基于巴仑半波对称振子的车载天线耦合度分析

张婷， 王绍银， 李照泉， 李鹏， 邢移单

(同济大学浙江学院 电子与信息工程系，嘉兴 314000)

0 引言

电子通信技术的发展，使各种功能的天线设备密集分布于飞机、船舰、机车等平台上空间狭小的设备间内，不同功能的天线可能存在重叠的工作频带，如布置不当电子设备之间存在严重的电磁干扰。因此解决载体天线系统的电磁兼容问题显得尤为重要。近年来，研究载体天线的电磁兼容性，选择的天线类型大多为经典振子天线或者结构简单的天线。对经典振子天线性能的研究可为其在特定电磁环境下的应用奠定基础，文献[1]利用矩量法分析粗振子天线，得出振子粗细对天线驻波比和辐射功率的影响。从振子天线工作带宽的角度，将传统线状振子结构改为片状结构[2]，可实现满足驻波比条件的相对带宽的增大。在半波对称振子的适当位置加载并联谐振回路，使得振子工作在频率低/高端时回路成短路或开路的状态，也可以达到频带展宽[3]的目的。天线在特定系统中的应用方面，文献[4]使用单极子天线，建立无人机头部、腹部和尾部机载天线系统模型，使用时域有限差分法仿真天线作用于机腹区域27个关注点的辐射特性，确定综合辐射影响最小的点为机腹天线的安装位置，并给出了电磁场分布情况。针对天线安装位置问题，文献[5]建立车载振子天线模型，利用CST仿真了天线的耦合度与方向图等特性参数，对比分析了位置变化对不同工作频率天线电磁特性的影响。文献[6]建立飞机简化模型并引入遗传算法分析振子天线的耦合度，得出使待求天线获得最小耦合度的位置，然后建立飞机三维实体模型，使用FDTD算法仿真验证了所求天线的最佳位置。文献[7]分析了车载军用超短波天线的距离、垂直高度和极化方向的变化对天线耦合度的影响。文献[8]使用多目标粒子群优化算法对某战舰上的天线位置进行布局，取得了多种优化方案可供实际需要选择应用。

使用结构简单的天线用于载体天线电磁兼容性仿真，是在天线工作性能为理想最优的前提下进行的，实际载体天线的类型具有多样性，要满足不同的功能需求其结构更加复杂，为取得较好的天线性能还需要精准建模。研究复杂天线的车载天线系统电磁兼容性鲜有报道。本文针对较复杂天线的应用，设计4种频率的巴仑半波对称振子天线，建立实际列车车载天线的电磁环境和收发天线耦合度模型，分析有限空间多天线的耦合度，进而仿真实际列车车载天线系统的耦合度，所得结果为列车车载天线的优化布局提供参考。

1 巴仑半波对称振子原理与设计

用平行双导线对半波振子馈电，振子仍是平衡的。实际工程中天线是按照标准的特性阻抗设计的，即50 Ω，若用同轴线对半波振子馈电，振子两臂上的电流不是对称分布。同轴线传输的是平衡模式，如图1所示。

图1 同轴线馈电原理

其内导体上的电流I1与外导体内壁上的电流I3等幅反向。内导体连接振子右臂，I1等于振子右臂上的电流，外导体内壁上的电流一部分形成振子左臂上的电流I2，另一部分分流至外导体外壁上，形成电流I4，即I3=I2+I4，I1≠I2，振子失去了原来的对称性。电流I4的存在会产生附加的辐射和损耗，使方向图畸变，还会出现不该有的交叉极化分量，破坏了原来的正常极化。为此，采用扼流套(巴仑)作为不平衡-平衡变换器，在同轴线外加一段λ/4长的金属圆筒，其与同轴线外导体间形成一段λ/4短路线，开口处输入阻抗为无穷大，从而使溢出的电流I4=0。

巴仑半波对称振子设计，如图2所示。

图2 巴仑半波对称振子结构

长为h1的同轴线内置长为h2的圆柱型导体，外置等长的巴伦套筒。振子左臂与同轴线和巴伦相连，右臂与同轴线内导体相连，右臂延伸一段距离处与馈电探针相接。同轴线长应为天线工作波长的λ/4，振子双臂长为λ/2，由于臂“终端效应”的影响，实际长度要缩短5%左右，同轴线内导体应略高出同轴线与巴仑套筒一段距离，馈电探针与同轴线也应相距一定距离。其他参数可与主要参量关联起来通过计算得出。模型材质设置为金属铜，馈电端口在同轴线的底端，需要增加导电反射板来提高天线的辐射功率。馈电方式定义为集总端口，比传统的波导馈电进一步改善了天线性能。

