗口放置天线可改善信号的覆盖；

避免在小房间离布置需要覆盖其他地方的天线；

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