1、提纲T电磁兼容中的天线耦合问题电磁兼容中的天线耦合问题 引言引言 天线的工作原理天线的工作原理 远区场与近区场的概念以及判定 天线的输入阻抗以及辐射效率天线的远场方向图 方向性系数与功率增益 天线隔离度与空间隔离度天线隔离度与空间隔离度 天线隔离度与空间隔离度的概念与物理意义 近区场与远区场的隔离度分析与计算公式电磁兼容中的天线耦合问题 T引言引言 在任何一个具有综合功能的移动系统中，如飞机、火车、舰船等，在任何一个具有综合功能的移动系统中，如飞机、火车、舰船等，为了保持该系统与其他系统或地面的联络，大多采用无线电通讯方式，为了保持该系统与其他系统或地面的联络，大多采用无线电通讯方式，有的在系
2、统内部也采用无线电通讯技术。这些无线电通讯工具的发射有的在系统内部也采用无线电通讯技术。这些无线电通讯工具的发射机和接收机的天线，除了发射调谐频率的无线电信号之外，还发射无机和接收机的天线，除了发射调谐频率的无线电信号之外，还发射无意的交调失真信号。这些有意的发射信号和无意的发射信号往往成为意的交调失真信号。这些有意的发射信号和无意的发射信号往往成为天线的干扰源。例如一辆小轿车内安装的无线电话收发系统，它的工天线的干扰源。例如一辆小轿车内安装的无线电话收发系统，它的工作频率在作频率在1MHz1GHz范围内，而车内发动机的点火装置产生的干扰范围内，而车内发动机的点火装置产生的干扰信号频谱可达到信
3、号频谱可达到200MHz，城市里的广播电视发射天线的调谐频率在，城市里的广播电视发射天线的调谐频率在十几十几MHz到数百到数百MHz之间，因此轿车内的无线电话收发机的工作频率之间，因此轿车内的无线电话收发机的工作频率一般设在较低的频段，否则就会遭到广播电视信号或发动机点火噪声一般设在较低的频段，否则就会遭到广播电视信号或发动机点火噪声的干扰。的干扰。电磁兼容中的天线耦合问题 随着电子技术、通信技术的快速发展随着电子技术、通信技术的快速发展,越来越多的电子设备越来越多的电子设备被集成在一个系统中被集成在一个系统中,同时同时,一个电子系统可能需要几副甚至一个电子系统可能需要几副甚至十几副工作在不同
4、波段的天线来接收或发射电子信号十几副工作在不同波段的天线来接收或发射电子信号,例如例如一架飞机或一艘军舰上会装载各种各样的完成不同功能的电一架飞机或一艘军舰上会装载各种各样的完成不同功能的电子设备及其天线子设备及其天线.同一系统中不同天线的近场耦合很强同一系统中不同天线的近场耦合很强,严重严重干扰了各收发电台的正常工作干扰了各收发电台的正常工作,因此怎样预估及避免这种干因此怎样预估及避免这种干扰扰,对于通信设备的正常工作至关重要对于通信设备的正常工作至关重要.另外另外,当天线发射功当天线发射功率很大时率很大时,其周围的电子设备也会受到很强的干扰其周围的电子设备也会受到很强的干扰,而无法正而无法
5、正常工作常工作,因此天线近场的分析也是电磁兼容的一个重要问题。因此天线近场的分析也是电磁兼容的一个重要问题。电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理 T远区场与近区场的概念以及判定远区场与近区场的概念以及判定 若已知源分布，求解电场与磁场分布时，一般首先若已知源分布，求解电场与磁场分布时，一般首先根据源分布求解矢量位：根据源分布求解矢量位：再由求出电场与磁场分布：再由求出电场与磁场分布：因此，讨论电磁场的空间分布，只需讨论矢量位的因此，讨论电磁场的空间分布，只需讨论矢量位的分布即可。如下图所示：分布即可。如下图所示：电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理rRrPsource电磁兼容中的天线耦合问
6、题天线的工作原理若若 为天线最大尺寸，通常，认为远场条件为：为天线最大尺寸，通常，认为远场条件为：近区感应场条件：近区感应场条件：近区束缚场条件：近区束缚场条件：电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理 分析可知，近区束缚场的主要成分是似静场，在似分析可知，近区束缚场的主要成分是似静场，在似静场中，复数坡印廷矢量是一个纯虚数，天线的有功静场中，复数坡印廷矢量是一个纯虚数，天线的有功功率密度为零，因此，似静场的电磁能量是不会辐射功率密度为零，因此，似静场的电磁能量是不会辐射出去的。同样的，近区感应场的能量也不能被辐射出出去的。同样的，近区感应场的能量也不能被辐射出去，我们将近区感应场与近区束缚场统
