袁旭猛,王 浩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,飛機(jī)載體上的天線類型和數(shù)量不斷增加,造成飛機(jī)內(nèi)部及其周圍空間的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,從而導(dǎo)致電磁兼容的問(wèn)題日益突出。作為直接影響和制約系統(tǒng)電磁兼容性的天線,其電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越受到重視[1]。

1 機(jī)載天線特點(diǎn)

機(jī)載天線對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性能影響非常明顯。這主要因?yàn)樘炀€具有如下2個(gè)特點(diǎn)：

①天線的功能是完成電磁能量從“場(chǎng)”到“路”的雙向轉(zhuǎn)換,即將空間中的電磁場(chǎng)能量接收至傳輸線內(nèi)成為導(dǎo)波,或?qū)鬏斁€內(nèi)的導(dǎo)波輻射至空間形成電磁場(chǎng);

②多數(shù)天線輻射能量大、接收靈敏度高。相對(duì)導(dǎo)線、設(shè)備孔縫等無(wú)意輻射源,天線輻射能量要大若干個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。

2 電磁兼容核心問(wèn)題

從本質(zhì)上而言,天線的電磁兼容與設(shè)備電磁兼容概念相通,都由2個(gè)核心問(wèn)題組成：①輻射限制;②抗擾度限制。

具體說(shuō)就是限制無(wú)用輻射的幅度上限以免干擾其他設(shè)備或天線;同時(shí)保證在一定強(qiáng)度的電磁環(huán)境下正常工作的能力。

3 解決方法分析

解決機(jī)載天線電磁兼容主要從2方面著手：①電磁兼容實(shí)現(xiàn)手段;②電磁兼容效果計(jì)算分析。

3.1 電磁兼容實(shí)現(xiàn)手段

目前實(shí)現(xiàn)天線之間電磁兼容的主要手段,是通過(guò)增加天線之間的隔離度削弱天線間的相互影響,而衡量天線之間互相影響強(qiáng)度的指標(biāo)即天線隔離度,機(jī)載天線之間的隔離度是描述天線之間耦合的一種方式,它充分反應(yīng)了天線的方向性、增益、極化狀態(tài)、帶內(nèi)帶外特性和天線之間的空間對(duì)收發(fā)天線間能量耦合的貢獻(xiàn)。為準(zhǔn)確表達(dá)天線間的隔離程度,將發(fā)射天線的發(fā)射功率Pta與接收天線所接收的功率Pra比值定義為天線隔離度(Pra為Pta經(jīng)過(guò)各種衰減后被接收天線所接收的功率值),通常在工程應(yīng)用中,以dB為單位表示,即：

當(dāng)2個(gè)天線均處于彼此遠(yuǎn)區(qū)的情況下,其能量耦合主要通過(guò)輻射場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。

首先，從《試點(diǎn)辦法》第5條第2款的規(guī)定來(lái)看，值班律師的工作場(chǎng)所是法院和看守所。長(zhǎng)此以往，值班律師同法院和看守所的工作人員可能會(huì)形成一種一榮俱榮、一損俱損的利益共同體關(guān)系。在這樣一種休戚與共的環(huán)境之中，如果不將值班律師定位為犯罪嫌疑人、被告人利益的維護(hù)者(辯護(hù)人)，那么值班律師很有可能將自己視為為國(guó)家服務(wù)的“國(guó)家法律工作者”，從而盡力去配合公安司法機(jī)關(guān)對(duì)認(rèn)罪認(rèn)罰案件的處理，這時(shí)的值班律師實(shí)際上充當(dāng)了辦案人員說(shuō)客的角色。如果這樣，就會(huì)對(duì)本處于弱勢(shì)一方的被告人的訴訟地位更加不利。

設(shè)發(fā)射天線發(fā)射功率為 Pta,增益為 Gt(θt,φt),接收天線的接收功率為 Pra,增益為Gr(θr,φr);接收天線與發(fā)射天線間的距離為D,一般情況下,收發(fā)天線直視時(shí)的天線隔離度可由公式(1)所表達(dá)的物理意義求解。當(dāng)收發(fā)天線外形尺寸與D相比較小時(shí),收發(fā)天線均可近似被認(rèn)為是具有一定方向性的點(diǎn)源,則發(fā)射天線發(fā)出的電磁波可被近似為球面波,且在接收天線處可視作平面波,此時(shí)天線隔離度可表示為：

