一種車頂天線布局的電磁兼容的實(shí)現(xiàn)
1.引言 隨著電子信息對(duì)抗系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)、指揮決策系統(tǒng)、通訊導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與升級(jí)換代,在有限的頻譜范圍內(nèi),工作頻率的高度密集甚至是重疊、單位體積內(nèi)電磁功率密度的迅速增加、各種電子設(shè)備的電磁干擾和敏感度的不斷提高。特別是作為對(duì)電磁環(huán)境有重大影響的載體上的天線,其類型與數(shù)量存在著增加的趨勢(shì)。平臺(tái)上的天線少則幾部,多則十幾部幾十部,有的甚至達(dá)到天線林立的程度。這些狀況造成載體內(nèi)部及其周圍空間的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜,從而導(dǎo)致電磁兼容的問題日益突出。作為直接影響和制約系統(tǒng)電磁兼容性的天線,其電磁兼容問題,包括理論分析預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)技術(shù)和試驗(yàn)調(diào)試等自然成為關(guān)注的問題。 本文采用一種基于遺傳算法的天線優(yōu)化布局方法,可以綜合考慮不同因素對(duì)天線布局進(jìn)行優(yōu)化,可以在電磁兼容設(shè)計(jì)初期得出粗略的最佳布局方案,降低了天線布局設(shè)計(jì)的難度。 2.影響天線性能的主要因素 天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備,沒有天線就沒有無線通信,通信車輛上裝的天線設(shè)備要完成的主要功能是完成對(duì)信息的收發(fā)。影響天線 性能的主要因素有天線間的耦合度、天線的輻射方向圖、天線的近場(chǎng)輻射危害等。研究影響天線電磁兼容性能的主要因素,有助于我們?cè)趦?yōu)化天線布置的時(shí)候確定目標(biāo)函數(shù)。 下面分析這三個(gè)因素對(duì)天線性能的影響: (1)耦合度:兩部同發(fā)天線間耦合度過大時(shí),引起功率倒灌,造成發(fā)射天線阻抗匹配困難,甚至產(chǎn)生互調(diào)干擾; (2)方向圖:天線輻射方向圖畸變嚴(yán)重時(shí),將是天線在某些方向上的增益明顯減少,導(dǎo)致該方向信息傳輸受阻; (3)近場(chǎng)輻射:大功率天線配置不當(dāng)時(shí)會(huì)造成設(shè)備、人員等輻射損傷,嚴(yán)重會(huì)引起事故。 綜上可知,在進(jìn)行天線布局時(shí)耦合度越小越好,方向圖畸變?cè)叫≡胶?,近?chǎng)輻射越小越好。由于通信車輛中裝載的天線功率不會(huì)很高,由此引發(fā)的近場(chǎng)危害相對(duì)較少,并且可以通過加強(qiáng)車體屏蔽或?yàn)V波等方式減少,所以在這里不進(jìn)行重點(diǎn)討論。天線的方向圖又分為全向和非全向兩種,對(duì)于非全向天線,在進(jìn)行天線布置時(shí)應(yīng)盡量避開不同天線的最大輻射方向,使其不發(fā)生重疊便可降低方向圖的畸變,而對(duì)于全向天線只能通過優(yōu)化布局算法來實(shí)現(xiàn)。耦合度作為天線電磁兼 容性能的重要因素,因其與天線位置的關(guān)系最為密切,是研究的重點(diǎn),又因?yàn)轳詈隙容^小時(shí)會(huì)使得方向圖畸變相應(yīng)的減小,因此本文選用的優(yōu)化目標(biāo)是天線間的耦合度。 3.優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定 傳統(tǒng)的天線布局優(yōu)化主要是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),或者在試樣研制階段采用縮尺比模型測(cè)試的方法。隨著天線數(shù)量的增加,單單依靠研究人員的經(jīng)驗(yàn)已不能滿足復(fù)雜電磁環(huán)境的要求,而縮尺比模型成本很高,對(duì)于車輛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)并不適用,因此車頂天線布局優(yōu)化必須采用高效的優(yōu)化算法形成相應(yīng)的布局優(yōu)化軟件,才能提高設(shè)計(jì)通信車輛的效率,使天線布局達(dá)到最佳。 耦合度是反映天線電磁兼容性的重要參數(shù),用來衡量天線間的干擾程度。對(duì)于一對(duì)發(fā)射/接收天線,耦合度定義為接收天線凈輸出功率與發(fā)射天線凈輸入功率之比,如圖1所示, 4.優(yōu)化算法選擇 優(yōu)化技術(shù)是一種以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),用于求解各種工程問題優(yōu)化解的應(yīng)用技術(shù),天線布局優(yōu)化屬于優(yōu)化中的全局優(yōu)化,對(duì)算法的要求是能進(jìn)行全局搜索及限制較少,在此我們選用的是智能優(yōu)化算法中的遺傳算法。 遺傳算法(GeneticAlgorithm,GA)是一種基于自然群體遺傳演化機(jī)制的高效隨機(jī)化搜索算法,僅需知道目標(biāo)函數(shù)的信息,而不需要其連續(xù)可微等要求,因而具有廣泛的適應(yīng)性,同時(shí)它又是一種采用啟發(fā)性知識(shí)的智能搜索算法,所以往往能在搜索空間高度復(fù)雜的問題上取得比以往算法(如梯度法)更好的效果。遺傳算法的計(jì)算流程如圖2所示。 本文優(yōu)化程序設(shè)計(jì)種采用的是基本遺傳算法(SGA),基于VC++6.0進(jìn)行編程,染色體定義 5.算例與結(jié)論 下面以四根天線系統(tǒng)為例,演示對(duì)天線布局進(jìn)行的優(yōu)化。設(shè)車頂面布有四根天線,兩根為固定天線,兩根為可移動(dòng)天線,其布置要求如圖3(見下頁)所示。 圖4(見下頁)為優(yōu)化過程中天線耦合度比較: 由圖可以看出,天線綜合耦合度的絕對(duì)值最大最小值隨著代數(shù)的增加,均不呈上升狀態(tài),在第5 6 1代得到天線最優(yōu)布局,優(yōu)化結(jié)果天線3坐標(biāo)(1.9 9,0.9 5),天線4坐標(biāo)(1.47,-0.59),綜合耦合度為-154.793483dB.由此例可以看出,基于遺傳算法進(jìn)行天線布局優(yōu)化可以達(dá)到預(yù)期的效果,是優(yōu)化天線布局的有效手段。 根據(jù)對(duì)車載體上的天線的研制,首次提出了"天線的電磁兼容性"問題,以及分析、測(cè)量和考核其兼容性的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。闡述了天線電磁兼容性的基本概念、研究?jī)?nèi)容及主要設(shè)計(jì)技術(shù)。介紹的某機(jī)載天線分系統(tǒng)電磁兼容的研制實(shí)例表明,遵循文中所述思路,落實(shí)各項(xiàng)技術(shù)措施,分析預(yù)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)與實(shí)測(cè)值即能基本吻合。