7、称为近区场。去，我们将近区感应场与近区束缚场统称为近区场。在远区场中，复数坡印廷矢量是一个实数，主要部在远区场中，复数坡印廷矢量是一个实数，主要部分所携带的电磁能量是向外传播的，因此，远区场的分所携带的电磁能量是向外传播的，因此，远区场的主要部分被称为辐射场。主要部分被称为辐射场。电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理T天线的输入阻抗以及辐射效率天线的输入阻抗以及辐射效率 从天线的输入端看到的阻抗被称为天线的输入阻抗，它可以表示为：从天线的输入端看到的阻抗被称为天线的输入阻抗，它可以表示为：其中，其中，为天线结构及附件的热损耗以及辐射损耗所带来的电阻，被为天线结构及附件的热损耗以及辐射损耗所带
8、来的电阻，被称为损耗电阻或输入电阻，称为损耗电阻或输入电阻，为存储在天线近区场中的无功功率所为存储在天线近区场中的无功功率所带来的电抗，被称为输入电抗。带来的电抗，被称为输入电抗。从能量角度考虑，天线的平均损耗功率为：从能量角度考虑，天线的平均损耗功率为：或者：或者：电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理 其中，其中，为热损耗功率，为热损耗功率，为辐射损耗功率，为辐射损耗功率，为损耗电阻，为损耗电阻，为辐射电阻。为辐射电阻。天线的输入阻抗与几何形状、馈电方法和周围物体的临近程度等天线的输入阻抗与几何形状、馈电方法和周围物体的临近程度等多种因素有关。多种因素有关。天线的辐射效率是天线的辐射功率与
9、净输入功率的比值：天线的辐射效率是天线的辐射功率与净输入功率的比值：由式由式(1.15)进一步可得：进一步可得：电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理T天线的远场方向图天线的远场方向图 在距离在距离 等于常数的球面上，场强或功率密度随方向坐标等于常数的球面上，场强或功率密度随方向坐标 的变化曲线称为场强方向图或功率方向图。记场强随方向坐标的变化曲线称为场强方向图或功率方向图。记场强随方向坐标变化的归一化方向性函数为变化的归一化方向性函数为 ，功率随方向坐标变化的函数为，功率随方向坐标变化的函数为 ，它们二者之间，它们二者之间的关系：的关系：以分贝为单位的场强方向图：以分贝为单位的场强方向图：以
10、分贝为单位的功率方向图：以分贝为单位的功率方向图：电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理T方向性系数与功率增益方向性系数与功率增益 天线在空间各个方向上的辐射不可能是均匀天线在空间各个方向上的辐射不可能是均匀的。辐射强度随空间方向的变化是由天线的的。辐射强度随空间方向的变化是由天线的方向性增益方向性增益 来表示的。所谓方向来表示的。所谓方向性增益，即是给定方向的辐射强度与参考天性增益，即是给定方向的辐射强度与参考天线的辐射强度之比。它的物理意义即是线的辐射强度之比。它的物理意义即是“在在距离等于常数的球面上，给定方向的功率密距离等于常数的球面上，给定方向的功率密度与平均功率密度之比度与平均功率
11、密度之比”。电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理 方向性系数即是最大辐射方向的方向性增益方向性系数即是最大辐射方向的方向性增益值。功率增益值。功率增益 描述的是在远区场描述的是在远区场功率密度增益随方向坐标的变化规律，具体功率密度增益随方向坐标的变化规律，具体定义如下：给定方向上的辐射强度与天线从定义如下：给定方向上的辐射强度与天线从所连发射机得到净功率之比的所连发射机得到净功率之比的 倍。若未倍。若未指明方向，则增益通常指最大辐射方向的功指明方向，则增益通常指最大辐射方向的功率增益。率增益。电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理 功率增益与方向性增益的关系如下：功率增益与方向性增益的关系如
12、下：如果以分贝为单位，则有：如果以分贝为单位，则有：在后面的天线隔离度计算与分析中，最常用在后面的天线隔离度计算与分析中，最常用的是天线远场功率增益或者方向性增益的方的是天线远场功率增益或者方向性增益的方向图。向图。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 无线电系统间电磁干扰主要传输途径是天线间的耦合，常用隔离无线电系统间电磁干扰主要传输途径是天线间的耦合，常用隔离度来定量表征这种耦合的强弱程度。天线的载体和天线间的距离度来定量表征这种耦合的强弱程度。天线的载体和天线间的距离以及障碍物不同，分析它们耦合的方法也不同，分析过程的难易以及障碍物不同，分析它们耦合的方法也不同，分析过程的难易