式中,Ld=20lg[]為收發(fā)天線直視情況下的空間隔離,Ld由收發(fā)天線間的距離D和分析波長(zhǎng)λ等因素決定;Gt(θt,φt)為發(fā)射天線在接收方向的天線增益,應(yīng)根據(jù)收發(fā)天線的相對(duì)位置從機(jī)載發(fā)射天線增益方向圖中讀取;Gr(θr,φr)為機(jī)載接收天線在發(fā)射方向的天線增益,應(yīng)根據(jù)收發(fā)天線的相對(duì)位置從天線增益方向圖中讀取。

當(dāng)收發(fā)天線之間的極化不完全匹配時(shí),還要考慮極化失配帶來(lái)的隔離度L這P一項(xiàng),即總的天線隔離度為：

如果天線不能同時(shí)滿足位于彼此的遠(yuǎn)區(qū),則2天線之間的相互干擾主要不是通過(guò)輻射場(chǎng)進(jìn)行的,而是通過(guò)近區(qū)束縛場(chǎng)或近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)。

工程上圓極化對(duì)垂直或水平極化的失配損耗為3 dB(3～4 dB),垂直極化和水平極化間的失配損耗為20～35 dB,由于機(jī)身表面天線的安裝方位比較復(fù)雜,極化失配損耗要比以上2個(gè)值小。

天線布局優(yōu)化是天線兼容性的基本內(nèi)容之一[3]。調(diào)整多個(gè)天線的姿態(tài)及安裝位置,使這些天線之間的隔離度滿足要求,從而使多個(gè)天線達(dá)到兼容狀態(tài)的過(guò)程,就是天線布局優(yōu)化。它主要是通過(guò)在飛機(jī)上可放置天線的范圍內(nèi)調(diào)整各天線的安裝位置和姿態(tài),分析不同布局情況下各機(jī)載天線與其他天線間的隔離度,根據(jù)天線隔離度數(shù)據(jù)判斷天線間的兼容情況;最終找到一種能夠使所有天線兼容工作的天線布局狀態(tài)。

布局設(shè)計(jì)首先是天線自身的仿真與設(shè)計(jì),其性能指標(biāo)以能否滿足應(yīng)用要求為先決條件。在此基礎(chǔ)上,將天線配置到載體上,其阻抗特性和輻射特性可能會(huì)因?yàn)檩d體的存在而有程度不等的惡化,必須對(duì)天線進(jìn)行必要的修改,有時(shí)甚至需要重新進(jìn)行方案論證與選擇。然后再將多個(gè)天線同時(shí)設(shè)置于載體上,調(diào)整至每個(gè)天線均能夠按照指標(biāo)要求工作,布局優(yōu)化結(jié)果確定后,各種天線性能指標(biāo)和電磁兼容性就基本確定了。

3.2 電磁兼容效果計(jì)算分析

機(jī)載天線的電磁兼容實(shí)施過(guò)程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié),就是以計(jì)算機(jī)為工具,利用電磁場(chǎng)理論和計(jì)算電磁學(xué)的相關(guān)知識(shí),對(duì)天線電磁兼容性的效果進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。通常情況下,對(duì)單個(gè)天線結(jié)構(gòu)阻抗特性和輻射特性的分析,往往采用數(shù)值方法;而對(duì)于天線之間耦合特性(隔離度)的分析(該文中僅指遠(yuǎn)場(chǎng)情況下),往往采用高頻方法。

3.2.1 數(shù)值計(jì)算技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)性能的快速提高,電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算技術(shù)日益成為應(yīng)用電磁學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于數(shù)值計(jì)算方法直接以數(shù)值的形式代替解析表達(dá)式描述和求解電磁場(chǎng)問(wèn)題,故在理論上只要計(jì)算機(jī)配置足夠高,等待足夠的時(shí)間,可以得到以任意精度逼近準(zhǔn)確值的幾乎所有電磁場(chǎng)問(wèn)題的解答。常用的數(shù)值計(jì)算技術(shù)包括有限元方法(FEM)、時(shí)域有限差分方法(FDTD)和矩量法(MOM)等。

