天线隔离度的分析与计算讲稿优质内容

《天线隔离度的分析与计算讲稿优质内容》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天线隔离度的分析与计算讲稿优质内容（105页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、提纲T电磁兼容中的天磁兼容中的天线耦合耦合问题 引言引言 天天线的工作原理的工作原理 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 天天线隔离度与空隔离度与空间隔离度隔离度 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1高级培训电磁兼容中的天线耦合问题 T引言引言 在任何一个具有在任何一个具有综合功能的移合功能的移动系系统中，如中，如飞机、火机、火车、舰船等，船等，为了保持了保持该系系统与其他系与其他系统或地面的或地面的联络，大多采用无，大多采用无线电通通讯方式，方式，有的在系有的在系统内部也采用无内部也采用无线

2、电通通讯技技术。这些无些无线电通通讯工具的工具的发射射机和接收机的天机和接收机的天线，除了，除了发射射调谐频率的无率的无线电信号之外，信号之外，还发射无射无意的交意的交调失真信号。失真信号。这些有意的些有意的发射信号和无意的射信号和无意的发射信号往往成射信号往往成为天天线的干的干扰源。例如一源。例如一辆小小轿车内安装的无内安装的无线电话收收发系系统，它的工，它的工作作频率在率在1MHz1GHz范范围内，而内，而车内内发动机的点火装置机的点火装置产生的干生的干扰信号信号频谱可达到可达到200MHz，城市里的广播，城市里的广播电视发射天射天线的的调谐频率在率在十几十几MHz到数百到数百MHz之之间

3、，因此，因此轿车内的无内的无线电话收收发机的工作机的工作频率率一般一般设在在较低的低的频段，否段，否则就会遭到广播就会遭到广播电视信号或信号或发动机点火噪声机点火噪声的干的干扰。 2高级培训电磁兼容中的天线耦合问题 随着随着电子技子技术、通信技、通信技术的快速的快速发展展 ,越来越多的越来越多的电子子设备被集成在一个系被集成在一个系统中中 ,同同时 ,一个一个电子系子系统可能需要几副甚至可能需要几副甚至十几副工作在不同波段的天十几副工作在不同波段的天线来接收或来接收或发射射电子信号子信号 ,例如例如一架一架飞机或一艘机或一艘军舰上会装上会装载各种各各种各样的完成不同功能的的完成不同功能的电子子

4、设备及其天及其天线 .同一系同一系统中不同天中不同天线的近的近场耦合很耦合很强 ,严重重干干扰了各收了各收发电台的正常工作台的正常工作 ,因此怎因此怎样预估及避免估及避免这种干种干扰 ,对于通信于通信设备的正常工作至关重要的正常工作至关重要 .另外另外 ,当天当天线发射功射功率很大率很大时 ,其周其周围的的电子子设备也会受到很也会受到很强的干的干扰 ,而无法正而无法正常工作常工作 ,因此天因此天线近近场的分析也是的分析也是电磁兼容的一个重要磁兼容的一个重要问题。 3高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理 T远区区场与近区与近区场的概念以及判定的概念以及判定 若已知源分布，求解若已知源分

5、布，求解电场与磁与磁场分布分布时，一般首先，一般首先根据源分布求解矢量位：根据源分布求解矢量位： 再由求出再由求出电场与磁与磁场分布：分布： 因此，因此，讨论电磁磁场的空的空间分布，只需分布，只需讨论矢量位的矢量位的分布即可。如下分布即可。如下图所示：所示：4高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理rRrPsource5高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理若若 为天天线最大尺寸，通常，最大尺寸，通常，认为远场条件条件为： 近区感近区感应场条件：条件：近区束近区束缚场条件：条件： 6高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理 分析可知，近区束分析可知，近区束缚场的主要成分是似

6、静的主要成分是似静场，在似，在似静静场中，复数坡印廷矢量是一个中，复数坡印廷矢量是一个纯虚数，天虚数，天线的有功的有功功率密度功率密度为零，因此，似静零，因此，似静场的的电磁能量是不会磁能量是不会辐射射出去的。同出去的。同样的，近区感的，近区感应场的能量也不能被的能量也不能被辐射出射出去，我去，我们将近区感将近区感应场与近区束与近区束缚场统称称为近区近区场。 在在远区区场中，复数坡印廷矢量是一个中，复数坡印廷矢量是一个实数，主要部数，主要部分所携分所携带的的电磁能量是向外磁能量是向外传播的，因此，播的，因此，远区区场的的主要部分被称主要部分被称为辐射射场。7高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线

7、的工作原理T天天线的的输入阻抗以及入阻抗以及辐射效率射效率 从天从天线的的输入端看到的阻抗被称入端看到的阻抗被称为天天线的的输入阻抗，它可以表示入阻抗，它可以表示为： 其中，其中， 为天天线结构及附件的构及附件的热损耗以及耗以及辐射射损耗所耗所带来的来的电阻，被阻，被称称为损耗耗电阻或阻或输入入电阻，阻， 为存存储在天在天线近区近区场中的无功功率所中的无功功率所带来的来的电抗，被称抗，被称为输入入电抗。抗。 从能量角度考从能量角度考虑，天，天线的平均的平均损耗功率耗功率为： 或者：或者： 8高级培训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

8、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： 9高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线的工作原理T天天线的的远场方向方向图 在距离在距离 等于常数的球面上，等于常数的球面上，场强或功率密度随方向坐或功率密度随方向坐标 的的变化曲化曲线称称为场强方向方向图或功率方向或功率方向图。记场强

9、随方向坐随方向坐标变化的化的归一化方向性函数一化方向性函数为 ，功率随方向坐，功率随方向坐标变化的函数化的函数为 ，它，它们二者之二者之间的关系：的关系： 以分以分贝为单位的位的场强方向方向图： 以分以分贝为单位的功率方向位的功率方向图： 10高级培训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 天天线在空在空间各个方向上的各个方向上的辐射不可能是均匀射不可能是均匀的。的。辐射射强度随空度随空间方向的方向的变化是由天化是由天线的的方向性增益方向性增益 来表示的。所来表示的。所谓方向方向性增益，即是性增益，即是给定方向的定方向的辐射射强度与参考天度与参考天线的

10、的辐射射强度之比。它的物理意度之比。它的物理意义即是即是“在在距离等于常数的球面上，距离等于常数的球面上，给定方向的功率密定方向的功率密度与平均功率密度之比度与平均功率密度之比”。 11高级培训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，

11、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。 12高级培训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下： 如果以分如果以分贝为单位，位，则有：有： 在后面的天在后面的天线隔离度隔离度计算与分析中，最常用算与分析中，最常用的是天的是天线远场功率增益或者方向性增益的方功率增益或者方向性增益的方向向图。 13高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 无无线电系系统间电磁干磁干扰主要主要传输途径是天途径是天线间的耦合，常用隔离的耦合，常用隔离度来定量表征度来定量表征这种耦合的种耦合的强弱程度。