13、程度也有很大的区别。对于自由空间分隔相距比较远的天线，天程度也有很大的区别。对于自由空间分隔相距比较远的天线，天线间耦合的相互影响主要是通过天线的远区场进行的，与天线近线间耦合的相互影响主要是通过天线的远区场进行的，与天线近场情况的关系较小。但当天线间的距离比较近时，分析它们的耦场情况的关系较小。但当天线间的距离比较近时，分析它们的耦合就需要考虑天线的具体形式、馈电结构、安装位置和安装壳体合就需要考虑天线的具体形式、馈电结构、安装位置和安装壳体等各种因素的影响。等各种因素的影响。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度T天线隔离度与空间隔离度的概念与物理意义天线隔离度与空间隔离度的概念与
14、物理意义 在一个系统中，为保证每个天线正常工作，天线的隔在一个系统中，为保证每个天线正常工作，天线的隔离度必须满足一定的要求，否则天线间的干扰会压制离度必须满足一定的要求，否则天线间的干扰会压制住有用信号，从而使系统无法正常工作。一般将发射住有用信号，从而使系统无法正常工作。一般将发射天线的发射功率与另一天线所接受功率的比值定义为天线的发射功率与另一天线所接受功率的比值定义为天线的隔离度。在具体问题中，对于不同的情况，接天线的隔离度。在具体问题中，对于不同的情况，接收天线可能通过不同的方式对发射天线施加干扰。所收天线可能通过不同的方式对发射天线施加干扰。所谓的不同的情况，主要指的就是远区场与近
15、区场。谓的不同的情况，主要指的就是远区场与近区场。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 在只考虑天线间的距离和障碍物遮挡因素的在只考虑天线间的距离和障碍物遮挡因素的情况下可定义空间隔离度：情况下可定义空间隔离度：这里，这里，是发射天线产生的向接收天线方向是发射天线产生的向接收天线方向上传播的电场，上传播的电场，是入射电场经绕射后到接是入射电场经绕射后到接收天线处的电场。收天线处的电场。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 天线隔离度与空间隔离度是两个不同的概念。其中，空间隔离天线隔离度与空间隔离度是两个不同的概念。其中，空间隔离度与天线的具体形式无关，它只描述电磁波通过两天
16、线间的空度与天线的具体形式无关，它只描述电磁波通过两天线间的空间传播时，由于电磁波的自身发散以及空间媒质的作用而产生间传播时，由于电磁波的自身发散以及空间媒质的作用而产生的自然衰减。天线隔离度不但计及这种自然衰减，而且包含了的自然衰减。天线隔离度不但计及这种自然衰减，而且包含了接收天线与发射天线对发射方向上的功率密度以及接受方向上接收天线与发射天线对发射方向上的功率密度以及接受方向上的功率密度的影响，因此天线隔离度不但与天线间的空间具体的功率密度的影响，因此天线隔离度不但与天线间的空间具体形式及构成有关，还与天线的形式有关。具体地讲，天线隔离形式及构成有关，还与天线的形式有关。具体地讲，天线隔
17、离度是空间隔离度与收发天线在特定方向上功率增益的和，天线度是空间隔离度与收发天线在特定方向上功率增益的和，天线隔离度最好地描述了天线间的隔离程度。隔离度最好地描述了天线间的隔离程度。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 天线隔离度与空间隔离度在不同的问题中有不同的地位。因为天线隔离度与空间隔离度在不同的问题中有不同的地位。因为有时天线的功率增益与空间隔离度相比并不大，空间隔离度近有时天线的功率增益与空间隔离度相比并不大，空间隔离度近似等于天线隔离度，因此，仅仅是空间隔离度就能说明天线间似等于天线隔离度，因此，仅仅是空间隔离度就能说明天线间的隔离程度，从简化计算方面考虑，这时，我们可以
18、不管天线的隔离程度，从简化计算方面考虑，这时，我们可以不管天线隔离度。一般情况下，这种现象出现在天线间的电距离（真实隔离度。一般情况下，这种现象出现在天线间的电距离（真实距离与发射天线工作波长之比）较大或者收发天线都可认为是距离与发射天线工作波长之比）较大或者收发天线都可认为是很好的全向天线，并且其功率增益大约为很好的全向天线，并且其功率增益大约为 的场合中。如的场合中。如果收发天线间的电距离不够大，或者收发天线的功率增益值随果收发天线间的电距离不够大，或者收发天线的功率增益值随着方向坐标的改变有很大的变化，这时，天线隔离度与空间隔着方向坐标的改变有很大的变化，这时，天线隔离度与空间隔离度有较
19、大差别，在这种情况下，只要知道天线的具体形式，离度有较大差别，在这种情况下，只要知道天线的具体形式，都应该考虑天线的功率增益，即计算出天线隔离度。都应该考虑天线的功率增益，即计算出天线隔离度。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度T近区场与远区场的隔离度分析与计算公式近区场与远区场的隔离度分析与计算公式 前面我们介绍的天线的远场条件只是对于一副天线而言的，在分析前面我们介绍的天线的远场条件只是对于一副天线而言的，在分析天线隔离度时，牵涉到了收发两副天线，要保证两天线天线隔离度时，牵涉到了收发两副天线，要保证两天线 都在对方的远场，就必须满足都在对方的远场，就必须满足 远场条件：远场条件