有限元法是非常具有代表性、應(yīng)用范圍廣泛的頻域數(shù)值方法。該方法以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ),能處理任意形狀場(chǎng)域、多介質(zhì)和復(fù)雜交界面等情況。所形成的代數(shù)方程系數(shù)矩陣對(duì)稱、正定和稀疏,因而收斂性好,容易求解。由于具有這些優(yōu)點(diǎn),有限元法成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

有限元方法的引入極大的提高了這項(xiàng)技術(shù)的性能。完全匹配層技術(shù)(PML)在有限元方法中的成功應(yīng)用使得有限元也能方便的處理具有開放結(jié)構(gòu)的問(wèn)題,有限元方法還可以與矩量法結(jié)合起來(lái)處理具有復(fù)雜的具有開放結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展,隨著計(jì)算機(jī)速度的提高、軟件技術(shù)的成熟,在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共同努力下,電磁場(chǎng)有限元數(shù)值計(jì)算方法不斷完善并且得到了廣泛應(yīng)用。

有限元法雖然是一種有很大靈活性的電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法,但它只適合于最大尺寸約為幾個(gè)波長(zhǎng)以下的物體。

3.2.2 高頻近似技術(shù)

由于機(jī)載天線工作頻率一般很高,而飛機(jī)一般有十幾米到幾十米長(zhǎng),因此機(jī)載天線系統(tǒng)是電大尺寸系統(tǒng),對(duì)此系統(tǒng)的分析需要應(yīng)用高頻近似技術(shù)。

高頻近似技術(shù)是在相當(dāng)嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)上發(fā)展的一系列近似方法和漸進(jìn)的高頻解析方法,一般可歸納作2類：一類基于射線光學(xué),包括幾何光學(xué)(GO)、幾何繞射理論(GTD)以及在基礎(chǔ)上發(fā)展的一致性繞射理論(UTD)等;另一類基于波前光學(xué),包括物理光學(xué)(PO)、物理繞射理論(PTD)、等效電磁流方法(ECM)以及增量長(zhǎng)度繞射系數(shù)法(ILDC)等[4]。

物理光學(xué)法是通過(guò)對(duì)表面感應(yīng)場(chǎng)的近似和積分求解散射場(chǎng)的,克服了平表面和單彎曲表面出現(xiàn)的無(wú)限大的問(wèn)題。由于感應(yīng)場(chǎng)保持有限,散射場(chǎng)也就同樣有限。

幾何光學(xué)是研究射線傳播的一種理論,它是適用于計(jì)算電磁場(chǎng)零波長(zhǎng)近似的高頻方法。但是幾何光學(xué)只研究直射、反射和折射問(wèn)題,它無(wú)法解釋繞射現(xiàn)象[5]。當(dāng)幾何光學(xué)射線遇到任意一種表面不連續(xù),例如邊緣、尖頂,或者在向曲面掠入射時(shí),它將不能進(jìn)入到陰影區(qū)。按幾何光學(xué)理論,陰影區(qū)的場(chǎng)應(yīng)等于零,但實(shí)際上陰影區(qū)的場(chǎng)并不等于零。為了解除幾何光學(xué)場(chǎng)的不連續(xù)性問(wèn)題,并對(duì)幾何光學(xué)場(chǎng)計(jì)為零的場(chǎng)區(qū)中作出適當(dāng)修正,引入了一種新的射線—繞射線,其對(duì)應(yīng)理論即幾何繞射理論。