12、天弱程度。天线的的载体和天体和天线间的距离的距离以及障碍物不同，分析它以及障碍物不同，分析它们耦合的方法也不同，分析耦合的方法也不同，分析过程的程的难易易程度也有很大的区程度也有很大的区别。对于自由空于自由空间分隔相距比分隔相距比较远的天的天线，天，天线间耦合的相互影响主要是通耦合的相互影响主要是通过天天线的的远区区场进行的，与天行的，与天线近近场情况的关系情况的关系较小。但当天小。但当天线间的距离比的距离比较近近时，分析它，分析它们的耦的耦合就需要考合就需要考虑天天线的具体形式、的具体形式、馈电结构、安装位置和安装壳体构、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。 14高级培训电

13、磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度T天天线隔离度与空隔离度与空间隔离度的概念与物理意隔离度的概念与物理意义 在一个系在一个系统中，中，为保保证每个天每个天线正常工作，天正常工作，天线的隔的隔离度必离度必须满足一定的要求，否足一定的要求，否则天天线间的干的干扰会会压制制住有用信号，从而使系住有用信号，从而使系统无法正常工作。一般将无法正常工作。一般将发射射天天线的的发射功率与另一天射功率与另一天线所接受功率的比所接受功率的比值定定义为天天线的隔离度。在具体的隔离度。在具体问题中，中，对于不同的情况，接于不同的情况，接收天收天线可能通可能通过不同的方式不同的方式对发射天射天线施加干施加干

14、扰。所。所谓的不同的情况，主要指的就是的不同的情况，主要指的就是远区区场与近区与近区场。 15高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 在只考在只考虑天天线间的距离和障碍物遮的距离和障碍物遮挡因素的因素的情况下可定情况下可定义空空间隔离度：隔离度： 这里，里， 是是发射天射天线产生的向接收天生的向接收天线方向方向上上传播的播的电场， 是入射是入射电场经绕射后到接射后到接收天收天线处的的电场。16高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 天天线隔离度与空隔离度与空间隔离度是两个不同的概念。其中，空隔离度是两个不同的概念。其中，空间隔离隔离度与天度与天线的具体形式无关，

15、它只描述的具体形式无关，它只描述电磁波通磁波通过两天两天线间的空的空间传播播时，由于，由于电磁波的自身磁波的自身发散以及空散以及空间媒媒质的作用而的作用而产生生的自然衰减。天的自然衰减。天线隔离度不但隔离度不但计及及这种自然衰减，而且包含了种自然衰减，而且包含了接收天接收天线与与发射天射天线对发射方向上的功率密度以及接受方向上射方向上的功率密度以及接受方向上的功率密度的影响，因此天的功率密度的影响，因此天线隔离度不但与天隔离度不但与天线间的空的空间具体具体形式及构成有关，形式及构成有关，还与天与天线的形式有关。具体地的形式有关。具体地讲，天，天线隔离隔离度是空度是空间隔离度与收隔离度与收发天天

16、线在特定方向上功率增益的和，天在特定方向上功率增益的和，天线隔离度最好地描述了天隔离度最好地描述了天线间的隔离程度。的隔离程度。 17高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 天天线隔离度与空隔离度与空间隔离度在不同的隔离度在不同的问题中有不同的地位。因中有不同的地位。因为有有时天天线的功率增益与空的功率增益与空间隔离度相比并不大，空隔离度相比并不大，空间隔离度近隔离度近似等于天似等于天线隔离度，因此，隔离度，因此，仅仅是空是空间隔离度就能隔离度就能说明天明天线间的隔离程度，从的隔离程度，从简化化计算方面考算方面考虑，这时，我，我们可以不管天可以不管天线隔离度。一般情况下，隔离度

17、。一般情况下，这种种现象出象出现在天在天线间的的电距离（真距离（真实距离与距离与发射天射天线工作波工作波长之比）之比）较大或者收大或者收发天天线都可都可认为是是很好的全向天很好的全向天线，并且其功率增益大，并且其功率增益大约为 的的场合中。如合中。如果收果收发天天线间的的电距离不距离不够大，或者收大，或者收发天天线的功率增益的功率增益值随随着方向坐着方向坐标的改的改变有很大的有很大的变化，化，这时，天，天线隔离度与空隔离度与空间隔隔离度有离度有较大差大差别，在，在这种情况下，只要知道天种情况下，只要知道天线的具体形式，的具体形式，都都应该考考虑天天线的功率增益，即的功率增益，即计算出天算出天线

18、隔离度。隔离度。18高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度T近区近区场与与远区区场的隔离度分析与的隔离度分析与计算公式算公式 前面我前面我们介介绍的天的天线的的远场条件只是条件只是对于一副天于一副天线而言的，在分析而言的，在分析天天线隔离度隔离度时，牵涉到了收涉到了收发两副天两副天线，要保，要保证两天两天线 都在都在对方的方的远场，就必，就必须满足足 远场条件：条件： 其中，其中， 是是发射天射天线的最大尺寸的最大尺寸 （等效直径），（等效直径）， 是接收天是接收天线的最的最 大尺寸（等效直径）。大尺寸（等效直径）。 19高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度

19、在在远区区场与近区与近区场，发射天射天线是通是通过不同的方式不同的方式对接收天接收天线施加影响的，因此，施加影响的，因此，虽然然这两种情况下天两种情况下天线的隔离度定的隔离度定义都是相同的，但是它都是相同的，但是它们的具体的具体计算算式是有区式是有区别的。的。 若两个天若两个天线相距比相距比较远，都，都处于另一天于另一天线的的远区区时，它它们之之间的相互影响就是靠的相互影响就是靠辐射射场联系起来的。系起来的。发射射设备与与发射天射天线相相连，接收，接收设备与接收天与接收天线相相连。 20高级培训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

20、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： 21高级培训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，距，为波波长， 与与 为两天两天线增益，增益， 为其其归一化方向性函数。一化方向性函数。 是是发射天射天线坐坐标系中接收点指向

21、角，系中接收点指向角， 是接是接收天收天线坐坐标系中系中发射点的指向角。射点的指向角。 早期早期电磁兼容磁兼容预测采用采用这一算法，但一算法，但实际上上远场条条件件场不不满足，足，计算得到的隔离度就有算得到的隔离度就有较大的大的误差，差，为此需要此需要寻求更加精确的方法。求更加精确的方法。22高级培训电磁兼容中的天线耦合问题天线隔离度与空间隔离度 如果接收天如果接收天线不在不在发射天射天线的的远区中，或者区中，或者发射天射天线不在接收天不在接收天线的的远区中区中时，两天，两天线之之间的相互干的相互干扰主要不是通主要不是通过辐射射场进行行的，而是近区束的，而是近区束缚场或者近区感或者近区感应场。