20、其中，其中，是发射天线的最大尺寸是发射天线的最大尺寸 （等效直径），（等效直径），是接收天线的最是接收天线的最 大尺寸（等效直径）。大尺寸（等效直径）。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 在远区场与近区场，发射天线是通过不同的方式对在远区场与近区场，发射天线是通过不同的方式对接收天线施加影响的，因此，虽然这两种情况下天接收天线施加影响的，因此，虽然这两种情况下天线的隔离度定义都是相同的，但是它们的具体计算线的隔离度定义都是相同的，但是它们的具体计算式是有区别的。式是有区别的。若两个天线相距比较远，都处于另一天线的远区时，若两个天线相距比较远，都处于另一天线的远区时，它们之间的相互
21、影响就是靠辐射场联系起来的。发它们之间的相互影响就是靠辐射场联系起来的。发射设备与发射天线相连，接收设备与接收天线相连。射设备与发射天线相连，接收设备与接收天线相连。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 令发射天线发射的功率为令发射天线发射的功率为 ，是发射天线的增益。是发射天线的增益。接收天线与发射天线间的距离为接收天线与发射天线间的距离为 ，收发天线外形尺，收发天线外形尺寸与寸与 相比很小，天线可被当作一个点源，而且发射相比很小，天线可被当作一个点源，而且发射天线发出的电磁波为球面波，在接收天线处，该球面天线发出的电磁波为球面波，在接收天线处，该球面波的半径很大，可当作平面波，则
22、隔离度表示为：波的半径很大，可当作平面波，则隔离度表示为：电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 其中其中 为间距，为波长，为间距，为波长，与与 为两天线增益，为两天线增益，为其归一化方向性函数。为其归一化方向性函数。是发射天线坐标系中接收点指向角，是发射天线坐标系中接收点指向角，是接是接收天线坐标系中发射点的指向角。收天线坐标系中发射点的指向角。早期电磁兼容预测采用这一算法，但实际上远场条早期电磁兼容预测采用这一算法，但实际上远场条件场不满足，计算得到的隔离度就有较大的误差，件场不满足，计算得到的隔离度就有较大的误差，为此需要寻求更加精确的方法。为此需要寻求更加精确的方法。电磁兼容中
23、的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 如果接收天线不在发射天线的远区中，或者发射天线不在接收天如果接收天线不在发射天线的远区中，或者发射天线不在接收天线的远区中时，两天线之间的相互干扰主要不是通过辐射场进行线的远区中时，两天线之间的相互干扰主要不是通过辐射场进行的，而是近区束缚场或者近区感应场。这种情况经常出现在计算的，而是近区束缚场或者近区感应场。这种情况经常出现在计算线天线阵中天线间隔离度的问题中。我们知道，天线功率增益的线天线阵中天线间隔离度的问题中。我们知道，天线功率增益的概念是在远场建立的，因此上页中的计算式是不能用于近场天线概念是在远场建立的，因此上页中的计算式是不能用于近场天线隔
24、离度分析的。即使把功率增益的概念延拓到近区场，也仍然是隔离度分析的。即使把功率增益的概念延拓到近区场，也仍然是描述辐射场功率增益的，而这时天线间干扰的主要因素并不是辐描述辐射场功率增益的，而这时天线间干扰的主要因素并不是辐射场，因此，由上式算得的天线隔离度将远小于近区场中天线间射场，因此，由上式算得的天线隔离度将远小于近区场中天线间的真实隔离度。的真实隔离度。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 重新考虑天线隔离度的定义。天线隔离度是指发射重新考虑天线隔离度的定义。天线隔离度是指发射天线发射的功率与接收天线接收到的功率之比，当天线发射的功率与接收天线接收到的功率之比，当两天线都在对方
25、远场时，所谓的发射功率指的实际两天线都在对方远场时，所谓的发射功率指的实际是天线的辐射功率，以为只有辐射场才能影响接收是天线的辐射功率，以为只有辐射场才能影响接收天线。而当两天线在对方的近区场时，由于接收天天线。而当两天线在对方的近区场时，由于接收天线受到的不仅仅是近区场中微不足道的辐射场的影线受到的不仅仅是近区场中微不足道的辐射场的影响，更多的是受到束缚场或者感应场的影响，因此响，更多的是受到束缚场或者感应场的影响，因此这时发射天线的发射功率指的应该是天线的输出功这时发射天线的发射功率指的应该是天线的输出功率。率。电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 简言之，如下天线隔离度公式：简
