談天線隔離度

1、電子科技導報談天線隔離度石長生（清華大學）I 天線之間的耦合是無線電系統(tǒng)間電磁干擾的主耍傳輸途徑。天線隔離度是實現(xiàn)其電磁 兼容預測所必須的車耍參數(shù)。文章簡耍介紹線天線、面天線以及任意形狀天線隔離度的分析方法同時 介紹了改善天線隔離度的一些措施。:天線 耦合 隔離度 電磁兼容9© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All riglits reserved, 電子科技導報9© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing Ho

2、use. All riglits reserved, 電子科技導報1引言隨著電子技術的發(fā)展，無線電系統(tǒng)的應用 日益廣泛。各種功能無線電設備密集布置的場 合愈來愈多與無線電系統(tǒng)密集布置相伴的是 嚴重的無線電干擾。無線電系統(tǒng)間電磁干擾主 要傳輸途徑冠天線間的耦合。常用隔離度來定 量表征這種闔合的強弱程度，它定義為一個天 線發(fā)射功率與另一天線所接收功率之比，用dB 來表示。處理電磁兼容問題經(jīng)歷了解決問題、規(guī)范 與計算機預測三個階段。目前規(guī)范方法仍是主 導。為了實現(xiàn)無線電系統(tǒng)間的電磁兼容，須對 天線隔離度加以規(guī)范。兩天線的隔離度與天線 的輻射特性、間距及取向有關。其中有些因素 在架設前無法預知。為此僅

3、能對天線某些方向 的輻射特性加以規(guī)范。例如用于微波中繼通 信中的拋物面天線其前后比被規(guī)定為強制性 指標。很明顯兩個高前后比的拋物面天線背 靠背放置可獲得高的天線隔離度。一般情況下天線隔離度數(shù)據(jù)要由測量來獲 得。計算機的出現(xiàn)使電磁兼容技術步入預測階 段。早期的預測軟件（如IEMCAP山、IVEM CA）在遠場區(qū)假設下，利用天線遠區(qū)方向圖 來計算天線隔離度。對于存在于兩天線之間的 導電體（如飛機的機身、機翼等）引入阻擋因子。 80年代以后的預測軟件則采用了計算電磁學 的新成果。例如美海軍海洋系統(tǒng)中心開發(fā)的艦 船電磁設計軟件就含有三個天線模塊（NEC Method of Moments , N EC

4、?Basic Scattering 和 NEC?Reflector antenna ） 1 使用了 矩量法 （MM）、幾何繞射理論（GTD）等當時走紅的數(shù) 值方法。當前一些最熱門的算法像時域有限差 分等也正被電磁兼容預測技術所采納?？v觀電磁兼容預測技術中天線隔離度的計 算方法，既包含依據(jù)遠場方向性函數(shù)的近似算 法又包括較嚴格的方法:線天線中的互阻抗 法，面天線的口面場法.拋物面天線的幾何繞射 理論（GTD）法，存在電大導體的混合法（MM GTD）以及處理任意形狀天線隔離度的復矢量 方向性函數(shù)積分法等。本文僅就上述幾種分析 方法做一簡要介紹。2依據(jù)遠場方向性函數(shù)估算隔離 度若兩個天線處干遠場區(qū)則

5、隔離度表示為 （p“ E）=（十）2（GGI 人（Fr（ rt其中7為間距入為波長G與G為兩天 線增益，尺（，切與Fr（，切為其歸一化方向 性函數(shù)。（一如為做發(fā)射的天線坐標系中接 收點指向角（3 為做接收的天線坐標系中 發(fā)射點指向角。遠場條件為 r>2D2,/ , r>2D ,DltDr 分別為兩天線的等效直徑。早期電磁兼容預測采用這一算法。但實際 上遠場條件常不滿足。例如兩個直徑L8m的9© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All riglits reserved, 電子科技導報

6、169© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All riglits reserved, 電子科技導報拋物面天線間距僅5m。工作頻率2. 11 GHz （波長入=0. 142m）。顯然不滿足遠場條件。以 上只是一近似算法，學者們希望尋求更加精確 的方法替代它。成為計算互阻抗的精確方法。3線天線隔離度（互阻抗法）最早被注意的天線耦合問題是線天線耦合 問題是在線天線陣工作時遇到的。表征耦合 特性的參數(shù)是互阻抗?；鞠敕ㄊ菍蓚€線天 線所組成的系統(tǒng)看成一個雙口網(wǎng)絡。端口間電'ViZu Z12的無