2 模型建立与分析

以某型号列车车头为载体建立电磁仿真环境，车体是规则几何体对车顶部的电磁环境没有影响，可用22 190 mm×3 380 mm的平面简化等效列车车体，平面铝合金材质的电导率为2.5×107S/m。建立列车用GSM-R、450 MHz、GPS以及800 MHz巴仑半波对称振子天线模型，按照实际车顶天线布局安装这4种频率的9副天线，如图3所示。

图3 车顶部天线系统模型

天线在车顶部的中轴线沿x轴正向平行线型排布。9副天线编号从原点沿x轴正向递增，1号与2号GSM-R天线、2号GSM-R天线与3号450 MHz天线、3号450 MHz天线和4号GSM-R天线相邻间距均为2 600 mm，4号GSM-R天线与5号GPS天线、5号GPS天线与6号GSM-R天线、6号GSM-R天线与7号GPS天线、7号GPS天线与8号GSM-R天线相邻间距均为1 300 mm，8号GSM-R天线与9号800 MHz天线间距为5 740 mm。1号天线距离车顶部右侧1 725 mm，9号天线距离车顶部左侧465 mm。考虑GSM-R天线为发射天线，其余天线为接收天线，分析接收天线位置变换时接收天线对发射天线的电磁干扰，以及接收天线对发射天线工作性能的影响。在此基础上，分析实际车载天线系统的电磁干扰情况，通过相应指标来衡量电磁干扰的程度和变化趋势。

载体天线系统电磁干扰的主要传输途径是天线间的互偶，用耦合度来表示这种互偶效应的强弱。耦合度定义为式(1)。

(1)

(1)式中Pin表示发射天线的净输入功率，Pout表示接收天线的净输出功率。

9副天线的任意两副天线都存在互偶，根据微波网络理论可以将9副天线与载体组成的系统看成一个多端口广义网络。因为多天线的互偶与两天线互偶相似，以2副天线组成的系统为例，并将其等效为一个二端口网络，如图4所示。

图4 等效二端口网络

端口1和端口2是分别连接发射天线和接收天线的激励端口，a1、a2为入射波，b1、b2为反射波，S参数为联系入射波和反射波能量关系的散射参数，对应的关系为式(2)：

(2)

(3)

3 仿真结果与讨论

(1) 有限空间多天线的耦合度

选择建模好的GSM-R(870 MHz-960 MHz)、800 MHz(815 MHz-875 MHz)、450 MHz(450 MHz-470 MHz)和GPS(1.574 GHz-1.577 GHz)巴仑半波对称振子天线。将GSM-R天线作为发射天线固定在原点，依次在GSM-R天线水平沿线的一定距离处分别增加800 MHz、450 MHz和GPS接收天线，分析增加天线距离的变化引起的耦合干扰和对发射天线工作性能的影响，进而确定增加天线的合适位置。

GSM-R天线后增加800 MHz天线，分析800 MHz天线距离GSM-R天线5个GSM-R天线的工作波长变化范围，800 MHz天线与GSM-R天线耦合度随距离增加而减小，相距3个工作波长时，两天线耦合度开始小于-30 dB，确定800 MHz天线位置为距离GSM-R天线3个工作波长。800 MHz天线后增加450 MHz天线，分析这两副天线5个工作波长的变化范围，GSM-R天线与800 MHz天线以及GSM-R天线与450 MHz天线的耦合度均低于-30 dB，GSM-R天线与800 MHz天线的谐振频点在其工作频段内有小偏移，但驻波比在1.5以内。800 MHz与450 MHz天线耦合度在它们相距2个工作波长时，两天线耦合度约为-30 dB，相距3个工作波长时两天线耦合度低于-30 dB，为确保稳定的耦合度，450 MHz天线位置距离800 MHz天线3个工作波长。