Keller在1951年前后提出了一種近似計(jì)算高頻電磁場(chǎng)的新方法。他把經(jīng)典幾何光學(xué)的概念加以推廣,引入了一種繞射射線以消除幾何光學(xué)陰影邊界上場(chǎng)的不連續(xù)性,并對(duì)陰影區(qū)內(nèi)的場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。Keller的這一方法稱為幾何繞射理論。繞射射線產(chǎn)生于物體表面上幾何特性或電磁特性不連續(xù)之處。例如,物體的邊緣、尖頂和光滑凸曲面上與入射射線相切之點(diǎn)。繞射射線既可以進(jìn)入照明區(qū),也可進(jìn)入陰影區(qū)。因?yàn)閹缀侮P(guān)學(xué)射線不能進(jìn)入陰影區(qū),故陰影區(qū)的場(chǎng)就完全由繞射射線來(lái)代表。這樣,幾何繞射理論就克服了幾何光學(xué)在陰影區(qū)的缺點(diǎn),也改進(jìn)了照明區(qū)的幾何光學(xué)解。幾何繞射理論的基本概念可以歸結(jié)為以下3點(diǎn)：

①繞射場(chǎng)是沿繞射射線傳播的,這種射線的軌跡可以用廣義費(fèi)馬原理確定;

②場(chǎng)的局部性原理：在高頻極限情況下,反射和繞射這一類現(xiàn)象只取決于反射點(diǎn)和繞射點(diǎn)臨近域的電磁特性和幾何特性;

③離開繞射點(diǎn)后的繞射射線仍遵循幾何光學(xué)的定律。

Keller導(dǎo)出的GTD基本算式(繞射系數(shù)),在亮區(qū)和陰影區(qū)幾何光學(xué)陰影邊界兩側(cè)的過(guò)渡區(qū)內(nèi)失效,70年代Pathak和KovyoumJian等又將之發(fā)展成為一致性UTD,UTD克服了GTD的缺點(diǎn),較好地解決了電磁波在陰影邊界上的連續(xù)問(wèn)題。UTD在幾何光學(xué)陰影邊界過(guò)渡區(qū)有效,在陰影邊界過(guò)渡區(qū)以外,則自動(dòng)轉(zhuǎn)化為GTD算式。

雖然現(xiàn)在己有許多求解電磁輻射和散射問(wèn)題的高頻近似方法,但實(shí)際上沒有一種方法是“萬(wàn)能”的,每種方法都有其使用范圍。例如,縱然幾何繞射理論及其一致性形式能準(zhǔn)確地計(jì)算出大多數(shù)電大尺寸輻射和散射系統(tǒng)的高頻電磁場(chǎng),但由于現(xiàn)在各種典型幾何體的繞射系數(shù)太少,有些大尺寸復(fù)雜目標(biāo)的局部構(gòu)形,如飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼的結(jié)合部,還沒有可利用的繞射系數(shù)。所以,單純用幾何繞射理論及其一致性形式不能解決所有的高頻電磁輻射與散射問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)值計(jì)算技術(shù)能精確地分析電小尺寸系統(tǒng),高頻近似技術(shù)則適合分析電大尺寸系統(tǒng)。飛機(jī)上裝載的天線種類繁多,建議采用2種技術(shù)混合方法分析電磁兼容問(wèn)題,在處理特定電磁問(wèn)題時(shí)通過(guò)有機(jī)結(jié)合取長(zhǎng)補(bǔ)短,如MoM-格林函數(shù)混合方法、MoMFD混合方法和FEM-BEM混合方法等[6]。當(dāng)然,這些分析方法需要在實(shí)際工程中進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]林澤祥,蘭強(qiáng).天線的電磁兼容技術(shù)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2007,22(1)：170-173.

[2]林澤祥,張永庫(kù).寬帶艦載收發(fā)天線的隔離[J].電子對(duì)抗,1988(2)：126-128.

[3]何小祥,徐金平.改進(jìn)的IPO與TEM混合法分析復(fù)雜電大腔體電磁散射[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2004,19(5)：607-612.

[4]陳晨.機(jī)載天線輻射特性及耦合研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2006.

[5]譚遠(yuǎn)洋.應(yīng)用GTD、UTD方法分析飛行器天線的輻射特性[D].西安：西安電子科技大學(xué),2004.

[6]呂文安.機(jī)載天線的優(yōu)化布局[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2002.