引言
通讯车辆上有限的空间内，密布着各种工作频率的电子设备，这些设备之间存在严重的电磁干扰。其中各通讯设备天线系统之间电磁干扰的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，一般将发射天线的发射功率与另一天线的接收功率的比值定义为天线间的隔离度。天线系统的频率覆盖范围可从几兆赫兹至几十吉赫兹，各天线系统之间的电磁耦合比较严重，产生的电磁骚扰与干扰甚至影响了整个车载无线通信系统的性能[1]。为使车载无线通讯设备正常工作，可通过电磁仿真合理布局车载天线，以使整个车载系统的性能达到最优。 1 车体及天线建模
研究车载设备间的电磁耦合效应，其实质也就是研究天线系统间的电磁耦合。通讯车上装载天线的相关信息见表1。
研究天线耦合效应之前，首先要对车体和天线进行建模。实际车辆结构极其复杂，车体内外均由大量的细小结构和精密单元构成，而在电磁仿真中，需要对这些进行简化，以保证仿真计算的效率和准确性。[2-3]
简化后的整车模型如图1所示。经过模型的预处理，保持车辆的基本信息，大大缩减了车辆模型的网格数量与未知量，减少了计算所需要的内存。
对车载天线而言，车体平台及地面同样会对天线的性能产生影响[4]，以下主要研究各天线独立工作时的辐射方向图以及车体环境下车载天线系统间的电磁耦合关系。图2~图8分别给出了各类车载天线的仿真模型以及天线单独工作时典型频点的增益方向图。
通讯车多天线隔离度仿真
Simulation of Multi-antenna Isolation of Communication Vehicle 1中国电子科技集团公司第28研究所联试中心 2广州广电计量检测股份有限公司电磁兼容研究所
吴啸晨1王媛2刘恩博2摘要
为研究通讯车上多天线系统之间的电磁特性，采用CST时域有限积分法和高频弹跳射线法组合仿真，分析了短波电台天线、散射天线、北斗天线等多种天线系统之间的电磁耦合特性，得到预布局情况下，车载天线系统间的电磁耦合情况。仿真结果对通讯车的电磁兼容性能提升有一定的参考价值。
关键词
通讯车；电磁兼容；天线隔离度；天线耦合
Abstract
To study the electromagnetic characteristics between multi-antenna systems on communication vehicle, the CST time domain finite integration method and the high frequency shooting and bouncing rays method are used to simulate the electromagnetic coupling characteristics among the antenna systems such as short wave radio antenna, scattering antenna and Beidou antenna. The electromagnetic coupling between the antenna systems of vehicle under the pre-layout condition is obtained. The simulation results have certain reference value for improving the EMC performance of communication vehicle. Keywords
communication vehicle; EMC; antenna isolation; antenna coupling
表1
车载天线
73
2019年第4期 安全与电磁兼容
74SAFETY & EMC No.4 2019
检查井井座2 整车天线隔离度仿真分析
车辆上天线类型多、结构精细、复杂，载体平台电尺寸大，且天线工作频段从几兆赫兹到几十吉赫兹，难以用一种算法全波求解，因此采用CST 时域有限积分法和高频弹跳射线（SBR）法组合完成仿真，这样既能保证计算的精度，又能提高计算效率。整车及天线模型如图1所示。
基于时域有限积分方法的CST MWS 一般只适用于计算几十到几百波长的电磁目标，因此可用来计算低频段各天线之间的电磁耦合关系。在车体模型上建立天线模型及S 参数离散端口，短波电台天线、超短波电台天线、高速电台天线分别定义Port1、Port2、Port3，对三个端口同时激励，以各天线的中心频点为计算频点，可以通过计算求解各端口之间的S 参数来表征天线之间的
图1
预处理后的整车模型
（a）仿真模型
（b）增益方向图（368 MHz）
蒸纱机
图4 高速电台天线
导电泡棉成型机（a）仿真模型
（b）增益方向图（59 MHz）
图3
电压跟随器电路图超短波电台天线
（a）仿真模型
（b）增益方向图（10 MHz）
iscr-006图2
短波电台天线
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2019年第4期 安全与电磁兼容
（b）增益方向图（2.4 GHz）
图5 区宽天线
（a）仿真模型
（b）增益方向图（2.491 GHz）
图6 北斗天线（a）仿真模型
图7 卫星通讯天线
（a） 仿真模型
（b）增益方向图（20.4 GHz）
（b）增益方向图（14.7 GHz）
图8 散射天线—30×30矩形波导阵列
（a）仿真模型
76SAFETY & EMC No.4 2019
隔离度[5-7]，利用时域有限积分法计算所得端口间的S 参数如图9。
图9展示了低频天线之间的电磁耦合情况，各低频天线的辐射性能较好，辐射范围较大，且车辆上天线间的距离较近，导致各天线之间的电磁耦合较强，这应是车载天线系统电磁兼容性研究的重点。
工作在高频段的天线比鞭天线结构复杂、精细，电磁仿真时网格剖分密集，未知量巨大，计算所需内存庞大，普通的工作站无法进行计算求解，因此，利用CST 的弹跳射线法，将计算所得的图2至图8中增益方向图作为源，以各天线的中心频点为计算频点，计算工作在高频段的天线与其他频段天线之间的电磁耦合情况。低频天线与中高频天线间的隔离度仿真结果见表2。
根据表2的结果，低频天线与中高频天线间的电磁耦合较弱，均在-50 dB 以下。低频段与中高频段天线间的工作频率范围差别较大，天线波长差异大，因此两者之间的电磁耦合较弱。
根据表3中高频天线与整个天线系统间的隔离度仿真结果，区宽天线系统与短波电台天线和超短波电台天线之间的电磁耦合关系略强，最强耦合关系有-41.6 dB。 而区宽天线、北斗天线等高频段天线与车辆上的其他
天线系统之间的电磁耦合较弱，最弱的耦合关系有 -148.7 dB，发生在散射天线与超短波电台天线之间。
由图9、表2与表3可见，车载天线系统间电磁耦合情况较为复杂，低频段天线间耦合度的余量较小，易受到各种电磁干扰。随着天线工作频差的增加，车载天线间的耦合度变化较为复杂，但基本呈降低趋势。
3 结语
预布局情况下，车载天线系统间的电磁耦合仿真表明：所有天线之间的隔离度均能够达到要求。工作频率相差越大，天线间的隔离度越好。通讯车设计集成工作的时候，可参照仿真结果，如尽可能将低频段天线的位置隔离开来，保证低频天线之间的距离尽可能大；区宽天线不宜与短波、超短波天线太过接近。
通过对整车多天线系统的天线隔离度仿真，能够精确、快速地分析出各天线之间的耦合情况。车载天线的天线隔离度仿真分析结论对于车载天线系统的合理布局、优化、整车结构对天线性能的影响性分析均具有一定指导意义。
参考文献
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编辑：刘新霞
表2 低频天线与中高频天线间的隔离度仿真结果
/dB
表3 中高频天线与整个天线系统间的隔离度仿真结果
/dB
图9 低频天线端口间的S 参数计算结果
（a）短波电台天线与超短波电台天线
（b）短波电台天线与高速电台天线桩基泥浆比重
（c）高速电台天线与超短波电台天线
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