22、这种情况种情况经常出常出现在在计算算线天天线阵中天中天线间隔离度的隔离度的问题中。我中。我们知道，天知道，天线功率增益的功率增益的概念是在概念是在远场建立的，因此上建立的，因此上页中的中的计算式是不能用于近算式是不能用于近场天天线隔离度分析的。即使把功率增益的概念延拓到近区隔离度分析的。即使把功率增益的概念延拓到近区场，也仍然是，也仍然是描述描述辐射射场功率增益的，而功率增益的，而这时天天线间干干扰的主要因素并不是的主要因素并不是辐射射场，因此，由上式算得的天，因此，由上式算得的天线隔离度将隔离度将远小于近区小于近区场中天中天线间的真的真实隔离度。隔离度。 23高级培训电磁兼容中的天线耦合问题

23、天线隔离度与空间隔离度 重新考重新考虑天天线隔离度的定隔离度的定义。天。天线隔离度是指隔离度是指发射射天天线发射的功率与接收天射的功率与接收天线接收到的功率之比，当接收到的功率之比，当两天两天线都在都在对方方远场时，所，所谓的的发射功率指的射功率指的实际是天是天线的的辐射功率，以射功率，以为只有只有辐射射场才能影响接收才能影响接收天天线。而当两天。而当两天线在在对方的近区方的近区场时，由于接收天，由于接收天线受到的不受到的不仅仅是近区是近区场中微不足道的中微不足道的辐射射场的影的影响，更多的是受到束响，更多的是受到束缚场或者感或者感应场的影响，因此的影响，因此这时发射天射天线的的发射功率指的射

24、功率指的应该是天是天线的的输出功出功率。率。 24高级培训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： 25高级培训电磁兼

25、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：26高级培训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

26、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。 27高级培训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

27、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。 28高级培训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 时所得的所得的 称称为基波，把基波，把 时所得到的各所得到的各项分量一次成分量一次成为二次二次谐波分量、三次波分量、三次谐波分量波分量 次次谐波分量。在波分量。在天天线工作的工作的时候，往往都存在一个候，往往都存在一

28、个频带，在，在这个个频带内的每一个内的每一个频点上，天点上，天线作作为末端末端负载的的电压驻波比都小于某一波比都小于某一给定定值，这一一阈值一般取一般取2或者或者1.5。这个个频带叫作天叫作天线的工作的工作频带。在工作。在工作频带内每一内每一个个频率的率的电磁波都磁波都认为能能够被天被天线发射出去，因此，射出去，因此，发射天射天线所所发射射电磁波的磁波的频率可以是率可以是频带内的每一内的每一个个频率。率。 29高级培训电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 发射天射天线在工作在工作频带内的每一个内的每一个频率包括中心率包括中心频率率被被认为是是发射射电磁波的基波，其二次磁波的基波，其二次谐

29、波、三次波、三次谐波分波分别是基波是基波频率的率的2倍与倍与3倍，只不倍，只不过谐波的能量波的能量远比基波的能量小。由以上分析可知，两个天比基波的能量小。由以上分析可知，两个天线的的工作工作频带即使不同，但是只要其中一个天即使不同，但是只要其中一个天线的二次的二次谐波或三次波或三次谐波等能波等能够落入另一个天落入另一个天线的工作的工作频带内，内，这两副天两副天线间就存在有干就存在有干扰。 30高级培训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

30、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

31、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度。间的隔离度。 31高级培训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： 32高级培训电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰33高级培训电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 以上两个表分以上两个表分别给出了

32、出了HF天天线2的二次和三的二次和三次次谐波点上波点上HF天天线2和和VHF天天线1之之间的耦合的耦合度，由表可度，由表可见，HF天天线2二次二次谐波波对VHF天天线1在在6 0MHz以下形成干以下形成干扰，HF天天线2的三的三次次谐波波对VHF天天线1全波段干全波段干扰，耦合度最高，耦合度最高达达-14.7dB，最低也有，最低也有-32.3dB，可，可见二者之二者之间的耦合是相当的耦合是相当强的。的。 34高级培训电磁兼容中的天线耦合问题电磁信号的谐波干扰 当两天当两天线同同时工作工作时，假，假设HF天天线2为大功率大功率发射天射天线，而而VHF天天线1为接收天接收天线，当，当VHF天天线1

33、工作工作频点点刚好落好落在在HF天天线2谐波点附近波点附近时必将必将产生相当大的干生相当大的干扰，严重重影响影响VHF天天线1的接收性能，因此必的接收性能，因此必须对此此问题加以解加以解决。决。实际中首先要提高中首先要提高HF天天线2的的发射机抑制射机抑制谐波的能波的能力，使其力，使其谐波波发射射电平尽量小，另外也可以平尽量小，另外也可以对两天两天线的的工作工作频率等率等进行合理安排，以避免干行合理安排，以避免干扰。 35高级培训电磁兼容中的天线耦合问题机载天线的布局 随着当代科学技随着当代科学技术的不断的不断进步，机体、步，机体、舰体、体、车体表面天体表面天线的数量的数量越来越多，必越来越多

34、，必须有一个合理的天有一个合理的天线布局，才能使每个天布局，才能使每个天线都正常的都正常的工作。在工程工作。在工程设计中，一般都是按照天中，一般都是按照天线布局原布局原则先做初步的布置，先做初步的布置，然后然后对这一布局一布局进行行电磁兼容分析，算出天磁兼容分析，算出天线间的隔离度，如果符的隔离度，如果符合合标准，就采用准，就采用这一布局，如果不符合一布局，如果不符合标准，准，则需要根据具体天需要根据具体天线隔离度数据隔离度数据调整部分天整部分天线的位置，然后再的位置，然后再计算新布局的天算新布局的天线隔离度。隔离度。这样经过反复反复计算与算与调整之后，逐整之后，逐渐使天使天线布局布局趋于合理

35、。下面以于合理。下面以机机载天天线为例，介例，介绍天天线的布局原的布局原则与一般考与一般考虑。 36高级培训电磁兼容中的天线耦合问题机载天线的布局T天天线布置原布置原则 (1) 预警机警机电子系子系统中各分系中各分系统的天的天线布置要考布置要考虑应充分充分发挥各分系各分系统的的战技性能，完成各自所担技性能，完成各自所担负的任的任务。 (2) 分系分系统天天线间辐射干射干扰影响尽量小即尽量减少影响尽量小即尽量减少辐射耦射耦合。合。 (3) 要充分利用要充分利用载体的遮档体的遮档 ; (4)实际天天线布局布局设计是一个是一个综合性的反复合性的反复调整整过程。程。 37高级培训电磁兼容中的天线耦合问

36、题机载天线的布局T天天线布置初步考布置初步考虑 (1 )探探测雷达天雷达天线布置布置 考考虑飞机气机气动力学影响力学影响 ,参照以色列参照以色列预警机警机 ,采用共形相控采用共形相控阵天天线型式型式 ,天天线置于机身两置于机身两侧和前后。和前后。 (2 ) GPS天天线布置布置 GPS接收天接收天线 ,它接收它接收卫星信号星信号 ,因此它要安装在机身上方因此它要安装在机身上方 ,且尽且尽量量远离探离探测雷达。雷达。 (3 ) ESM天天线布置布置 无源探无源探测 (以以 ESM为例例 )频带宽 ,接收灵敏度高接收灵敏度高 ,因此因此 ESM天天线要要远离那些落于其工作离那些落于其工作频带的的发

