第八章 电磁能量辐射与天线概要

第一篇：第八章 电磁能量辐射与天线概要

第八章 电磁能量辐射与天线

习题8.1

一长为20m的发射天线，在频率f1MHz时，可视为单元偶极子天线，设天线上电流振幅的有效值为2.5A，求天线的辐射电阻Rrad和辐射功率P。如频率变为f100kHz，其他参数不变时，辐射电阻和辐射功率又为多少?

题意分析：

单元偶极子天线辐射电阻和辐射功率是天线特性的重要参数，必须掌握。解：

当f1MHz时

自由空间中电磁波的传播速度为光速c

所以，电磁波的波长：

c3108

300（m）6f110天线的辐射电阻：

Rrad802(天线的辐射功率：

PI2Rrad(2.5106)23.52.191011（W）

当f100kHz时：

电磁波的波长：

c3108

（m）

300 03f10010l)2802(202)3.5（）300天线的辐射电阻：

Rrad802(天线的辐射功率：

PI2Rrad(2.5106)23.51022.191013l)2802(202)3.5102（）3000（W）

从本题的分析可以看出：当激励电流和单元偶极子天线尺寸不变时，信号的频率越高，辐射功率越大。辐射电阻Rrad表征了单元偶极子天线辐射电磁能量的能力，Rrad越大，辐射能力越强。

习题8.2

一单元偶极子天线位于坐标原点，离天线较远处测得天线激发的电磁波的场强为：

sinθrE(r,t)E0sinω(t-rc)eθV/m 式中c为真空中的光速。求天线辐射的平均功率。

题意分析：

由题意，测量点距天线距离较远，本问题研究的是单元偶极子天线的远区场问题。远区场是横电磁波（TEM波），电场强度和磁场强度在空间相互垂直，且与传播方向垂直，三者满足右手螺旋定律。在研究远区场时，天线的尺寸相对于源点到场点的距离很小，可以忽略天线尺寸的影响，因此建立如图所示球坐标系。

zPereeSEHoyx

图8.2.1 场点P处电场强度，磁场强度以及坡印廷矢量方向关系

解：

根据场量与波阻抗的关系，可得磁场强度为：

EEsinr

H(r,t)Hee0sinω(t-)e（A/m）

Z0Z0rc相位系数的定义式：

表达式中ω(t-22f fcr)项可以写成ωt-r，这样就与标准表达式统一起来了。c电场强度的相量形式：

1sinθjr

E(。E0e)e（V/m）

r2磁场强度的相量形式：

1E0sinθjr

H(。e)e（A/m）

2Z0r坡印廷矢量平均值：



SavReEH*

1sinθjr1E0sinθjrRe(E0e)(e)(ee)

r2Z0r2

2E02sinθer（W/m2）22Z0r

平均功率，即将坡印廷矢量平均值Sav在球坐标系中进行闭合面积分：

22E2sin22EPSavdS0rsindd0（W）2S002Z0r90

第二篇：机载天线电磁兼容分析

姓名：周慧

学号：2011201270

专业：电磁场与微波技术

机载天线的电磁兼容性分析

姓名：周慧

学号：2011201270 摘 要：天线布局和电磁兼容是机载系统设计的关键性问题。针对机载天线的特点，本文对机载天线的电磁兼容性的核心问题和主要解决途径进行了简要介绍，对常用的有限元法、物理光学、几何光学等天线电磁兼容技术分析方法进行了比较，结合机载天线的布局问题综合分析机载天线的电磁兼容技术。关 键 词：机载天线 ；电磁兼容 ；天线布局

一、引言

随着当今科学技术的不断进步，航空军用电子设备已成为C3I 系统实施指挥和获取情报的重要手段。预警机是情报、通讯、指挥和控制中心，要实现这些战术指标，就必然要在飞机这么一个有限的空间里布置大量的电子电气设备。飞机作为一个指挥控制单元，其工作频谱覆盖范围从甚低频（VLF）到超高频（UHF），在大功率高频（HF）和超高频（UHF）设备产生并通过天线辐射的电磁环境中，保证机载设备的兼容性是相当重要而复杂的问题。在飞机系统的研制、生产和安装过程中有必要研究其变化后的电磁环境，对其兼容性状态进行分析，从而保证机载系统的正常工作。

机载通信系统中，由于系统中无线通信设备比较多，而且还要综合考虑飞机的飞行性能，安放天线的位置就受到一定的局限，因此系统中EMC 的问题尤为突出，在无法摆脱自身设备EMC的前提下，要降低这种干扰只能通过天线布局的方法，通过降低各天线对间的耦合度达到减小干扰的目的。