450 MHz天线后增加GPS天线，分析这两副天线5个工作波长的变化范围，GSM-R天线与800 MHz天线耦合度仍低于-30 dB，天线性能受GPS天线影响很小，GSM-R天线与450 MHz天线，GSM-R天线与GPS天线，800 MHz天线与450 MHz天线的耦合度均低于-32 dB。800 MHz天线与GPS天线耦合度低于-53 dB，如图5所示。

图5 800 MHz天线与GPS天线耦合度

1#、2#、3#和4#分别表示GSM-R天线、800 MHz天线、450 MHz天线和GPS天线。450 MHz天线与GPS天线相距4个工作波长时耦合度低于-34 dB，并且能满足其它天线两两之间的耦合度要求，两者耦合度随距离的增加继续降低，但下降幅度逐渐减小，当距离增加到5个工作波长以上时耦合度趋于稳定。经综合分析选择GPS天线位置为距离450 MHz天线4个工作波长。因此，两端天线的最远距离是10个GSM-R天线的工作波长，在这样的排布下天线系统的电磁兼容性能得到保证。限于篇幅原因，仅给出有限空间内定位好的天线耦合度和相关天线性能，如图6-图8所示。

图6 多天线间的耦合度

图7 多天线间的耦合度

图8 GSM-R天线2D增益方向图

(2) 列车顶部天线系统的耦合度

按照实际列车天线布局方案安装4种频率的9副巴仑半波对称振子天线，将4频率天线分别作为发射天线，仿真各车载天线系统的耦合度。如图9所示。

图9 GSM-R与各天线的耦合度

GSM-R发射天线，各GSM-R天线与1#、2#、3#天线耦合度随距离的增加而减小，1#与2#天线以及2#与3#天线，间距相等情况下，频率相差较大的相邻耦合度变化幅度较大。同理，4#至8#天线区段为GSM-R天线与GPS天线交替布置，因为相邻天线频率相差较大，相邻耦合度变化幅度也较大。GSM-R天线与8#天线及其与9#天线间的耦合度呈下降趋势，但随间距增加相邻耦合度下降趋于平缓。

从图10可以看出，9#的800 MHz发射天线与其他天线的耦合度，随天线排布顺序曲折上升，800 MHz天线与GSM-R天线的耦合度随间距减小而增大，仅在3#天线处因频率突变有小幅度下降，说明在一定远距离下频率的影响更明显。5#与7#天线处耦合度出现了低谷，而7#天线距离更接近9#天线，耦合度有小幅度回升。

图10 800 MHz天线与各天线的耦合度

如图11所示。

图11 450 MHz天线与各天线的耦合度

450 MHz发射天线与其后各天线的耦合度呈曲折下降趋势，因为其工作频段与其他天线相差较大，所以整体耦合度低于-50 dB。

由图12可知，GPS发射天线的耦合度曲线呈先升后降趋势，因为GSP天线在天线整体排布中位置偏中部，7#天线耦合度曲线与5#天线相似，在位置上有一定距离的平移，两条曲线在6#天线处出现交点，由于6#天线两边对称分布的是GPS天线。

图12 GPS天线与各天线的耦合度

综上分析，收发天线的耦合度随天线间距离的增大而减小，相邻天线工作频段相差较大时相邻耦合度变化的幅度也较大。不同频率收发天线耦合度受距离和频率的影响，距离一定时频率相差越大耦合度越低。采用此种布置方案，各车载天线系统的发射天线都能正常工作。

4 总结

本文分析了巴仑半波对称振子天线平衡馈电的原理，使用HFSS-IE设计了列车顶部4种频率的巴仑半波对称振子天线。将此天线应用于列车顶部，建立车载天线系统电磁仿真环境，结合微波网络理论阐述收发天线的互偶效应，给出了耦合度表达式。利用HFSS-IE仿真分析有限空间多天线的耦合度，找出了符合系统电磁兼容性的天线位置。分析列车顶部天线系统的耦合度，验证了实际车载天线布局的合理性。结果表明，收发天线的耦合度随天线间距离增大而减小，相邻天线工作频段相差较大时相邻耦合度变化的幅度也较大。不同频率收发天线耦合度受距离和频率的影响，距离一定时频率相差越大耦合度越低。本文的建模方法与分析结果给列车车载天线的优化布局提供参考。