37、射源射源 ,考考虑 ESM天天线安装于机身安装于机身前后位置。前后位置。 38高级培训电磁兼容中的天线耦合问题机载天线的布局 (4) JTIDS天天线布置布置 对 JTIDS天天线布置考布置考虑空空对空空 ,空空对地通信地通信 ,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)通信天通信天线尤其是尤其是 V/ UHF天天线数量多数量多 ,频段段宽 ,要要考考虑减少相互影响减少相互影响 ,合理布局。合理布局。 在初步确定了天在初步确定了天线在在载体上的布局后体上的布局后 ,就可就可进行机行机载天天线耦合干耦合干扰及天及天线方向方向图的的计算机算机预测与分析与分析 ,通通过不断的不断的

38、调整天整天线的位置的位置 ,找到最佳的天找到最佳的天线布局。布局。39高级培训高频段天线隔离度的计算 T引言引言 关于天关于天线隔离度的隔离度的计算方法有很多种，每一种都有算方法有很多种，每一种都有某方面的某方面的优点，也有适用的范点，也有适用的范围。对于工程分析来于工程分析来说，当然是要求算法尽量，当然是要求算法尽量简便快捷，并且有便快捷，并且有较高的高的精确度。如果是精确度。如果是这样，同一种方法肯定不能同，同一种方法肯定不能同时满足以上的两点要求，我足以上的两点要求，我们一般采用将高一般采用将高频与低与低频分分开来开来处理的理的办法，高法，高频部分运用已部分运用已经很成熟的几何很成熟的几

39、何绕射理射理论，低，低频部分运用部分运用Ansoft公司公司优秀的秀的HFSS软件分析的方法。件分析的方法。40高级培训高频段天线隔离度的计算 在高在高频部分，如果以部分，如果以Ansoft公司的公司的软件件HFSS为工具工具计算天算天线间的的隔离度，不隔离度，不仅仅能能够绕过繁繁杂的的计算与冗算与冗长的算法，的算法，还能得到一个能得到一个比比较精确的解。但是由于精确的解。但是由于电磁兼容分析的磁兼容分析的对象一般都是一个象一般都是一个庞大的大的系系统，在高，在高频部分有着很大的部分有着很大的电尺寸，而尺寸，而HFSS正是以有限元法正是以有限元法为基基础的的软件，件，这样的系的系统对于于HFS

40、S来来说意味着很大的意味着很大的计算量。因此，算量。因此，在高在高频部分，由于部分，由于计算机算机资源的限制，利用源的限制，利用HFSS来解决来解决问题往往是往往是行不通的。不行不通的。不过有一种例外的情况，那就是如果有一有一种例外的情况，那就是如果有一对待分析的天待分析的天线相距很近，那么相距很近，那么计算算这二者之二者之间的隔离度的隔离度时，就可以适当地，就可以适当地选取取系系统中的一部分作中的一部分作为模型，忽略离天模型，忽略离天线较远的系的系统结构的影响。但构的影响。但是是这样仍然不能得到整个系仍然不能得到整个系统的的电磁兼容分析磁兼容分析结果。果。 41高级培训高频段天线隔离度的计算

41、 为了克服了克服这一困一困难，我，我们利用几何利用几何绕射理射理论来解决来解决这一一问题。选择几何几何绕射理射理论主要有以下四点考主要有以下四点考虑，第一，用几何第一，用几何绕射理射理论计算天算天线隔离度比隔离度比较易于易于实现。第二，几何。第二，几何绕射理射理论主要适用于高主要适用于高频范范围。第。第三，运用几何三，运用几何绕射理射理论计算出的隔离度算出的隔离度结果有果有较高高的准确度。第四，运用几何的准确度。第四，运用几何绕射理射理论开开发的算法易的算法易于用于用软件件实现，用，用软件件实现之后，就具有一定的通之后，就具有一定的通用性，用性，给使用、使用、维护、二次开、二次开发等等都等等都

42、带来了方便。来了方便。 42高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 T直射射直射射线与直射与直射场 直射射直射射线就是从原点就是从原点S到到场点点F的未受阻的未受阻挡的射的射线。在我。在我们所所讨论的情况下直射射的情况下直射射线就是就是连接接S和和F的直的直线段，因此只存在段，因此只存在一根直接射一根直接射线。但是如果有一个。但是如果有一个绕射物体，射物体，则在物体在物体挡住住场源源的空的空间中就存在一个阴影区。中就存在一个阴影区。这时在源点在源点S和阴影区中的和阴影区中的场点点F之之间就不存在直接射就不存在直接射线。阴影区是由一。阴影区是由一锥体界定的，此体界定的，此锥体体是由

43、是由S点和从点和从S看去看去时物体外物体外边界的界的闭合曲合曲线所构成的。当物所构成的。当物体是一多面体体是一多面体时，其，其边界是一角界是一角锥面，阴影区是一角面，阴影区是一角锥。 43高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 尽管可能有尽管可能有绕射物体存在，直射射物体存在，直射场通常仍按通常仍按从源从源发出的自由空出的自由空间场计算。算。显然此然此时在天在天线和物体之和物体之间将将产生相互作用，生相互作用，结果改果改变了了当天当天线位于自由空位于自由空间时的的电流分布。不流分布。不过，当物体位于天当物体位于天线的的远场区区时相互作用是很弱相互作用是很弱的，因此在大多数工程的，

44、因此在大多数工程应用中可忽略不用中可忽略不计。 44高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 当当场源是点源源是点源时，直射，直射场可以可以简单地求出。所地求出。所谓点源是指具有确定的相位中心的天点源是指具有确定的相位中心的天线，到，到场点的路程点的路程长度可以以相位中心度可以以相位中心为参考点。当天参考点。当天线比波比波长大得多大得多时，就不存在，就不存在这样一个相位中一个相位中心，此心，此时就必就必须把天把天线分割成多个点源，然后分割成多个点源，然后对每个点源每个点源进行射行射线追踪，并把与追踪，并把与这些点源相些点源相对应的的场迭加起来以求得迭加起来以求得总场。 45高级培训

45、高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 近近场点的直射点的直射场的的计算是算是简单的，的，对于于远场计算，其算，其远场方向方向图可以表示可以表示为： 其中其中 是到是到场点的射点的射线（或其延（或其延长线）和相位参考面的交点。）和相位参考面的交点。 46高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算T反射射反射射线与反射与反射场 一次反射射一次反射射线是从是从S经过物体表面上一个反射点物体表面上一个反射点R而到而到达达F的。的。费马原理原理认为，反射点可根据使此距离取，反射点可根据使此距离取驻点点值的要求确定的要求确定 。值得注意的事得注意的事实是，除非反射面是一是，除非反射面是一