研究飞机天线系统的电磁兼容性的关键就是确定机载天线的辐射特性，得到其辐射方向图。确定机载天线的辐射特性可以通过实验的方法，如利用暗室和飞机模型测试数据，但是这样会浪费大量的人力、物力和财力，因此研制机载天线系统电磁兼容预测分析软件己成为当务之急。EMC预测分析的目标是评估全机的电磁兼容性状态，分析是否存在电磁干扰，以便于总体采取措施排除，尽量减少干扰问题的出现，确定关键性区域和关键性设备，确定干扰测试的重点，并为今后系统及设备设计和系统使用提供数据。

二、机载天线电磁兼容的基本理论

天线的电磁兼容，指天线或天线系统在共同的电磁环境中，其自身性能既不下降又不影响其它天线性能的一种共存状态。即某一设备上的天线既不会由于受

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到处于同一电磁环境中的天线布局、载体、邻近散射体和其它天线的影响而遭受不允许的性能降低，也不会使同一电磁环境中其它天线性能遭受不允许的性能降低。值得指出的是，电磁环境除了包括安装天线的平台、平台上的其它天线、遮挡物、突出金属物以外，在这里还特别增加了一项“邻近散射体”。这里所说的邻近散射体，包括了邻近载体、地形地物和海面等。

从广义上讲，机载天线的电磁兼容性包含有两个基本概念，辐射限制和抗扰度限制。辐射限制是指在不需要的空间和不需要的频段上其辐射量的控制。抗扰度限制是指天线自身对恶意发射与难以避免的反射、散射、漏射、绕射、杂乱漫射、传导等电磁能量的响应能力。

三、机载天线电磁兼容的技术重点

机载天线对整个系统的电磁兼容性能影响非常明显。这主要是因为天线具有如下两个特点：

1、天线的功能是完成电磁能量从“场”到“路”的双向转换，即将空间中的电磁场能量接收至传输线内成为导波，或将传输线内的导波辐射至空间形成电磁波。

2、多数天线辐射能量大、接收灵敏度高。相对于导线、设备、孔缝等无意辐射源，天线辐射能量要大若干个数量级。

本质上讲，机载天线的电磁兼容的核心问题就是辐射限制和抗扰度限制。因此解决天线的电磁兼容应从以下三个方面着手：电磁兼容实现手段、电磁兼容效果计算分析和天线布局优化设计。

1、电磁兼容实现手段

目前实现天线之间电磁兼容的主要手段，是通过增加天线之间的隔离度削弱天线间的相互影响，而衡量天线之间相互影响强度的指标即天线的隔离度，机载天线之间的隔离度是描述天线之间耦合的一种方式，它充分反应了天线的方向性、增益、极化状态、带内带外特性和天线之间的空间对收发天线间能量耦合的贡献。为准确表达天线间的隔离程度，将发射天线的发射功率Pta与接收天线所接收的功率Pra的比值定义为天线隔离度（Pra为Pta经过各种衰减后被接收天线所接收的功率值），通常在工程应用中，以dB 为单位表示，即：

L(dB)10lgPta

（1）Pra当2个天线均处于彼此远区场的情况下，其能量耦合主要通过辐射场实现。

设发射天线发射功率为P ta，增益为Gt，接收天线的接收功率为Pra，增益

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为Gr。接收天线与发射天线间的距离为D，一般情况下，收发天线直视时的天线隔离度可由公式（1）所表达的物理意义求解。当收发天线外形尺寸与D 相比较小时，收发天线均可近似被认为是具有一定方向性的点源，则发射天线发出的电磁波可被近似为球面波，且在接收天线处可视作平面波，此时天线隔离度可表示为：

L(dB)LGG

（2）

dtr4D式中，L20lg为收发天线直视情况下的空间隔离，Ld由收发天线间的距d离D和分析波长λ等因素决定，Gt为发射天线在接收方向的天线增益，应根据收发天线的相对位置从机载发射天线增益方向图中读取；Gr为机载接收天线在发射方向的天线增益，应根据收发天线的相对位置从天线增益方向图中读取。

当收发天线之间的极化不完全匹配时，还要考虑极化失配带来的隔离度LP这一项，即总的天线隔离度为：

L(dB)LGGL

（3）

dtrp如果天线不能同时满足位于彼此的远区场，则2天线之间的相互干扰主要不是通过辐射场进行的，而是通过近区束缚场或近区感应场实现。

工程上圆极化对垂直极化或水平极化的损耗为3dB左右，垂直极化和水平极化间的失配损耗为20-35dB，由于机身表面天线的安装方位比较复杂，极化失配损耗要比以上2个值要小。

2、电磁兼容效果计算分析

机载天线的电磁兼容实施过程中一个重要的环节，就是以计算机为工具，利用电磁场理论和计算电磁学的相关知识，对天线电磁兼容性的效果进行仿真计算和分析。通常情况下，对单个天线结构的阻抗特性和辐射特性的分析往往采用数值方法，而对于天线之间耦合特性（隔离度）的分析（该文中仅指远场情况下），往往采用高频方法。