7、-V2 -西所地2流、電壓關系用阻抗矩陣表述,/1L hZ】2、Z2|稱為互阻抗，當媒質(zhì)為各向同性時，網(wǎng)絡是互易的，即有Z12 = z21 O Z1I和Z22稱自阻 抗。它們都與兩線天線臂長、直徑、天線間距與 取向有關。若天線1做發(fā)射饋有電壓力，天線2做 接收接有負載阻抗Z2,其上電壓為V2o則由 阻抗矩陣很容易求得Vj與V2比值4面天線隔離度由口面場計算面天線間耦合在60年代巳 完成.但因計算量過大僅適用于小口徑喇叭天 線。嗽叭天線多用做拋物天線的饋源及陣列單 元。面陣單元間互耦問題曾是天線工作者關注 的一個熱點，特別是相控陣天線廣角掃描狀態(tài)o 本文從電磁兼容角度討論應用最廣泛的面天線 一物

8、面天線的隔離度。分析表明拋物面天 線的耦合機制中饋源泄漏與邊緣繞射占主導地 位。70年代出現(xiàn)的幾何繞射理論（GTD）為計 算這一問題提供了有效的手段o圖1繪出了兩個背靠背拋物面天線A與 N o由饋源O發(fā)射的射線經(jīng)邊緣P與Q產(chǎn)生 的四條繞射線而、兩、而、而再經(jīng)邊緣P' 與Q'產(chǎn)生繞射線而與6藥進入饋源后形 成耦合。GTD方法可給出繞射線的強度。V1 _ Z1M Z? Z"丿 + ZdZa v2 =z2 Z21兩線天線隔離度可表示為P1V|V22 Rr(T>Ri為發(fā)射天線1輸入阻抗實部，心為Z?的實部。顯然只要獲得矩陣參數(shù)以及負載阻抗，很 容易求得兩線天線的隔離度。

9、表1給出了兩個 相同的半波振子平行放置時不同間距的隔離度 值。容易忽略的事實是隔離度還與天線匹配情 況有關。線天線的互阻抗最初用感應電動勢法 求得。一般天線教科書都給出半波振子互阻抗 的數(shù)值曲線。d/X0.51.01.52.0隔離度dB4.911.214.817.21(Z2=50 )艦船上短波天線隔離度計算常采用互阻抗 法。利用鏡像原理還可考慮甲板的反射作用。70年代矩量法出現(xiàn)它取代感應電動勢法圖1兩個背靠背拋物面天線圖2給出了兩個相同拋物面天線背靠背放 置情況下的隔離度隨間距變化曲線。拋物 面焦距與直徑比為0. 375 ,饋源為TEh模圓波 導口.直徑為O.38A o圖中三條曲線對應于三 種

10、不同直徑：心、2（入和4（X A為波長）。從圖 可以看出，同樣間距大口徑天線的隔離度明顯 高于小口徑天線。它提供的另一個重要信息是 只要直徑大于1A 間距大于1A，隔離度可大 于70dB 05導體附近天線的隔離度安裝在移動載體（飛機、艦船和車輛）上無 線電系統(tǒng)的電磁兼容問題是預測的主要對象。179© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All riglits reserved, 電子科技導報圖2背靠背拋物面天線隔離度與間距關系 其上的天線緊靠近一個大尺寸的導體（載體表 面通常由導體制成）。該導體對

11、天線間隔離度 產(chǎn)生車大影響。天線輻射的電磁波在導體表面 產(chǎn)生感應電流，這電流可能直接流入另一接收 天線或激發(fā)新的輻射場在接收天線上形成電 壓影響天線隔高度。通常載體形狀很復雜，不 能用解析方法求解。池年牝后亠墜數(shù)值方法 出現(xiàn)使這問題得以偲冼。車軸、飛機或小型 艦船上短波天線隔離度問題（短波波長：10m 100m）.因載體尺寸與波長量級相同.矩量法被 認為是首選方法。載體尺寸遠大于波長情況，mm-gtd混合 法是有效的工具。6復矢量方向性函數(shù)積分法天線近場（距）測試的需求推動近場掃描技 術的發(fā)展并在70年代后期在計算機技術支撐 下趨于完善。在理論上吸引許多學者去探尋更 精確、更快速由近場推算遠場

