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1、车辆瞄准线天线间近场相互耦合的近似计算Henrik Frid, Student Member, IEEE, Henrik Holter, and B. L. G. Jonsson摘要摘要- -由于构筑物的电气尺寸使用全波模拟仿真的方法计算车辆上天线间的相互耦合需要大量的计算机资源。因此对于天线间有瞄准线的情况我们提出了一种可替代的近似的方法来确定车辆上天线间的相互耦合。这种被提出的方法是基于将车辆上天线瞄准线之间的相互耦合近似为在自由空间中天线间的近场传递。我们将以计算自由空间近场传递的四种方法的简要回顾作为这个分析的开始。所研究的方法中，我们表明，最初由 Yaghjian（1982）提出的近
2、场传输积分的非奇异形式是最适合用在车辆的瞄准线天线的。我们采用一种该方法的修改，为了仅使用天线的远场和几何分离来确定的相互耦合。与全波模拟的比较表明，该方法对瞄准线天线具有较好的精度。本文最后对瞄准线条件下飞机上两单极天线全面相互耦合计算，与全波仿真比较，显示的均方根（RMS）频率高达 5 GHz 有 6 分贝的精度。关键词：飞机天线，飞机可靠性，电大尺寸，电磁干扰，近场I.引言安装在车辆上的天线设计和测试主要侧重于辐射和散射场的属性。但是，在同一车辆上安装的多个天线之间的电磁干扰和相互耦合变得越来越重要。自适应巡航控制系统和碰撞预警系统的最新进展，导致对汽车天线数量的增加。对于具有关键任务的
3、传感器，其他系统的干扰需要低于某些情况下相关的规定值。军用车辆通常用于通信，电子对抗，和雷达天线具有更大的数量。天线在飞机上的数目可达到 50。而天线与天线间耦合的减少对相关的传感器的功能是至关重要的，当每台车辆上的天线变得越来越多时它变得越来越难以满足相互耦合的标准。由于在大型车辆上测量天线之间的相互耦合的成本和技术困难，在安装之前需要有一个方法来计算车辆上天线间的相互耦合。然而，由于车辆的电气尺寸，进行全三维（三维）模拟，以找到在高频率的天线之间的相互耦合，需要大量的计算机资源。当今应用于大型结构的快速数值方法的目标是确定辐射方向图或雷达截面，目前还没有足够快速的方法计算电大车辆上天线之间
4、的相互耦合。因此在本文中，我们提出了一种近似的方法来确定车辆上的瞄准线天线之间的相互耦合。瞄准线意味着在和车辆结构任何部分都不相交的天线之间存在一条直线。这个被提出的方法利用天线远场计算已知输送功率和天线的几何结构。因此，它可以被实现为一个后处理步骤，使相互耦合的计算用于计算所述天线的远场渐近方法。该方法是基于车辆上瞄准线天线间的相互耦合的近似作为自由空间中天线间的近场传输。因此我们开始分析，简要回顾了给出的自由空间耦合方法：1)Friis 传输方程；2）Kim 等人的方法；3）Yaghjian 传输积分的串联扩展；4）Yaghjian 传输积分的奇异形式。在第二节中，我们修改了 3）和 4）
5、，以避免需要计算的反射系数或端口阻抗。方法（1-4）在第三节中进行基准测试。在确定哪种方法是最适合汽车应用的之后，在第四节我们继续考虑车辆上的天线。在第四节 B 中，我们以一个我们计算出的两个天线之间的相互耦合在一个 4 米长的飞机频率高达 5GHz 的全面例子结束本文。图图 1 两个任意定向天线的远场图归一化振幅（两个任意定向天线的远场图归一化振幅（，）和复杂的电压振幅（）和复杂的电压振幅（）。这个坐标系的）。这个坐标系的 Z Z 轴与每个天线相交。天线分离是轴与每个天线相交。天线分离是 d。，II.自由空间中的互耦根据图 1 考虑一个由在自由空间中相距为 d 的两个天线组成的二端口网络。选
