劉彬彬

【摘 要】本文針對彈載數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)模擬試驗時，所采用的吸頂天線遇到的問題進(jìn)行了研究。通常由于室內(nèi)環(huán)境比室外復(fù)雜，要獲得良好的信號覆蓋，必須構(gòu)建一個天線網(wǎng)絡(luò)。但由于室內(nèi)空間資源有限而造成有些天線不得不安裝在不適合的位置，從而導(dǎo)致天線的性能急劇下降。本文對吸頂天線在室內(nèi)的布局應(yīng)用進(jìn)行了理論分析和實驗研究。

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)通信；吸頂天線；天線網(wǎng)絡(luò)；信號覆蓋

1前言

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器的協(xié)同作戰(zhàn)、集群攻擊是當(dāng)今世界導(dǎo)彈武器的作戰(zhàn)使用趨勢之一，以彈載數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)的多址通信與信息共享技術(shù)是導(dǎo)彈武器飛行中實時通信，實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)的前提。本文據(jù)此構(gòu)建了數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)以新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)的通信鏈路驗證為背景，設(shè)計時充分考慮了導(dǎo)彈武器飛行全過程的姿態(tài)特性、反應(yīng)速度及控制特點(diǎn)，系統(tǒng)圍繞導(dǎo)彈的實際作戰(zhàn)需求進(jìn)行設(shè)計，盡量本仿真系統(tǒng)保證與實戰(zhàn)環(huán)境的一致性。

其中，無線通信終端若干部，作為數(shù)據(jù)源和接收裝置，用于模擬導(dǎo)彈飛行過程產(chǎn)生的飛行軌跡、姿態(tài)、內(nèi)部工作狀態(tài)等信息，通過無線天線發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈終端中，并接收數(shù)據(jù)鏈終端的遙控信息，同時可將模飛過程中的所有狀態(tài)、控制和通信情況通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸給地面站等效設(shè)備。數(shù)據(jù)鏈終端用于模擬導(dǎo)彈集群飛行中的母彈，負(fù)責(zé)對整個集群的狀態(tài)監(jiān)測、飛行遙控和通信鏈路管理?；趶椵d數(shù)據(jù)鏈的自身特點(diǎn)，難以進(jìn)行大批量的飛行試驗，因此試驗室模擬成為檢驗系統(tǒng)工作性能的必要手段，而室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬的數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)中使用的天線必須要求良好的信號覆蓋率。因而建立高效率的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)是目前研究的重點(diǎn)。

覆蓋系統(tǒng)主要采用天線網(wǎng)絡(luò)的方法，由于制造簡單、實用等優(yōu)越條件，本系統(tǒng)的天線采用螺旋全向吸頂天線。在實際的工程應(yīng)用中，在室內(nèi)不同的位置吸頂天線的覆蓋范圍有很大的起落變化。在某些情況下，其性能參數(shù)甚至?xí)a(chǎn)生很大的衰退。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的幾個主要原因有：①天線在一個帶有各種開口和孔縫結(jié)構(gòu)，而且不規(guī)則的腔體內(nèi)工作；②室內(nèi)有各種金屬或是非金屬的家具和辦公用品；③內(nèi)室的多種電器設(shè)備會對天線產(chǎn)生干擾；④各式各樣的電源線和導(dǎo)線干擾。本文針對這些問題通過具體的應(yīng)用來進(jìn)行理論研究和驗證，得出一些通用的規(guī)則。

2螺旋吸頂天線室內(nèi)特性理論分析

法向模螺旋天線可根據(jù)成熟公式來進(jìn)行設(shè)計。關(guān)鍵參數(shù)為軸比、增益和帶寬之間的平衡。采用小環(huán)和短偶極子遠(yuǎn)場分析方法可以作為初始設(shè)計。它們的場為：

式中A為環(huán)面面積，S為偶極子的長度，I為電流強(qiáng)度。在菲涅耳區(qū)的時候，在采取相應(yīng)的近似后橫向場的表達(dá)式與遠(yuǎn)場一樣。當(dāng)頻率大于1GHz的時候波長小于0.3m，對于室內(nèi)環(huán)境來說，需要關(guān)注的區(qū)域不僅僅是輻射區(qū)域，還有輻射近場區(qū)（菲涅耳區(qū)）。小環(huán)和短偶極子的模型還是可以用來分析遠(yuǎn)場，但是由于是室內(nèi)，所以在某些區(qū)域放置的天線需要考慮鏡像對方向圖的影響，例如當(dāng)天線貼近墻壁和墻角的時候。另一個需要關(guān)注的是當(dāng)窗戶里天線不遠(yuǎn)的情況。這些是我們關(guān)注的重點(diǎn)。一個螺旋天線可以看做是小環(huán)和短偶極子的陣列天線。陣函數(shù)為：

