數據鏈仿真系統中室內環境對天線的影響研究

劉彬彬

【摘 要】本文針對彈載數據鏈仿真系統模擬試驗時，所采用的吸頂天線遇到的問題進行了研究。通常由于室內環境比室外復雜，要獲得良好的信號覆蓋，必須構建一個天線網絡。但由于室內空間資源有限而造成有些天線不得不安裝在不適合的位置，從而導致天線的性能急劇下降。本文對吸頂天線在室內的布局應用進行了理論分析和實驗研究。

【關鍵詞】室內通信；吸頂天線；天線網絡；信號覆蓋

1前言

戰術導彈武器的協同作戰、集群攻擊是當今世界導彈武器的作戰使用趨勢之一，以彈載數據鏈為基礎的多址通信與信息共享技術是導彈武器飛行中實時通信，實現協同作戰的前提。本文據此構建了數據鏈應用仿真系統，該系統以新一代戰術導彈武器系統協同作戰的通信鏈路驗證為背景，設計時充分考慮了導彈武器飛行全過程的姿態特性、反應速度及控制特點，系統圍繞導彈的實際作戰需求進行設計，盡量本仿真系統保證與實戰環境的一致性。

其中，無線通信終端若干部，作為數據源和接收裝置，用于模擬導彈飛行過程產生的飛行軌跡、姿態、內部工作狀態等信息，通過無線天線發送到數據鏈終端中，并接收數據鏈終端的遙控信息，同時可將模飛過程中的所有狀態、控制和通信情況通過網絡接口傳輸給地面站等效設備。數據鏈終端用于模擬導彈集群飛行中的母彈，負責對整個集群的狀態監測、飛行遙控和通信鏈路管理。基于彈載數據鏈的自身特點，難以進行大批量的飛行試驗，因此試驗室模擬成為檢驗系統工作性能的必要手段，而室內環境進行模擬的數據鏈仿真系統中使用的天線必須要求良好的信號覆蓋率。因而建立高效率的室內覆蓋系統是目前研究的重點。

覆蓋系統主要采用天線網絡的方法，由于制造簡單、實用等優越條件，本系統的天線采用螺旋全向吸頂天線。在實際的工程應用中，在室內不同的位置吸頂天線的覆蓋范圍有很大的起落變化。在某些情況下，其性能參數甚至會產生很大的衰退。產生這些現象的幾個主要原因有：①天線在一個帶有各種開口和孔縫結構，而且不規則的腔體內工作；②室內有各種金屬或是非金屬的家具和辦公用品；③內室的多種電器設備會對天線產生干擾；④各式各樣的電源線和導線干擾。本文針對這些問題通過具體的應用來進行理論研究和驗證，得出一些通用的規則。

2螺旋吸頂天線室內特性理論分析

法向模螺旋天線可根據成熟公式來進行設計。關鍵參數為軸比、增益和帶寬之間的平衡。采用小環和短偶極子遠場分析方法可以作為初始設計。它們的場為：

式中A為環面面積，S為偶極子的長度，I為電流強度。在菲涅耳區的時候，在采取相應的近似后橫向場的表達式與遠場一樣。當頻率大于1GHz的時候波長小于0.3m，對于室內環境來說，需要關注的區域不僅僅是輻射區域，還有輻射近場區（菲涅耳區）。小環和短偶極子的模型還是可以用來分析遠場，但是由于是室內，所以在某些區域放置的天線需要考慮鏡像對方向圖的影響，例如當天線貼近墻壁和墻角的時候。另一個需要關注的是當窗戶里天線不遠的情況。這些是我們關注的重點。一個螺旋天線可以看做是小環和短偶極子的陣列天線。陣函數為：

從陣因子方向圖我們可以看到，它與偶極子和小環天線方向圖相乘后，總方向圖去掉了后瓣。對于我們分析的區域沒有影響，因此上面所提到的模型適合于本文所分析的情形。天線的軸比為：