26、言之，如下天线隔离度公式：对于远区场，对于远区场，代表发射天线的辐射功率，对于近区代表发射天线的辐射功率，对于近区场，场，代表发射天线的输出功率。运用上式计算近区代表发射天线的输出功率。运用上式计算近区场天线隔离度时是很不方便的。一般是将要分析的两场天线隔离度时是很不方便的。一般是将要分析的两天线所组成的系统看成是一个双口网络。端口间电流、天线所组成的系统看成是一个双口网络。端口间电流、电压关系用阻抗矩阵表述：电压关系用阻抗矩阵表述：电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 ，成为互阻抗，当媒质为各向同性时，网络是成为互阻抗，当媒质为各向同性时，网络是互易的，即有；互阻抗与天线本身性质有
27、关。若天线互易的，即有；互阻抗与天线本身性质有关。若天线1作发射天线，馈有电压作发射天线，馈有电压 ，天线，天线2做接收天线，接有做接收天线，接有负载阻抗负载阻抗 ，其上电压为，其上电压为 ，则由阻抗矩阵很容，则由阻抗矩阵很容易求得易求得 与与 的比值：的比值：电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 按照天线隔离度的定义，可得：按照天线隔离度的定义，可得：为发射天线为发射天线1输入阻抗实部，输入阻抗实部，为为 的实部。在实的实部。在实际工程问题中，际工程问题中，与与 的计算是一个不容易解决的的计算是一个不容易解决的问题，如果用一些合适的电磁计算软件则可以巧妙地问题，如果用一些合适的电磁
28、计算软件则可以巧妙地绕过这个问题，这一方面的内容将在后面介绍。绕过这个问题，这一方面的内容将在后面介绍。电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 T周期信号的谐波分析周期信号的谐波分析 设设 为周期性信号，周期为为周期性信号，周期为 ，众所周知，众所周知，任何周期信号任何周期信号 ，如果满足，如果满足Dirichlet条件，条件，都能展开为都能展开为Fourier级数。周期性信号展开成级数。周期性信号展开成Fourier级数的物理意义是十分明确的，它表明级数的物理意义是十分明确的，它表明一个周期信号可以分解成直流分量和一系列谐一个周期信号可以分解成直流分量和一系列谐波分量之和。或者说周期信号
29、可看作是由一个波分量之和。或者说周期信号可看作是由一个直流分量和一系列谐波分量叠加而成。直流分量和一系列谐波分量叠加而成。电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 通常把通常把 时所得的时所得的 称为基波，把称为基波，把 时所得到的各项分量一次成为时所得到的各项分量一次成为二次谐波分量、三次谐波分量二次谐波分量、三次谐波分量 次谐波分量。在次谐波分量。在天线工作的时候，往往都存在一个频带，在这个频天线工作的时候，往往都存在一个频带，在这个频带内的每一个频点上，天线作为末端负载的电压驻带内的每一个频点上，天线作为末端负载的电压驻波比都小于某一给定值，这一阈值一般取波比都小于某一给定值，这一阈值
30、一般取2或者或者1.5。这个频带叫作天线的工作频带。在工作频带内每一这个频带叫作天线的工作频带。在工作频带内每一个频率的电磁波都认为能够被天线发射出去，因此，个频率的电磁波都认为能够被天线发射出去，因此，发射天线所发射电磁波的频率可以是频带内的每一发射天线所发射电磁波的频率可以是频带内的每一个频率。个频率。电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 发射天线在工作频带内的每一个频率包括中心频率发射天线在工作频带内的每一个频率包括中心频率被认为是发射电磁波的基波，其二次谐波、三次谐被认为是发射电磁波的基波，其二次谐波、三次谐波分别是基波频率的波分别是基波频率的2倍与倍与3倍，只不过谐波的能量倍，
31、只不过谐波的能量远比基波的能量小。由以上分析可知，两个天线的远比基波的能量小。由以上分析可知，两个天线的工作频带即使不同，但是只要其中一个天线的二次工作频带即使不同，但是只要其中一个天线的二次谐波或三次谐波等能够落入另一个天线的工作频带谐波或三次谐波等能够落入另一个天线的工作频带内，这两副天线间就存在有干扰。内，这两副天线间就存在有干扰。电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰T天线间谐波干扰实例天线间谐波干扰实例 现在我们分析两副车载天线间的谐波干扰，为突出谐波干扰，这现在我们分析两副车载天线间的谐波干扰，为突出谐波干扰，这里暂时忽略了天线隔离度的具体计算方法。里暂时忽略了天线隔离度的具体