12、的算法而對其逆 問題：即由天線遠區(qū)輻射場推算近場、進而求得 諸如天線耦合等近場參數(shù)關注的人很少。但 仍有學者致力于此并于8（）年代初取得可喜成 果。他們利用Ken所提出的平面波散射矩 陣（PWSM）法導出了由天線遠區(qū)復矢量方向性 函數(shù)表示的天線隔離度表達式。只要知道兩天線的間距及其遠區(qū)復矢量方 向性函數(shù)經(jīng)積分即可求得其隔離度。遠區(qū)復 矢量方向性函數(shù)可由對天線的分析計算或近場 測試求得。而雙重積分有效快速計算則是該方 法成敗的關鍵。所推出的二種程序可處理任意 形狀天線在三維空間任意分離情況的隔離度計 算。兩天線直徑之和為10（X的計算實例顯示. 在CDC6600機上運行.僅需約1分鐘時間。7改善

13、天線隔離度的措施微波中繼通信天線塔上架設多個不同指向 的拋物面天線，需要改善它們之間的隔離度以 減少相互干擾。密布于移動載體（飛機、艦船及 車輛）上的各種天線，為預防相互干擾也要求增 強天線間隔度效果。改善天線隔離度巳成為諸 多無線電系統(tǒng)天線架設中經(jīng)常遇到的課題。工 程中被采用過的有效措施有如下幾種：1 :即在電磁耦合通道上設置障礙 阻擋電磁耦合。一個巳被廣泛應用的實例是微 波中斷通信用拋物面天線加裝裙邊。帶有裙邊 的拋物面天線被稱為高性能天線，其前后比指 標要比標準天線改善近15dBo2 :即兩副天線采用相互正交 的極化。這巳是地面微波中繼通信與衛(wèi)星通信 普遍采用的措施。雙工狀態(tài)的天線發(fā)射與

14、接 收分別采用兩個正交線極化或者兩個正交圓極 化,以增大其隔離效果。3 :即在兩天線之間人為開辟另一 耦合通道使之與原耦合相互抵消實現(xiàn)隔離效 果的增強。以波導口為單元的相控陣天線曾采 用這種措施。為此在波導公共壁上開設耦合 孔形成另一耦合通道。調(diào)整孔尺寸及與波導 口距離實現(xiàn)與波導口耦合相抵消以獲得更好 的隔離效果、改善其廣角掃描特性。顯然這種 措施的頻帶性較差。:顯而易見，增大天線間 距可提高天線隔離度但實際上經(jīng)常遇到限制0 因而選擇適當?shù)奶炀€布局成為電磁兼容預測的 重要內(nèi)容。特別是在移動載體上天線布局范圍 狹小的情況下恰當?shù)奶炀€布局更為重要。一 些電磁兼容預測軟件提供了這一功能它們以 選擇天

15、線布局作為實現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容性能的措 施之一。當然這一措施往往不能完全滿足要 求當配以加裝濾波器的輔助手段。預測軟件 的使用將大大減少實驗所需的費（下轅第23頁）9© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All riglits reserved, 電子科技導報 18 9© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All riglits reserved, 電子科技導報在實際問題中，上述方法經(jīng)常是綜合使用 的

16、。例如許多多層印制板的電磁兼容問題可 以用多導體傳輸線理論解決。而傳輸線的一次 參數(shù)和二次參數(shù)需要采用計算電磁學的方法去 解決特別是采用矩量法去求解。R. F. Har rington教授及課題組在這方面做了很多工作。 采用矩量法時首先要對研究區(qū)進行分區(qū)，然后 選取展開函數(shù)和檢驗函數(shù).代入有關方程后使 用選定的內(nèi)積進行處理就得到了廣義的矩陣方 程。求得廣義方程的解之后再代入展開函數(shù). 最后求得要求的物理量。1 Geiman R F,HOll and C R. Paul ElTcul of an lnr age Plane on PCB Radiation. Proceedings of the

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