46、平面，否平面，否则反射点的位置不能用解析方法解出。源点位反射点的位置不能用解析方法解出。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。由于有于有这些困些困难，反射点常常是用数，反射点常常是用数值搜索方法确定的。搜索方法确定的。 47高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 在在实际应用中所遇到的物体大部分不是凸的用中所遇到的物体大部分不是凸的而是凹的，而是凹的，这就使射就使射线追踪的追踪的问题复复杂化了。化了。其主要原因是可能其主要原因是可能发生多次反射。此生多次反射。此时射射线路程仍可用路程仍可用费马原理确定。当原理确定。当问

47、题中含有平中含有平面反射器面反射器时（在（在实际应用中常常是用中常常是这种情况）种情况），就可以，就可以进行行简化。化。 48高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 反射反射场和直射和直射场一起构成了一起构成了场点的几何光学点的几何光学场。如下。如下图所示，所示， 是入射光是入射光线， 是反射是反射光光线，把距离，把距离 记为 ，距离，距离 记为 ，反射，反射过程可以用下式表示：程可以用下式表示： 49高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算50高级培训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 的矩的矩阵， 分分别是

48、是 点的入射点的入射场和反射和反射场。于是上述。于是上述方程把反射点的入射方程把反射点的入射场和反射和反射场联系起来。系起来。要使反射系数要使反射系数 有一个有一个简单的形式，我的形式，我们需要建立合适的坐需要建立合适的坐标系。系。为此，我此，我们引入如引入如下下图所示的射所示的射线基坐基坐标系系 。 51高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算52高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 选定这一特定坐标系之后，选定这一特定坐标系之后， 可以表示为：可以表示为： 于是：于是： 上式说明，沿射线基坐标系的上式说明，沿射线基坐标系的 和和 轴方向的两个场轴方向的两个场分量

49、是彼此独立地反射的。如果要将分量是彼此独立地反射的。如果要将R点的反射场和场点的反射场和场点点F地反射场联系起来，就必须加入空间衰减，则有下地反射场联系起来，就必须加入空间衰减，则有下式：式： 53高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 扩散因子扩散因子 描述空间衰减，而相位因子描述空间衰减，而相位因子 则描述反射场沿射线从则描述反射场沿射线从R到到F的相位变化。扩散因子与的相位变化。扩散因子与R附近的附近的反射面的几何形状以及入射场的性质有关。如果假设入射场是反射面的几何形状以及入射场的性质有关。如果假设入射场是球面波，则扩散因子可给定为：球面波，则扩散因子可给定为： 其中和是

50、反射波阵面在反射点的两个主曲率半径。如果令其中和是反射波阵面在反射点的两个主曲率半径。如果令 和和 是反射面在反射点的两个曲率半径，并令是反射面在反射点的两个曲率半径，并令 和和 是两是两个相应的主方向，再令个相应的主方向，再令 为为 和和 之间的夹角，之间的夹角， 为为 和和 之间的夹角。之间的夹角。 54高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 则反射波阵面的两个主曲率半径给定为：则反射波阵面的两个主曲率半径给定为： 其中其中 ， 是入射角。是入射角。只要确定了反射射线的行程，则应用上述公式就可只要确定了反射射线的行程，则应用上述公式就可以容易地求出反射场。连续应用这一公式可以

51、求出以容易地求出反射场。连续应用这一公式可以求出多次反射射线最终的场。多次反射射线最终的场。 55高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算T尖尖顶绕射射 尖尖顶绕射射射射线就是从源点就是从源点经过一个尖一个尖顶到达到达场点的射点的射线。尖。尖顶可能是可能是锥体的体的顶点，也可能是点，也可能是平面平面转角的角的顶点。因点。因为绕射点固定在尖射点固定在尖顶上，上，所以尖所以尖顶绕射射射射线就是由入射就是由入射线和和绕射射线两个两个直直线段段组成的。只要尖成的。只要尖顶没有被没有被绕射物体的一射物体的一部分所遮部分所遮挡，则尖尖顶绕射射射射线总是存在的。是存在的。 56高级培训高频段天线

52、隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 导出尖出尖顶绕射射场的的渐进表示式是一件非常困表示式是一件非常困难的工作。的工作。虽然常常然常常认为尖尖顶绕射射场是可以是可以忽略的，但事忽略的，但事实上在某些区域内尖上在某些区域内尖顶绕射射场的幅度等于直射的幅度等于直射场的幅度。不的幅度。不过这些些过渡区渡区通常是很窄的，而在通常是很窄的，而在这些区域外尖些区域外尖顶绕射射场常常是可以忽略的。常常是可以忽略的。 57高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算T边缘绕射边缘绕射 58高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 边缘绕射射射射线是从源点是从源点S经过边缘上某一上某一绕射点而

53、到射点而到达达场点点F的。的。边缘可能是一条直可能是一条直边、一条平面曲、一条平面曲边或或一条非平面曲一条非平面曲边。最重要的两种。最重要的两种边缘是直是直边和和圆边。下面首先介下面首先介绍边缘绕射中很重要的概念射中很重要的概念凯勒勒圆锥。 设某一某一边缘由此参数方程决定：由此参数方程决定： 59高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 其中其中 是一参量。于是从是一参量。于是从 经过曲曲线上任上任意一点意一点 到到 的距离是：的距离是： 根据根据费马原理原理经推推导可得：可得： 60高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 这一一结果意味着切果意味着切线矢量矢量 和矢

54、量和矢量 以及以及 之之间的的夹角是相等的。其次，此方程角是相等的。其次，此方程还意味着，由意味着，由 和和S确定的入射平面以及由确定的入射平面以及由 和和F确定的确定的绕射平面不射平面不必一定是同一平面。必一定是同一平面。这里已里已经确定了通确定了通过F点的点的绕射射射射线，但是，但是，显然在以然在以D为顶点，以点，以D点切点切线为轴，顶角角 的的圆锥上的所有上的所有场点都点都满足上式，足上式，这一一圆锥就被称作就被称作为凯勒勒圆锥。绕射射射射线是从是从绕射点射点出出发，并沿，并沿凯勒勒圆锥向所有方向射出的。向所有方向射出的。 61高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 用解析

55、的方法求解用解析的方法求解绕射点是很困射点是很困难的，最重的，最重要的特例是直要的特例是直边和和圆柱端面上的柱端面上的圆边。由于。由于在工程在工程问题中中经常会遇到常会遇到这样的情形，因此，的情形，因此，在在这里里对两种情况都加以介两种情况都加以介绍。 62高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算63高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 对于直于直边，可以用展开法直接求得其，可以用展开法直接求得其绕射点。如上射点。如上图所示，源点与所示，源点与场点是用柱面坐点是用柱面坐标系系 给出的，右出的，右图是其平面展开是其平面展开图。在展开。在展开图两个两个 角角是相等的，所