32、计算方法。车体上有两副工作在车体上有两副工作在 的的HF天线，分别发天线，分别发射和接收信号；两副工作在射和接收信号；两副工作在 的的VHF天线，天线，一副一副UHF天线。由频带范围可以看出，天线。由频带范围可以看出，HF发射天线的谐波会落到发射天线的谐波会落到VHF接收天线的频带内而对其产生干扰；接收天线的频带内而对其产生干扰；HF和和VHF的谐波会落到的谐波会落到UHF天线的频带内而对其产生干扰；另外还有其它形式的相互干天线的频带内而对其产生干扰；另外还有其它形式的相互干扰扰.因此因此,需要对各种干扰状况进行预估分析，主要是求解其相互需要对各种干扰状况进行预估分析，主要是求解其相互间的隔离
33、度。间的隔离度。电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 以以HF天线天线 2(HF天线天线 2被固定在车尾的后箱壁上，与被固定在车尾的后箱壁上，与车体不相连，中馈天线车体不相连，中馈天线)和和VHF天线天线 1为例，分别考虑为例，分别考虑HF天线天线 2的二次和三次谐波对的二次和三次谐波对VHF天线天线 1的干扰，经的干扰，经计算可得其耦合度：计算可得其耦合度：电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 以上两个表分别给出了以上两个表分别给出了HF天线天线2的二次和三的二次和三次谐波点上次谐波点上HF天线天线2和和VHF天线天线1之间的耦合之间的耦
34、合度，由表可见，度，由表可见，HF天线天线2二次谐波对二次谐波对VHF天天线线1在在6 0MHz以下形成干扰，以下形成干扰，HF天线天线2的三的三次谐波对次谐波对VHF天线天线1全波段干扰，耦合度最高全波段干扰，耦合度最高达达-14.7dB，最低也有，最低也有-32.3dB，可见二者之，可见二者之间的耦合是相当强的。间的耦合是相当强的。电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 当两天线同时工作时，假设当两天线同时工作时，假设HF天线天线2为大功率发射天线，为大功率发射天线，而而VHF天线天线1为接收天线，当为接收天线，当VHF天线天线1工作频点刚好落工作频点刚好落在在HF天线天线2谐波点附近
35、时必将产生相当大的干扰，严重谐波点附近时必将产生相当大的干扰，严重影响影响VHF天线天线1的接收性能，因此必须对此问题加以解的接收性能，因此必须对此问题加以解决。实际中首先要提高决。实际中首先要提高HF天线天线2的发射机抑制谐波的能的发射机抑制谐波的能力，使其谐波发射电平尽量小，另外也可以对两天线的力，使其谐波发射电平尽量小，另外也可以对两天线的工作频率等进行合理安排，以避免干扰。工作频率等进行合理安排，以避免干扰。电磁兼容中的天线耦合问题机载天线的布局 随着当代科学技术的不断进步，机体、舰体、车体表面天线的数量随着当代科学技术的不断进步，机体、舰体、车体表面天线的数量越来越多，必须有一个合理
36、的天线布局，才能使每个天线都正常的越来越多，必须有一个合理的天线布局，才能使每个天线都正常的工作。在工程设计中，一般都是按照天线布局原则先做初步的布置，工作。在工程设计中，一般都是按照天线布局原则先做初步的布置，然后对这一布局进行电磁兼容分析，算出天线间的隔离度，如果符然后对这一布局进行电磁兼容分析，算出天线间的隔离度，如果符合标准，就采用这一布局，如果不符合标准，则需要根据具体天线合标准，就采用这一布局，如果不符合标准，则需要根据具体天线隔离度数据调整部分天线的位置，然后再计算新布局的天线隔离度。隔离度数据调整部分天线的位置，然后再计算新布局的天线隔离度。这样经过反复计算与调整之后，逐渐使天
37、线布局趋于合理。下面以这样经过反复计算与调整之后，逐渐使天线布局趋于合理。下面以机载天线为例，介绍天线的布局原则与一般考虑。机载天线为例，介绍天线的布局原则与一般考虑。电磁兼容中的天线耦合问题机载天线的布局T天线布置原则天线布置原则 (1)预警机电子系统中各分系统的天线布置要考虑应充分预警机电子系统中各分系统的天线布置要考虑应充分发挥各分系统的战技性能，完成各自所担负的任务。发挥各分系统的战技性能，完成各自所担负的任务。(2)分系统天线间辐射干扰影响尽量小即尽量减少辐射耦分系统天线间辐射干扰影响尽量小即尽量减少辐射耦合。合。(3)要充分利用载体的遮档要充分利用载体的遮档;(4)实际天线布局设计
