某型无人机天线系统电磁特性及隔离度仿真

王永胜， 郭文卿， 李 伟

（中国电子科技集团公司第三十三研究所， 山西 太原 030032）

引言

随着信息技术的不断发展，卫星定位系统、导航系统和数据链控制系统等设备被越来越多地集成安装在无人机上，大大增强了无人机执行任务的能力，但同时也使无人机天线的类型和数量增加，导致无人机任务系统电磁兼容的问题越加凸显[1]。因此，在设计阶段就要对无人机机载天线耦合度仿真分析，优化天线布局，对减少天线之间的相互干扰，最终使无人机系统性能达到最优。

本文主要针对某型无人机天线系统电磁特性及耦合度仿真进行阐述，通过对计算电磁数值算法分析，仿真建模，天线耦合度仿真分析，得出无人机天线耦合度结果。

1 计算电磁数值算法

计算电磁学主要研究的电磁数值算法主要分两大类：全波算法（精确算法）和高频算法（渐近算法）[2]。全波算法主要是指时域全波和频域全波算法，直接求解麦克斯韦积分或微分方程。场区和源区均需要划分网格。全波算法包括有限差分法（FDM）、有限积分法（FIT）、传输线矩阵法（TLM）、有限元法（FEM）、矩量法（MoM）和边界元法（BEM）[3]。高频算法主要是基于格林函数，仅有频域，仅源区需要划分网格。高频算法包括物理光学法（PO）和弹跳射线法（SBR）。

有限积分法（FIT）方法无论是在静态场计算中还是在时域或频域的高频计算中都可以用来解决各类电磁场问题。时域有限积分法完整的理论基础是基于数学物理方法建立的。它以麦克斯韦积分方程为基础，对麦克斯韦方程在网格空间上进行离散分析[4]。相比于与其它算法，FIT 是对积分形式的麦克斯韦方程组进行离散化，而不是对微分形式的麦克斯韦方程组进行离散。

弹跳射线法（SBR）结合了几何光学法和物理光学法。弹跳射线法的原理是先将电磁波在物体表面的反射运用几何光学来等效模拟，再运用物理光学原理解决远场问题，即求解其远场积分[5]。该方法能够较好地追踪目标物体上射线反射的路径并记录射线的场强变化情况，因此非常适合用来处理射线的多次反射。在计算复杂结构的电大尺寸目标的散射问题时，弹跳射线法既能提高计算效率，又能保证计算精度。因此，弹跳射线法作为应用最多的高频方法，具有很大的工程应用价值。

本文研究对象为无人机，机载天线种类多，结构复杂，属于电大尺寸，且天线工作频段为MHz～GHz，难以用一种算法全波求解，因此采用CST 有限积分法（FIT）和高频弹跳射线（SBR）法联合完成仿真，这样既能保证计算的精度，又能提高仿真计算效率[6]。

2 仿真建模

研究无人机天线耦合效应之前，首先要对无人机和天线进行建模。无人机机体内外均由大量的细小结构和精密单元构成，而在仿真建模过程中，需要使用网格前处理软件ANSA 对无人机模型进行简化，通过投影、切割等指令操作对边界进行合理的重新构建，从而保证仿真计算的效率和准确性[7]。

简化后的无人机模型如下页图1 所示。经过模型的预处理，保持无人机体的基本信息，大大缩减了网格数量与未知量，减少了计算所需要的内存。系统天线信息如下页表1 所示。

表1 系统天线信息

3 天线耦合度仿真分析

在电磁兼容工程技术中，衡量天线间相互干扰程度大小的一个重要指标是天线耦合度[8]。天线间的耦合度，是实现系统电磁兼容预测所必须的重要参数。天线间耦合度越大，天线相互耦合能量越小。天线耦合度为接收天线净输出功率与发射天线的净输入功率的比值[9]，如图2 所示。

式中：Pin为发射天线端的净输入功率，W；Pout为接收天线端的净输出功率，W；L 为耦合度，dB。

3.1 仿真流程

对无人机导航接收天线、数据链主链天线、数据链副链天线和ADS-B 天线分别采用CST 有限积分法（FIT）时域或频域求解器进行方向图仿真，然后采用CST MWS 高频算法—高频弹跳射线（SBR）进行天线装机后方向图仿真，最后使用专用天线互耦计算模块（Antenna Couping）对无人机平台多部天线进行两两互耦仿真，如图3 所示。

3.2 天线系统的电磁特性仿真

3.2.1 导航接收天线仿真

导航接收天线为圆极化微带贴片天线，数量有4 个，天线接收工作频率为1.575 GHz、1.561 GHz，极化方式为右旋圆极化，馈电方式为同轴线馈电。使用CST 仿真平台的Time Domain Solver 求解器对该模型进行仿真计算，仿真频率设置为1.575 GHz，方向图如图4 所示。

3.2.2 数据链主链天线仿真

数据链主链天线为单极子天线，数量为1 个，工作频率为1.3～1.74 GHz，极化方式为垂直极化，输入阻抗为50 Ω，电压驻波比VSWR＜2，馈电方式为同轴线馈电。使用CST 仿真平台的Frequency Domain Solver 求解器对该模型进行仿真计算，仿真频率设置为1.7 GHz，方向图如下页图5 所示。

3.2.3 数据链副链天线仿真

数据链副链天线为单极子天线，数量为1 个，工作频率为520～610 MHz，极化方式为垂直极化，电压驻波比VSWR＜2，馈电方式为同轴线馈电。使用CST 仿真平台的Frequency Domain Solver 求解器对该模型进行仿真计算，仿真频率设置为565 MHz，方向图如图6 所示。

3.2.4 ADS-B 天线仿真

ADS-B 天线为单极子天线，数量为1 个，工作频率为1 090±1 MHz，极化方式为垂直极化，电压驻波比VSWR＜1.5，馈电方式为同轴线馈电。使用CST仿真平台的Time Domain Solver 求解器对该模型进行仿真计算，仿真频率设置为1.09 GHz，方向图如图7 所示。

3.3 天线装机后电磁特性仿真

天线安装在无人机机体上，复杂的机体结构对天线的性能也有很大程度的影响，导致天线方向图产生畸变[10]。数据链主链天线、数据链副链天线和ADS-B 天线装机后方向图如图8—下页图14 所示。

3.4 天线耦合度仿真结果

利用CST 仿真软件天线互耦计算模块（Antenna Couping），对无人机平台多部天线进行两两互耦仿真，仿真结果如表4 和下页图15 所示。

表4 无人机天线耦合度仿真结果

4 结语

无人机天线间的耦合度仿真结果表明：工作频率相差越大，天线间的耦合度越好。天线之间的耦合度均能够满足设计指标要求，天线布局方案可行。

通过对无人机天线耦合度仿真，能够在设计阶段精确、快速地分析出机载各天线之间的耦合情况，为天线合理布局、优化提供设计依据。