6、择一个坐标系，使坐标系的原点与所述天线的其中一个位置一致。对应于该天线的变量表示与指数（发射机） ，而其他天线的变量表示与指数（接收器） 。对应于该天线的变量表示为指数（发射机） ，而其他天线的变量表示为指数（接收器） 。由于天线的互易性，个天线都可以用来发射或接收。将发射天线的输入电压（或波导模系数）设为，将接收天线的输出电压设为。因此，如果系统是隔离的并且接收天线以匹配负载结束，是接收那么|2|2=|21|2=|12|2与发射功率之比，称为天线间的相互耦合。A.一个增益衰减因子 Friis 传输方程自由空间中对于位于彼此的远场中天线的互耦，可以使用 Friis 传输方程估算（见 8 和 1
7、2 ）| |2= (0,0)(,)( 4)2| |2这里的是定义在发射情况中的各个天线的单位极化矢量，是和和发射天线和接收天线各自的实际增益在图 1 的坐标系中表示。已经进行了若干尝试扩展 Friis 自由空间传输方程对近场区的有效性 9 、 14 、 15 。基姆等人 9 在 Friis 传输方程（1）上增加了一个经验增益折减系数来提高近场区域内天线间耦合度的估计。这一经验增益折减系数基于基于天线的六种选择被选择出来。因此， （1）式的右边应该乘以=(1 0.06()(2(2 )(1 0.06()(2(2 )其中，当使用9中的方法时。() = 2.5 - 3 ( - 10)/B.近场自由空间
8、传输积分基于 Kerns16提出的天线平面波散射矩阵描述 Yaghjian 10得出一个近场传输积分。这个被称为 Friis 传输方程的近场概括的积分公式在本节中被提出。我们还提出了一个此积分的修改，以便此方法只使用天线远场和天线之间的距离 d。在本文中假定了一个时量。众所周知，放置在原点的天线的远场在远场区按，因此可以唯一地采用矢量远场的振幅来描述电场远场。 /衰减0(,)1 0+ ()其中是电压尺寸的归一化常数。根据上下文的文献，这个函数通常表示为0。使用图 1 中给定的坐标系统，波矢量分为垂直和平行于 Z 轴的分()和()量，根据其中为正实数因为。然后 = + = + 和 =2 2 0.
9、2中型天线就变得微不足道了。天线远场在图 1 中给出的坐标系统表示为每个远场的起源与天线的相位中心。验证了远场采样间距为足够精确的计算考虑0.5了喇叭天线之间的近场传输。图图 2 2 沿沿 z 轴分离距离为轴分离距离为 d 的两个面对面的喇叭天线之间的相互耦合。喇叭天线的三波的两个面对面的喇叭天线之间的相互耦合。喇叭天线的三波长分离的例子也包括在这个图长分离的例子也包括在这个图在 d 2 时，与 Friis 传输方程比较9中的经验增益折减系数提高了互耦估计。但是，对于较小的天线分离（见图 2） ，该协议是比较糟糕的。同样，MoM 之间的协议结果和级数展开(7)适合 d r +t = 1.7 的
10、级数是收敛的。另一方面，NSTI(9)之间的协议和仿真结果，对极微小天线分离(0.2)也是极好的。这表明，NSTI 可以用来计算（4）不需要任何截断的积分域，此外，它可以用于分离距离 dR +T 在级数不收敛。B.圆极化天线近场传输的积分 10 中先前的实现方式只有被证明的线性极化天线 11 ， 18 ， 23 ， 24 。为了证明该方法对圆极化天线的有效性，在这里我们使用具有相同直径的圆极化螺旋天线代替第三节 A 中的喇叭天线。在仿真过程中，这些天线被设计在 2-18 GHz 波段 12 并且连接到一个190- 的参考阻抗上运行。天线之间的相互耦合计算为一个分离距离频率为 10GHz 使用