56、以在展开是相等的，所以在展开图中中绕射射射射线变成一条直成一条直线。这样就立即求得就立即求得绕射点的坐射点的坐标表示式：表示式：64高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 对于于圆柱端面上的柱端面上的圆边，求，求D点位置的方程点位置的方程是一件很复是一件很复杂的工作，一般不可能求出精确的工作，一般不可能求出精确解。已解。已经有人有人证明，明，D点的位置只有点的位置只有1、2、3或或4个独立的解。在工程个独立的解。在工程问题中，我中，我们建建议用用逐点逐点扫描的方法解决，即找出光程的极描的方法解决，即找出光程的极值所所对应的的D点的位置。点的位置。 65高级培训高频段天线隔离度的计

57、算射线追踪与电磁场的计算 下面我下面我们介介绍边缘绕射射场。边缘可以是曲可以是曲边，但我但我们讨论曲曲边的特例，即由两个平面构成的特例，即由两个平面构成的直劈的的直劈的边缘。这在工程中是最在工程中是最为常用的一常用的一种模型。通常在我种模型。通常在我们碰到的碰到的边缘都是曲都是曲边，但是在一定范但是在一定范围之内我之内我们可以把曲可以把曲边当成直当成直边处理，理，这样引起的引起的误差一般都不大。差一般都不大。 66高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 下图所示是一个内顶角为下图所示是一个内顶角为 的直劈，采用了直角坐标系并使的直劈，采用了直角坐标系并使 轴与劈边重轴与劈边重合。

58、合。 轴位于劈的一个面上，而轴位于劈的一个面上，而 轴是此面的外向法线。然后用圆柱轴是此面的外向法线。然后用圆柱坐标坐标 和和 分别表示源点分别表示源点S和场点和场点F的位置。的位置。 67高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 假假设有一条有一条边缘绕射射射射线从从S经过边缘上的上的绕射点射点D 到达到达F。距离。距离 用用 表示，距离表示，距离 用用 表示，表示，而从而从z轴正向到直正向到直线DS和和DF的角分的角分别称称为 和和 。 在在D点的点的绕射射过程可用下列方程表示：程可用下列方程表示： 其中，其中， 是入射是入射场， 是是绕射系数，而射系数，而 是是激励因子。激励

59、因子。 68高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 把把绕射点的入射射点的入射场和激励因子和激励因子联系起来的系起来的绕射系数射系数一般是一个一般是一个 的矩的矩阵。如果把。如果把D点的激励因子点的激励因子和和场点点F的的绕射射场联系起来，系起来，绕射射场可表示可表示为： 其中其中 是描述空是描述空间衰减的衰减的扩散因子，而相位散因子，而相位因子因子 则描描 述述绕射射场沿射沿射线从从D到到F的相位的相位变化。化。直劈的直劈的扩散因子散因子为： 69高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 其中其中 是在入射平面内所取的入射波是在入射平面内所取的入射波阵面的曲率半面的

60、曲率半径，如果入射波是球面波，径，如果入射波是球面波，则 ；而当入；而当入射波是其它波形射波是其它波形时， 可用如下公式可用如下公式计算：算： 这里里 和和 是入射波是入射波阵面的两个主曲率半径，面的两个主曲率半径， 是是D 点的与点的与 对应的入射波的入射波阵面的切面的切线矢量和在矢量和在入射面内入射面内D点的入射波点的入射波阵面的切面的切线矢量之矢量之间的的夹角。角。70高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 如果引入射如果引入射线基坐基坐标系，系，则可以将可以将绕射系数射系数写成写成简单的形式。在的形式。在这里，坐里，坐标系系 与的定与的定义是：是： ， 。具体的形式如上具

61、体的形式如上图（展开（展开图和射和射线基坐基坐标系）系）所示。可以看出，所示。可以看出，选定定这样的特定坐的特定坐标系就系就使两个坐使两个坐标系中的系中的对应坐坐标轴在展开在展开图中取中取向相同。在射向相同。在射线基坐基坐标系中：系中：71高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 其中其中 和和 是标量绕射系数。因此我们求得：是标量绕射系数。因此我们求得： 于是得到这样的结论：沿射线基坐标系的于是得到这样的结论：沿射线基坐标系的 和和 轴轴两个场分量是彼此独立地绕射的。两个场分量是彼此独立地绕射的。 和和 由下式由下式给定：给定： 其中其中 与与 由下式给定：由下式给定： 72高级

62、培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 这两个系数称两个系数称为直劈的直劈的凯勒勒绕射系数，函数射系数，函数 的的计算式算式如下：如下： 其中其中 。在阴影。在阴影边界上和反射界上和反射边界上，四个界上，四个 函数中至少有一个函数中至少有一个发散，但是在散，但是在这里，里，这一一问题已被已被 函数函数所消除。因所消除。因为当有一个当有一个 函数函数发散散时，相，相应的的 函数函数趋于于零，从而消除了奇异性。零，从而消除了奇异性。 函数函数给定定为下式：下式： 73高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 其中其中 是是实数，数， 函数的宗量是函数的宗量是 和和 两个量的乘

63、两个量的乘积，即，即 。 函数的定函数的定义是：是： 其中，是其中，是满足下列方程的最小整数：足下列方程的最小整数： 称称为大参量，是波数，是与大参量，是波数，是与边缘照射形式有关的量，它的照射形式有关的量，它的计算式算式如下：如下：74高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算T表面表面绕射射 表面表面绕射射射射线是沿曲面行是沿曲面行进的。因此的。因此这一一类射射线和以前和以前讨论过的的不同，它不同，它们总是曲是曲线。可以。可以证明，在曲面上适当限定的区域内，明，在曲面上适当限定的区域内，两点之两点之间只有一条曲只有一条曲线能使能使这两点两点间的程的程长为最小，最小，这条特定的条特

64、定的曲曲线称称为短程短程线。因此，在曲面上两点。因此，在曲面上两点A和和B之之间的行程就是的行程就是连接接A和和B的短程的短程线。但在。但在实际应用中，用中，问题通常不是要求出两已通常不是要求出两已知点知点A和和B之之间的射的射线轨迹，而是要求出从源点迹，而是要求出从源点S经过物体表面到物体表面到达达场点点F的整条射的整条射线的的轨迹。迹。 75高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 如下图所示，射线如下图所示，射线SA是在是在A点和表面相切的，而点和表面相切的，而BF则是在则是在B点和表面相切的，曲线是曲面上之间的短程线。点和表面相切的，曲线是曲面上之间的短程线。 76高级培训

65、高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 因因为A点和点和B点的位置没有点的位置没有预先先给出，所以表面射出，所以表面射线的追踪一般是一个复的追踪一般是一个复杂的的问题，它通常是用，它通常是用张量量分析来求解的，当然，此分析来求解的，当然，此问题可以用数可以用数值计算方法算方法求解。不求解。不过，由于此，由于此问题有多个自由参量，数有多个自由参量，数值计算也可能是一个很算也可能是一个很费时的任的任务，不，不过在在实际应用中用中在在许多情况下所遇到的曲面是相当多情况下所遇到的曲面是相当简单的，因此此的，因此此问题就可以比就可以比较有效的求解。有效的求解。 77高级培训高频段天线隔离度的计算射