從上面看到，當考慮遠場的時候，而當處于菲涅耳區的時候項對總的軸比影響不大。因此遠場的分析結果可以在工程應用中分析輻射近場區的近似趨勢。

2.1 墻壁影響分析

圖1（a）中的偶極子及環天線根據鏡像原理可等效成圖1（b）的模型。其中虛線表示鏡像源。在這里的模型中，我們認為在室內的某一塊區域內看作是近場，其他區域則看作為遠場。根據鏡像原理，電偶極子的鏡像的方向如圖1（b）所示，當源平行于平面時，方向相反；當源垂直于平面時，方向相同。而小環電流則相反。由圖（b）模型我們可以估計方向圖如圖2所示。其中帶圓圈的線為無墻壁時的情況，實線則為有墻壁的時候的方向圖。從圖中我們可以看到，有墻壁的時候在某些方向上得到了加強，而有些方向卻減弱。因此當布置一個天線在墻壁附近的時候，覆蓋范圍中存在一些盲區。這是我們所不希望的。但是通過調整離墻壁的上下和前后的距離，我們可以在一定程度上緩解這種現象，如圖3所示。

2.2墻角影響分析

當天線放置在墻角的時候，采用與1.1的方法一樣。不同的是，這里的情況更加復雜一些，有三個鏡面。因此鏡像更加復雜。方向圖中出現了更多的波瓣，覆蓋范圍中出現零點的地方更多。因此當布置天線的時候應盡量避免這些地方。

2.3門窗影響分析

由于孔縫的作用，窗戶的情形要復雜一些。根據等效原理，我們可以做一些簡化的模型，如圖4所示。在原窗口區域，本模型利用等效磁流約等于在自由空間中輻射的小環電流和短電偶極子在那里產生的場。據此，我們可以得到相應的方向圖，具體如圖5所示。

3實驗分析

由前面的理論分析可知，室內不同于室外的主要原因是墻體、窗口等結構。要在這樣的環境中做到良好的信號覆蓋率，必須對天線布置進行優化。下面我們選取幾個典型的位置作為發射區域，而固定一個接收點的方式來進行實驗。根據上面的理論，天線離墻壁和窗口的距離需要進行優化，測試點示意圖如圖6所示。

圖中發射點指發射天線放置在這臨近的區域的情況。測試結果如圖7所示。從圖中可見，當天線位于墻角的地方時，產生了多瓣效應，在瓣與瓣之間的地方可存在信號盲區。而當一側有窗戶的時候，這種效應得到一定緩解。當天線位于支柱附近的時候，由于柱體的繞射效應，產生了更多的波瓣。因此天線的放置應盡量避免靠近柱體。圖6與圖7當中的尺寸均為示意相對位置。

4結論

本文研究了室內天線的信號覆蓋問題，提出了簡化的模型，并以數據鏈應用仿真系統為背景的項目來進行實踐研究。簡化的模型以短偶極子和小環天線的模型為基礎。室內空間相對于波長來說大部分屬于遠場區域。由于現在的應用波長小于0.3m，所以在一個大廳的辦公環境來說，研究的區域處于遠場區域。從而天線系統的分布問題可以應用本文中簡化模型來研究。從上面的實驗和理論研究中，我們可以的得出在布局室內天線系統的時候：

避免在墻角的地方安裝天線；

避免在實體支柱附件布置天線；

靠近窗口放置天線可改善信號的覆蓋；

避免在小房間離布置需要覆蓋其他地方的天線；

參考文獻：

[1]K·M·Chen， A mathematical formulation of the equivalence principle[J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques， vol. 37， pp. 1576-1581， Oct. 1989.

[2]R·F·Harrington. Time-Harmonic Electromagnetic Fields[M]. New York， McGraw-Hill， 1961.

[3]C·A·Balmis. Advanced Engineering Electromagnetics[M]. New York， John Wiley & Sons， 1989.

[4]W·L·Stutzman and G. A. Thiele， Antenna Theory and Design， New York， John Wiley & Sons， 1981.

[5]R·S·Elliott， Antenna Theory and Design， New York， John Wiley & Sons， 2003.

[6]R·E·Collin， Antennas and Radiowave Propagation， New York， McGraw-Hill， 1985.

[7]J·A·Stratton， Electromagnetic Theory， New York， McGraw-Hill， 1941.

[8]S·M·Rao，Time Domain Electromagnetics，

New York， Academic， 1999.