基于轮式装甲车的4单元MIMO天线布局设计*

袁 楠，王嘉豪，许家辉，贾芸倩

(桂林电子科技大学,广西 桂林 541004)

0 引言

随着信息科技的发展以及通信需求的进一步提升,装甲车通信系统开始向着多天线和集成化的方向发展,越来越多的天线被安装在装甲车上来提供各种各样的功能[1],例如:短波通信、卫星通信、卫星导航、敌我识别等等。在众多的候选天线中,单极子天线和鞭状天线具有成本低、易于集成、全向辐射性等特点并且天线结构对装甲车通信系统整体性能的影响最小,因此受到了广泛关注。

然而在装甲车通信系统中,除了外界复杂环境的干扰外,天线和天线之间的耦合以及装甲车车身的遮挡也会导致天线性能的下降和方向图畸变,这些内部干扰对装甲车通信系统的正常工作造成了很大的影响,因此针对装甲车车载天线电磁兼容特性的研究应运而生。文献[1]研究了无线电军用战术车辆车载大功率发射天线的电磁干扰问题,利用时域有限差分法提高了天线建模的精确度;文献[2]介绍了一种适用于单极子天线的去耦技术,通过阻抗计算以及使用寄生去耦结构来减小两个紧密耦合天线之间的互耦;文献[3]设计了一种坦克车载天线的布局方案,利用CST软件对天线的方向图和增益等性能进行了仿真分析,但是所建立的模型较为简单无法准确模拟出真实的电磁环境。

本文提出了一种轮式装甲车4单元MIMO天线的布局方案,利用 CST Stuido 进行建模仿真,将四根甚高频 (VHF) 频段的单极子天线安装在装甲车的不同位置,通过有限积分法多次仿真优化实现了天线的全向辐射,从而修正了方向图的畸变。

1 设计方案

如图1所示,本方案所选择的轮式装甲车为一种常见的廓尔喀防弹装甲车,车身的整体尺寸(不包含天线)为7.6 m×2.8 m×3 m,将其模型以1∶1 的比例导入到CST 微波工作室中。为节省计算机仿真资源和仿真时间对该模型进行了进一步精简,删除了对仿真结果的准确性和精度影响较小的部分,如轮胎、座位等结构。

图1 廓尔喀防弹装甲车

所选择的天线为4根规格相同的单极子天线,天线的长度为1.95 m,工作频率在VHF 频段,这也是装甲车通信系统的常用频段。天线的结构分为四部分,从上到下分别为单极子天线主体、金属套筒、接地板、同轴馈电输入端,金属套筒和接地板的存在减小了车身与天线的耦合。经过多次仿真优化确定了四根天线的安装位置,最终得到的轮式装甲车MIMO天线的布局如图2所示,其中,1号天线安装在车尾、2号天线安装在车窗前、3号和4号天线安装在车灯上。

图2 天线布局示意图

2 仿真分析

本节展示了该布局方案的仿真结果,图3为天线的S参数曲线图,从图中可以看出1号和2号天线分别在61 MHz和60 MHz产生了谐振,并且回波损耗达到了-22.6 dB和-22.5 dB,阻抗匹配良好;而3号和4号天线由于安装的距离较近,天线之间产生了一定程度的耦合,回波损耗为-15.7 dB和-16 dB,可以通过改变天线的长度来改善阻抗匹配,但这不是本次设计的重点,本次设计的目标是实现装甲车多天线系统的全向辐射特性。

图3 天线的回波损耗

图4展示了天线在60 MHz下的远场辐射方向图,从图中可以看出,1号天线波束宽度为268.5°,主瓣最大增益为3.17 dB; 2号天线波束宽度为114.2°,主瓣最大增益为4.03 dB; 3号天线波束宽度为95°,主瓣最大增益为3.85 dB ; 4号天线波束宽度为188.3°,主瓣最大增益为3.34 dB。该方案所使用的四根单极子天线的远场辐射方向图相互叠加后可以实现360°的全向覆盖,较好的解决了装甲车多天线系统耦合造成的方向图畸变。

图4 频率为60 MHz时天线的远场辐射方向图

3 结论

本文提出了一种轮式装甲车4单元MIMO天线的布局方案,该方案将4根单极子天线分别放置在装甲车的不同位置,通过电磁仿真软件CST Stuido 对真实装甲车模型以及MIMO天线进行建模设计,经过多次仿真优化后最终确定了MIMO天线的布局设计,该设计修正了天线耦合造成的方向图畸变,实现了360°的全向辐射特性。