66、线追踪与电磁场的计算 可展开的曲面可展开的曲面,即不需要拉伸即可即不需要拉伸即可摊开在一个平面上开在一个平面上的曲面，当曲面展开后，曲面上的短程的曲面，当曲面展开后，曲面上的短程线就就变为一一条直条直线。于是两端点之。于是两端点之间的短程的短程线就可以就可以简易地求易地求得。在各种不可展开的曲面中，球面是独特的，因得。在各种不可展开的曲面中，球面是独特的，因为球面上的短程球面上的短程线可以用可以用显式求得，它式求得，它们就是大就是大圆的一部分。于是球面的表面射的一部分。于是球面的表面射线就是通就是通过球心的平球心的平面上面上连接从接从 到球面的两条切到球面的两条切线的的这一大一大圆的一部分。的

67、一部分。 78高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 下面介绍在一光滑凸曲面上下面介绍在一光滑凸曲面上绕射的射线。如下图所示的绕射的射线。如下图所示的绕射物体，绕射物体，S和和F分别是源点分别是源点和场点，源点和场点之间的和场点，源点和场点之间的短程线分别在短程线分别在 点和点点和点 与物体表面相切。与物体表面相切。 79高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 距离距离 称称为 ，沿表面的距离，沿表面的距离 称称为 ，而距离，而距离 称称为 。这里也引里也引入射入射线基坐基坐标系。在点系。在点 和点和点 之之间射射线的每一个点上都有一个与表面垂直的法的每一个点上都有

68、一个与表面垂直的法线矢矢量量 和一个与射和一个与射线相切的矢量相切的矢量 。定。定义矢矢量量 为： 80高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 在在这一坐一坐标系中，系中，场只有沿只有沿 和和 的分量。的分量。设入射入射场在在 激励起一个表面激励起一个表面场，此，此场沿沿绕射物体的表面射物体的表面传播，并向切播，并向切线方向方向连续放出能量。于是沿通放出能量。于是沿通过 和和 的切向射的切向射线传播播的的场就构成了就构成了 点的点的绕射射场。因。因为已已设绕射表面是理想射表面是理想导体，所以表面上的体，所以表面上的 场的切向分量始的切向分量始终等于零。另一方面，等于零。另一方面，

69、事事实上在上在 点已点已观察到有一个沿察到有一个沿 的的场分量，所以可以假分量，所以可以假设表面表面场是在表面上方一个有限的小距离是在表面上方一个有限的小距离处行行进，从而使，从而使 场的切向分量的切向分量为零，同零，同时仍可以算出切向仍可以算出切向 。 81高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 表表面面场可可以以在在据据以以导出出绕射射射射线的的激激励励函函数数的的基基础上上算算出出。虽然然激激励励函函数数不不是是一一个个可可实际观察察到到的的量量，也也不不具具有有电场或或磁磁场的的量量纲，但但仍仍常常常常把把它它称称为表表面面绕射射场。激激励励函函数数是是由由无无穷多多个个

70、彼彼此此独独立立的的传播播的的模模式式组成成的的。先先讨论第第 个模式个模式 。此模可。此模可设为： 82高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 在此模沿表面传播过程在此模沿表面传播过程中，它将把能量转交给中，它将把能量转交给绕射射线；其次，此模绕射射线；其次，此模的幅度将因沿表面扩散的幅度将因沿表面扩散而衰减。为了计算衰减而衰减。为了计算衰减量，我们来研究表面射量，我们来研究表面射线沿表面扩散的情况。线沿表面扩散的情况。如右图所示：如右图所示： 83高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 令令 为沿射沿射线的距离，的距离， 为 的任一分的任一分量的幅度，量的幅度，

71、 为射射线管的管的线截面。假截面。假设从从 到到 这段射段射线管内的管内的总能量成正比的，能量成正比的，则可可得：得： 其中的比例系数其中的比例系数为 。上式。上式积分后得：分后得： 其中其中 已假已假设为常量。常量。 是任意参考是任意参考点。点。 84高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 在一般情况下，在一般情况下， 是射是射线曲率的函数，此曲率的函数，此时指数的指数的辐角角是沿射是沿射线从从 到到 的的积分。上式的根号分。上式的根号项可以解可以解释为扩散因子，散因子， 则可解可解释为衰减常数。于是上式中的每个衰减常数。于是上式中的每个分量都可以写成下列形式：分量都可以写成下

72、列形式： 其中，其中， 是在是在 处幅度的相位。需要指出：激励函幅度的相位。需要指出：激励函数数 的两个分量的衰减常数的两个分量的衰减常数 和和 一般是互不相等的。一般是互不相等的。 85高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 因此因此总激励函数可写激励函数可写为： 其中其中 和和 由上由上页公式公式给定。如果在定。如果在 点将点将激励函数和入射激励函数和入射场 联系起来。其中系起来。其中 是用射是用射线基坐基坐标系表示的。在系表示的。在 点有：点有： 这里里 是是 次模的次模的绕射系数，它可以写射系数，它可以写为： 86高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 其中

73、其中 和和 是是标量量绕射系数。射系数。现在在在在 点的激励函数模的点的激励函数模的值 可用前面的公可用前面的公式求得，于是点的式求得，于是点的总激励函数可以写激励函数可以写为： 最后把最后把 和和 点的点的绕射射场联系起来。系起来。绕射射场有一条焦有一条焦线在在 ，另一条焦，另一条焦线在距在距 点点处。绕射射场要多乘一个激励因子。要多乘一个激励因子。 87高级培训高频段天线隔离度的计算射线追踪与电磁场的计算 激励因子激励因子 和激励函数是和激励函数是线性相关的，即：性相关的，即： 其中其中 是是绕射系数。根据互易原理可以射系数。根据互易原理可以证明明这一一绕射系数具有和射系数具有和 一一样的

74、函数关的函数关系式。因此，可以求得点的系式。因此，可以求得点的绕射射场为： 其中，其中， 是是 的距离。的距离。 88高级培训高频段天线隔离度的计算算法实例 在天在天线隔离度的工程隔离度的工程计算中，碰到的最多的算中，碰到的最多的是是计算曲面算曲面绕射。因此，作射。因此，作为例子，在例子，在这里里将将围绕圆锥、圆柱柱这两种最常两种最常见的曲面展开的曲面展开讨论，并最，并最终给出出这两种曲面上任意两点两种曲面上任意两点间短程短程线长度的解析度的解析结果，并果，并给出出圆柱表面隔柱表面隔离度离度计算公式。算公式。89高级培训高频段天线隔离度的计算算法实例T圆锥圆锥 如图：如图：90高级培训高频段天