11、MoM 的d 0.2函数。使用 MoM 的结果，Friis 传输方程（1）Y 有或者没有经验衰减因子（2），级数展开（7） ，和 NSTI（9）在图 3 中被提出。类似于上一节，在没有其他天线时计算天线远场。在计算级数展开（7）时使用 N=17 这个条件。第一组曲线顶部的这个数字代表了两个右旋圆偏振(RHCP)之间的相互耦合天线和第二组曲线的图代表一个 RHCP 天线之间的相互耦合,一个左旋圆极化天线(LHCP)。图图 3 3 沿沿 z 轴分离距离为轴分离距离为 d 的两个面对面的螺旋天线之间的相互耦合。红环被用来区分的两个面对面的螺旋天线之间的相互耦合。红环被用来区分对应的偏极化匹配和极化不
12、匹配的情况下，分别的曲线。对应的偏极化匹配和极化不匹配的情况下，分别的曲线。应该注意的是，MOM 协议在极化匹配的情况下比极化不匹配的情况下更好。注意，一旦天线进入彼此的反应近场极化不匹配天线间的相互耦合迅速增加，正如图 3 中的 MOM 曲线图所示。在反应性近场，更高阶的相互作用可以影响交叉天线的极化。其结果是一个退化的极化隔离，从而快速增加反应性近场的相互耦合。由于图 3 中考虑的所有方法，除了 MOM 假设天线的交叉极化是独立的分离距离，MOM 协议在极化不匹配天线位于彼此的反应性近场是较差的。IV.车辆上的天线A.瞄准线天线作为车辆上两个瞄准线天线的简化模型，根据图 4（a）考虑两螺旋
13、天线放置在一个电导体（PEC）表面。在中心频率 10 GHz 时当地的接地平面见图4（b） 为 1010。飞机的一个类似的问题是，计算一个天线安装在飞机尾部和一个天线安装在机翼上的天线之间的相互耦合，这样天线之间有瞄准线。我们使用这个简化的模型来说明该方法背后的理念之后, 我们将在第四节 B 中展示一个更实际的车辆模型。我们这里介绍的近似可以使用第二节中讨论的自由空间方法计算车辆上天线之间的近场互耦。根据图 4(b)我们将图 4(a)中的几何形状近似为在自由空间中的两个天线在自由空间,一块天线之间的车辆被移除。我们预计，车辆上在彼此的视线之内的天线的耦合是占主导地位的自由空间贡献的耦合。在这里
14、我们研究如何对自由空间中车辆之间的相互耦合| S21 |进行估计，数值验证在本节稍后和图 5 中进行了讨论。.图图 4 4 在瞄准线条件下在电大导体平面上的螺旋天线，其中（在瞄准线条件下在电大导体平面上的螺旋天线，其中（a a）是连接的（）是连接的（b b）是隔离的。）是隔离的。我们用（我们用（b b）近似（）近似（a a） 。图中天线平面之间的开口角。图中天线平面之间的开口角 22 为为 9090 。图图 5 5 图图 4 4 中的天线之间的互耦使用不同的方法计算。方案（中的天线之间的互耦使用不同的方法计算。方案（a a）和方案（）和方案（b b）比较，均）比较，均 方根误差为方根误差为 2
15、 2，NSTINSTI 为为 4 4当使用当使用 FriisFriis 传输方程或传输方程或 KimKim 等人的公式时为等人的公式时为 2424。根据图 4 考虑到这些天线（即接地平面上的螺旋天线）在自由空间中的近似，我们可以使用 NSTI 确定天线之间的互耦。在这个例子中在 10GHz 时天线分离 d 为 10 。观察到，由于在导电平面的辐射电流，最接近每一个螺旋的导电平面是天线的有效部分。这些天线远远大于螺旋的物理尺寸。因此，我们不指望用考虑天线分离使用 Friis 传输方程来找到一个很好的协议。由于收敛准则，我们也不指望级数展开（7）收 + 敛于所有频率。有人发现，在这个例子中低于 14GHz 时，该级数展开（7）不收敛。正如第三节所演示的，NSTI 算法不会遭受这些问题。对于图 4 中所示的方案（a）和方案（b） ，天线之间的互耦作为采用时域求解器 CST 实现 7 的频率的函数被计算。结果如图 5 所示。这两种情况之