38、是一个综合性的反复调整过程。实际天线布局设计是一个综合性的反复调整过程。电磁兼容中的天线耦合问题机载天线的布局T天线布置初步考虑天线布置初步考虑 (1)探测雷达天线布置探测雷达天线布置 考虑飞机气动力学影响考虑飞机气动力学影响,参照以色列预警机参照以色列预警机,采用共形相控阵天线采用共形相控阵天线型式型式,天线置于机身两侧和前后。天线置于机身两侧和前后。(2)GPS天线布置天线布置 GPS接收天线接收天线,它接收卫星信号它接收卫星信号,因此它要安装在机身上方因此它要安装在机身上方,且尽且尽量远离探测雷达。量远离探测雷达。(3)ESM天线布置天线布置 无源探测无源探测(以以 ESM为例为例)频带
39、宽频带宽,接收灵敏度高接收灵敏度高,因此因此 ESM天线天线要远离那些落于其工作频带的发射源要远离那些落于其工作频带的发射源,考虑考虑 ESM天线安装于机身天线安装于机身前后位置。前后位置。电磁兼容中的天线耦合问题机载天线的布局 (4)JTIDS天线布置天线布置 对对 JTIDS天线布置考虑空对空天线布置考虑空对空,空对地通信空对地通信,因此因此将它安装于机身上下方。将它安装于机身上下方。(5)通信天线尤其是通信天线尤其是 V/UHF天线数量多天线数量多,频段宽频段宽,要要考虑减少相互影响考虑减少相互影响,合理布局。合理布局。在初步确定了天线在载体上的布局后在初步确定了天线在载体上的布局后,就
40、可进行机载就可进行机载天线耦合干扰及天线方向图的计算机预测与分析天线耦合干扰及天线方向图的计算机预测与分析,通通过不断的调整天线的位置过不断的调整天线的位置,找到最佳的天线布局。找到最佳的天线布局。高频段天线隔离度的计算 T引言引言 关于天线隔离度的计算方法有很多种，每一种都有关于天线隔离度的计算方法有很多种，每一种都有某方面的优点，也有适用的范围。对于工程分析来某方面的优点，也有适用的范围。对于工程分析来说，当然是要求算法尽量简便快捷，并且有较高的说，当然是要求算法尽量简便快捷，并且有较高的精确度。如果是这样，同一种方法肯定不能同时满精确度。如果是这样，同一种方法肯定不能同时满足以上的两点要
41、求，我们一般采用将高频与低频分足以上的两点要求，我们一般采用将高频与低频分开来处理的办法，高频部分运用已经很成熟的几何开来处理的办法，高频部分运用已经很成熟的几何绕射理论，低频部分运用绕射理论，低频部分运用Ansoft公司优秀的公司优秀的HFSS软软件分析的方法。件分析的方法。高频段天线隔离度的计算 在高频部分，如果以在高频部分，如果以Ansoft公司的软件公司的软件HFSS为工具计算天线间的为工具计算天线间的隔离度，不仅仅能够绕过繁杂的计算与冗长的算法，还能得到一个隔离度，不仅仅能够绕过繁杂的计算与冗长的算法，还能得到一个比较精确的解。但是由于电磁兼容分析的对象一般都是一个庞大的比较精确的解
42、但是由于电磁兼容分析的对象一般都是一个庞大的系统，在高频部分有着很大的电尺寸，而系统，在高频部分有着很大的电尺寸，而HFSS正是以有限元法为基正是以有限元法为基础的软件，这样的系统对于础的软件，这样的系统对于HFSS来说意味着很大的计算量。因此，来说意味着很大的计算量。因此，在高频部分，由于计算机资源的限制，利用在高频部分，由于计算机资源的限制，利用HFSS来解决问题往往是来解决问题往往是行不通的。不过有一种例外的情况，那就是如果有一对待分析的天行不通的。不过有一种例外的情况，那就是如果有一对待分析的天线相距很近，那么计算这二者之间的隔离度时，就可以适当地选取线相距很近，那么计算这二者之间的
43、隔离度时，就可以适当地选取系统中的一部分作为模型，忽略离天线较远的系统结构的影响。但系统中的一部分作为模型，忽略离天线较远的系统结构的影响。但是这样仍然不能得到整个系统的电磁兼容分析结果。是这样仍然不能得到整个系统的电磁兼容分析结果。高频段天线隔离度的计算 为了克服这一困难，我们利用几何绕射理论来解决为了克服这一困难，我们利用几何绕射理论来解决这一问题。选择几何绕射理论主要有以下四点考虑，这一问题。选择几何绕射理论主要有以下四点考虑，第一，用几何绕射理论计算天线隔离度比较易于实第一，用几何绕射理论计算天线隔离度比较易于实现。第二，几何绕射理论主要适用于高频范围。第现。第二，几何绕射理论主要适用
44、于高频范围。第三，运用几何绕射理论计算出的隔离度结果有较高三，运用几何绕射理论计算出的隔离度结果有较高的准确度。第四，运用几何绕射理论开发的算法易的准确度。第四，运用几何绕射理论开发的算法易于用软件实现，用软件实现之后，就具有一定的通于用软件实现，用软件实现之后，就具有一定的通用性，给使用、维护、二次开发等等都带来了方便。用性，给使用、维护、二次开发等等都带来了方便。高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 T直射射线与直射场直射射线与直射场 直射射线就是从原点直射射线就是从原点S到场点到场点F的未受阻挡的射线。在我们所的未受阻挡的射线。在我们所讨论的情况下直射射线就是连接讨论的情况下直射