75、线隔离度的计算算法实例91高级培训高频段天线隔离度的计算算法实例 按照以上按照以上顺序求得各个序求得各个值，最后即可得到短，最后即可得到短程程线的的长度，此短程度，此短程线线段即是段即是电磁波在磁波在导体表面爬行体表面爬行过的的轨迹。迹。92高级培训高频段天线隔离度的计算算法实例T圆柱圆柱 如图：如图：93高级培训高频段天线隔离度的计算算法实例94高级培训高频段天线隔离度的计算算法实例 按照以上按照以上顺序求得各个序求得各个值，最后即可得到短，最后即可得到短程程线的的长度，此短程度，此短程线线段即是段即是电磁波在磁波在导体表面爬行体表面爬行过的的轨迹。迹。95高级培训高频段天线隔离度的计算算法

76、实例T天天线隔离度的隔离度的计算公式算公式 天天线隔离度（隔离度（dB）=接收天接收天线方向上方向上发射天射天线增益增益+发射天射天线方向上接收天方向上接收天线增益增益+发射射机增益机增益+天天线匹配和匹配和电缆的的传输损耗耗+机身表机身表面两点面两点间的的绕射射损耗，即耗，即 96高级培训高频段天线隔离度的计算算法实例T圆柱表面爬行波的柱表面爬行波的绕射因子射因子 由于由于电磁波在磁波在圆柱表面柱表面绕射射时，能量是不断，能量是不断发散的，因此要考散的，因此要考虑绕射因子，即上射因子，即上页公式公式中的中的SFc:97高级培训高频段天线隔离度的计算算法实例 其中，其中， 是是圆柱的半径，柱的

77、半径， 是是绕射路径所射路径所转过的的圆心角角度。心角角度。 是是绕射路径的射路径的长度。度。 是是电磁波的波磁波的波长。98高级培训高频段天线隔离度的计算收发天线的接收角度与发射角度 在在计算天算天线隔离度的隔离度的时候，需要将空候，需要将空间隔离度加上隔离度加上发射天射天线和接收天和接收天线分分别在接受方向上和在接受方向上和发射方向射方向上的增益（上的增益（dB）。因此，需要）。因此，需要计算天算天线的的发射方向射方向和接收方向。无和接收方向。无论是在高是在高频段段还是低是低频段，要想段，要想计算出精确的算出精确的发射方向和接收方向是很困射方向和接收方向是很困难的，因此的，因此在工程上，一

78、般情况下都在工程上，一般情况下都认为短程短程线在在发射天射天线和和接收天接收天线处的切的切线方向是方向是发射天射天线的的发射方向和接射方向和接收天收天线的接收方向。的接收方向。99高级培训高频段天线隔离度的计算收发天线的接收角度与发射角度 根据根据发射方向和接收方向，我射方向和接收方向，我们就可以得到就可以得到发射天射天线增益和接收天增益和接收天线在指定方向上的增益。在在指定方向上的增益。在这之前，之前，我我们还需要需要计算出天算出天线方向方向图。如果两个天。如果两个天线都都处在在对方的方的远场区域，可以区域，可以认为两副天两副天线互相没有影互相没有影响，因此可以使用响，因此可以使用软件仿真的

79、方法截取件仿真的方法截取发射天射天线或或者接收天者接收天线周周围的部分区域的部分区域进行行计算。算。这样就可以就可以大量的大量的节省省时间，同，同时也保也保证了精度。另一方面，了精度。另一方面，如果两个天如果两个天线距离距离较近，近，则二者之二者之间的影响不可忽的影响不可忽略，略，这时用用软件仿真的方法件仿真的方法计算方向算方向图时，必，必须将将二者都同二者都同时计算。算。100高级培训低频段天线隔离度的计算T引言引言 在低在低频段，由于天段，由于天线工作波工作波长或或谐波波波波长相相对于与我于与我们要研究要研究的系的系统尺寸来尺寸来说比比较长，这时几何几何绕射理射理论计算出的算出的结果果误差

80、差较大，因此大，因此这时就不能再使用几何就不能再使用几何绕射理射理论。但是由于天。但是由于天线工工作波作波长或或谐波波波波长比比较长，相当于是降低了系，相当于是降低了系统的的电尺寸，那尺寸，那么使用么使用软件件进行行辅助助计算就成了可能。在低算就成了可能。在低频段内，收段内，收发两副两副天天线有可能都位于有可能都位于对方的方的远场，也可能都位于，也可能都位于对方的近方的近场，在，在这两种情况下，两种情况下，计算天算天线隔离度或者空隔离度或者空间隔离度的方法是不同隔离度的方法是不同的。的。对于于这两种不同的情况，我两种不同的情况，我们分开介分开介绍隔离度的隔离度的计算方法。算方法。101高级培训

81、低频段天线隔离度的计算低频段空间隔离度与隔离度的计算流程T远区区场分析分析 如果收如果收发天天线都位于都位于对方的方的远区区场，天，天线间的的S参数参数 即即为天天线间的隔离度。的隔离度。 102高级培训低频段天线隔离度的计算低频段空间隔离度与隔离度的计算流程T近区近区场分析分析 当接收天当接收天线处在在发射天射天线的近区的近区场时，接收天，接收天线是通是通过近区束近区束缚场受到受到发射射天天线的影响的，因此，的影响的，因此，传统上的天上的天线隔离度概念（接收天隔离度概念（接收天线的接收功率与的接收功率与发射天射天线的的发射功率之比）已射功率之比）已经不再适不再适应近区近区场。根据接收天。根据

82、接收天线是通是通过近区近区场受到受到发射天射天线的影响的影响这一事一事实，可将天，可将天线隔离度定隔离度定义为接收天接收天线接收到的功接收到的功率与率与发射天射天线的的输入功率（包括近区入功率（包括近区场和和辐射射场的的总功率）之比。功率）之比。 对于空于空间隔离度，它的物理含隔离度，它的物理含义是指是指辐射射场在自由空在自由空间中中传播播时的功率的功率损耗。耗。而而对于接收天于接收天线位于位于发射天射天线的近区的近区场这一情况，由于接收天一情况，由于接收天线主要受束主要受束缚场的影响，的影响，这时，空，空间隔离度已隔离度已经不能作不能作为描述天描述天线间隔离程度的度量。隔离程度的度量。 10

83、3高级培训低频段天线隔离度的计算低频段空间隔离度与隔离度的计算流程 因此，当接收天因此，当接收天线位于位于发射天射天线的近区的近区场时，为描描述天述天线隔离程度，只能隔离程度，只能计算天算天线间的隔离度，而不的隔离度，而不能能计算空算空间隔离度。如果没有天隔离度。如果没有天线的具体形式，只的具体形式，只用其他天用其他天线暂作代替。作代替。 由于接收天由于接收天线与与发射天射天线都各自都各自处在在对方的近区方的近区场内，天内，天线间的影响主要是由于近区束的影响主要是由于近区束缚场引起的，引起的，因此，天因此，天线间的隔离度的隔离度计算公式如下：算公式如下： 104高级培训END! 谢谢大家！谢谢大家！105高级培训