從陣因子方向圖我們可以看到，它與偶極子和小環(huán)天線方向圖相乘后，總方向圖去掉了后瓣。對于我們分析的區(qū)域沒有影響，因此上面所提到的模型適合于本文所分析的情形。天線的軸比為：

從上面看到，當(dāng)考慮遠(yuǎn)場的時候，而當(dāng)處于菲涅耳區(qū)的時候項對總的軸比影響不大。因此遠(yuǎn)場的分析結(jié)果可以在工程應(yīng)用中分析輻射近場區(qū)的近似趨勢。

2.1 墻壁影響分析

圖1（a）中的偶極子及環(huán)天線根據(jù)鏡像原理可等效成圖1（b）的模型。其中虛線表示鏡像源。在這里的模型中，我們認(rèn)為在室內(nèi)的某一塊區(qū)域內(nèi)看作是近場，其他區(qū)域則看作為遠(yuǎn)場。根據(jù)鏡像原理，電偶極子的鏡像的方向如圖1（b）所示，當(dāng)源平行于平面時，方向相反；當(dāng)源垂直于平面時，方向相同。而小環(huán)電流則相反。由圖（b）模型我們可以估計方向圖如圖2所示。其中帶圓圈的線為無墻壁時的情況，實線則為有墻壁的時候的方向圖。從圖中我們可以看到，有墻壁的時候在某些方向上得到了加強(qiáng)，而有些方向卻減弱。因此當(dāng)布置一個天線在墻壁附近的時候，覆蓋范圍中存在一些盲區(qū)。這是我們所不希望的。但是通過調(diào)整離墻壁的上下和前后的距離，我們可以在一定程度上緩解這種現(xiàn)象，如圖3所示。

2.2墻角影響分析

當(dāng)天線放置在墻角的時候，采用與1.1的方法一樣。不同的是，這里的情況更加復(fù)雜一些，有三個鏡面。因此鏡像更加復(fù)雜。方向圖中出現(xiàn)了更多的波瓣，覆蓋范圍中出現(xiàn)零點(diǎn)的地方更多。因此當(dāng)布置天線的時候應(yīng)盡量避免這些地方。

2.3門窗影響分析

由于孔縫的作用，窗戶的情形要復(fù)雜一些。根據(jù)等效原理，我們可以做一些簡化的模型，如圖4所示。在原窗口區(qū)域，本模型利用等效磁流約等于在自由空間中輻射的小環(huán)電流和短電偶極子在那里產(chǎn)生的場。據(jù)此，我們可以得到相應(yīng)的方向圖，具體如圖5所示。

3實驗分析

由前面的理論分析可知，室內(nèi)不同于室外的主要原因是墻體、窗口等結(jié)構(gòu)。要在這樣的環(huán)境中做到良好的信號覆蓋率，必須對天線布置進(jìn)行優(yōu)化。下面我們選取幾個典型的位置作為發(fā)射區(qū)域，而固定一個接收點(diǎn)的方式來進(jìn)行實驗。根據(jù)上面的理論，天線離墻壁和窗口的距離需要進(jìn)行優(yōu)化，測試點(diǎn)示意圖如圖6所示。

圖中發(fā)射點(diǎn)指發(fā)射天線放置在這臨近的區(qū)域的情況。測試結(jié)果如圖7所示。從圖中可見，當(dāng)天線位于墻角的地方時，產(chǎn)生了多瓣效應(yīng)，在瓣與瓣之間的地方可存在信號盲區(qū)。而當(dāng)一側(cè)有窗戶的時候，這種效應(yīng)得到一定緩解。當(dāng)天線位于支柱附近的時候，由于柱體的繞射效應(yīng)，產(chǎn)生了更多的波瓣。因此天線的放置應(yīng)盡量避免靠近柱體。圖6與圖7當(dāng)中的尺寸均為示意相對位置。

4結(jié)論

本文研究了室內(nèi)天線的信號覆蓋問題，提出了簡化的模型，并以數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用仿真系統(tǒng)為背景的項目來進(jìn)行實踐研究。簡化的模型以短偶極子和小環(huán)天線的模型為基礎(chǔ)。室內(nèi)空間相對于波長來說大部分屬于遠(yuǎn)場區(qū)域。由于現(xiàn)在的應(yīng)用波長小于0.3m，所以在一個大廳的辦公環(huán)境來說，研究的區(qū)域處于遠(yuǎn)場區(qū)域。從而天線系統(tǒng)的分布問題可以應(yīng)用本文中簡化模型來研究。從上面的實驗和理論研究中，我們可以的得出在布局室內(nèi)天線系統(tǒng)的時候：

避免在墻角的地方安裝天線；

避免在實體支柱附件布置天線；

靠近窗口放置天線可改善信號的覆蓋；

避免在小房間離布置需要覆蓋其他地方的天線；

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