45、射线就是连接S和和F的直线段，因此只存在的直线段，因此只存在一根直接射线。但是如果有一个绕射物体，则在物体挡住场源一根直接射线。但是如果有一个绕射物体，则在物体挡住场源的空间中就存在一个阴影区。这时在源点的空间中就存在一个阴影区。这时在源点S和阴影区中的场点和阴影区中的场点F之间就不存在直接射线。阴影区是由一锥体界定的，此锥体之间就不存在直接射线。阴影区是由一锥体界定的，此锥体是由是由S点和从点和从S看去时物体外边界的闭合曲线所构成的。当物看去时物体外边界的闭合曲线所构成的。当物体是一多面体时，其边界是一角锥面，阴影区是一角锥。体是一多面体时，其边界是一角锥面，阴影区是一角锥。高频段天线隔离度
46、的计算射线追踪与电磁场的计算 尽管可能有绕射物体存在，直射场通常仍按尽管可能有绕射物体存在，直射场通常仍按从源发出的自由空间场计算。显然此时在天从源发出的自由空间场计算。显然此时在天线和物体之间将产生相互作用，结果改变了线和物体之间将产生相互作用，结果改变了当天线位于自由空间时的电流分布。不过，当天线位于自由空间时的电流分布。不过，当物体位于天线的远场区时相互作用是很弱当物体位于天线的远场区时相互作用是很弱的，因此在大多数工程应用中可忽略不计。的，因此在大多数工程应用中可忽略不计。高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 当场源是点源时，直射场可以简单地求出。所当场源是点源时，直射场可以简
47、单地求出。所谓点源是指具有确定的相位中心的天线，到场谓点源是指具有确定的相位中心的天线，到场点的路程长度可以以相位中心为参考点。当天点的路程长度可以以相位中心为参考点。当天线比波长大得多时，就不存在这样一个相位中线比波长大得多时，就不存在这样一个相位中心，此时就必须把天线分割成多个点源，然后心，此时就必须把天线分割成多个点源，然后对每个点源进行射线追踪，并把与这些点源相对每个点源进行射线追踪，并把与这些点源相对应的场迭加起来以求得总场。对应的场迭加起来以求得总场。高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 近场点的直射场的计算是简单的，对于远场近场点的直射场的计算是简单的，对于远场计算，其远
48、场方向图可以表示为：计算，其远场方向图可以表示为：其中其中 是到场点的射是到场点的射线（或其延长线）和相位参考面的交点。线（或其延长线）和相位参考面的交点。高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算T反射射线与反射场反射射线与反射场 一次反射射线是从一次反射射线是从S经过物体表面上一个反射点经过物体表面上一个反射点R而到而到达达F的。费马原理认为，反射点可根据使此距离取驻点的。费马原理认为，反射点可根据使此距离取驻点值的要求确定值的要求确定。值得注意的事实是，除非反射面是一。值得注意的事实是，除非反射面是一平面，否则反射点的位置不能用解析方法解出。源点位平面，否则反射点的位置不能用解析方法解
49、出。源点位于抛物面焦点的情况是可以得到解析解的特例之一。由于抛物面焦点的情况是可以得到解析解的特例之一。由于有这些困难，反射点常常是用数值搜索方法确定的。于有这些困难，反射点常常是用数值搜索方法确定的。高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 在实际应用中所遇到的物体大部分不是凸的在实际应用中所遇到的物体大部分不是凸的而是凹的，这就使射线追踪的问题复杂化了。而是凹的，这就使射线追踪的问题复杂化了。其主要原因是可能发生多次反射。此时射线其主要原因是可能发生多次反射。此时射线路程仍可用费马原理确定。当问题中含有平路程仍可用费马原理确定。当问题中含有平面反射器时（在实际应用中常常是这种情况）面反
50、射器时（在实际应用中常常是这种情况），就可以进行简化。，就可以进行简化。高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 反射场和直射场一起构成了场点的几何光学反射场和直射场一起构成了场点的几何光学场。如下图所示，场。如下图所示，是入射光线，是入射光线，是反射是反射光线，把距离光线，把距离 记为记为 ，距离，距离 记为记为 ，反射过程可以用下式表示：，反射过程可以用下式表示：高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 其中反射系数其中反射系数 通常是一个通常是一个 的矩阵，的矩阵，分别是分别是 点的入射场和反射场。于是上述点的入射场和反射场。于是上述方
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