随着计算机性能的快速提高，电磁场数值计算技术日益成为应用电磁学领域内的一个研究热点。由于数值计算方法直接以数值的形式代替解析表达式描述和求解电磁场问题，故在理论上只要计算机配置足够高，等待足够的时间，就可以得到以任意精度逼近准确值的几乎所有电磁场问题的解答。常用的数值计算技术包括有限元方法（FEM）、时域有限差分方法（FDTD）和矩量法（MOM）等。

有限元法是非常具有代表性、应用范围广泛的频域数值方法。该方法以变分原理和剖分插值为基础，能处理任意形状的场域、多介质和复杂交界面等情况。其所形成的代数方程系数矩阵具有对称、正定和稀疏性的特征，因而收敛性好，3 / 6

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容易求解。由于具有这些优点，有限元法成为国内外学者的一个研究热点。但是有限元法虽然是一种灵活性强的数值计算方法，但它只适合于最大尺寸约为几个波长以下的物体。所以使用范围也受到一定的局限。

机载天线工作频率一般很高，而飞机一般有十几米到几十米长，因此机载天线系统是电大尺寸系统，对此系统的分析需要应用高频近似技术。高频近似技术是在相当严格的理论基础上发展的一系列近似方法和渐进的高频解析方法，一般可归纳作2 类：一类基于射线光学，包括几何光学（GO）、几何绕射理论（GTD）以及在基础上发展的一致性绕射理论（UTD）等；另一类基于波前光学，包括物理光学（PO）、物理绕射理论（PTD）、等效电磁流方法（ECM）以及增量长度绕射系数法（ILDC）等。

物理光学法是通过对表面感应场的近似和积分来求解散射场的，它克服了平表面和单弯曲表面所出现的无限大的问题。由于感应场保持有限，散射场也就同样有限。

几何光学是研究射线传播的一种理论，它是适用于计算电磁场零波长近似的高频方法。但是几何光学只研究直射、反射和折射问题，它无法解释绕射现象。当几何光学射线遇到任意一种表面不连续的情况，例如边缘、尖顶，或者在向曲面掠入射时，它将不能进入到阴影区。按几何光学理论，阴影区的场应等于零，但实际上阴影区的场并不等于零。为了解除几何光学场的不连续性问题，并对几何光学场计为零的场区中作出适当修正，引入了一种新的射线—绕射线，其对应的理论即几何绕射理论。

几何绕射理论的基本概念可以归结为以下3 点：

1绕射场是沿绕射射线传播的，这种射线的轨迹可以用广义费马原理确定。○2场的局部性原理：在高频极限情况下，反射和绕射这一类现象只取决于○反射点和绕射点临近域的电磁特性和几何特性。

3离开绕射点后的绕射射线仍遵循几何光学的定律。○

3、天线布局优化设计

布局设计首先是天线自身的仿真与设计，其性能指标以能否满足应用要求为先决条件，但这往往还不够。实际中常会遇到这样的情况，单独看这个天线，其各项性能指标均合格，一旦配置到载体上，其主要参数幅度方向图和相位特性将有程度不等的劣化，此时必须对天线进行必要的修改，有时甚至需要重新进行方案论证与选择。

机载天线的布置应遵循如下的4个原则：

1飞机电子系统中各分系统的天线布置应充分发挥各分系统的战技性能，○完成各自所担负的任务。

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2分系统天线间辐射干扰影响尽量小，即尽量减少辐射耦合。○3要充分利用载体的遮档。○4实际天线布局设计是一个综合性的反复调整过程。○下面以一个实际的飞机来综合考虑分析其各天线的布置情况

图 1 某飞机的机载天线布局

1探测雷达天线布置 ○考虑飞机气动力学影响，可采用共形相控阵天线型式，并将天线置于机身两侧和前后。

2GPS天线布置 ○GPS 接收天线，它用于接收卫星信号，因此要安装在机身上方，且尽量远离探测雷达。

3ESM天线布置 ○无源探测（以ESM 为例）频带宽，接收灵敏度高，因此ESM 天线要远离那些落于其工作频带的发射源，故ESM 天线应安装于机身前后位置。

4JTIDS天线布置 ○对JTIDS天线布置考虑应空对空、空对地通信，因此将它安装于机身上下方。5通信天线尤其是V/UHF 天线数量多，频段宽，要考虑减少相互影响，合○理布局。

在初步确定了天线在载体上的布局后，就可进行机载天线耦合干扰及天线方向图的计算机预测与分析，通过不断的调整天线的位置，最终找到最佳的天线布局方案。

四、国内外机载天线布局和EMC的发展动态

西方发达国家早在二战后就对飞机的EMC做了大量的研究工作，特别是美

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国在六七十年代中期对电磁兼容性研究所做的工作，比较全面和系统地考察了航空、航天、航海领域中的电磁兼容机理，并进行了研究和分析，获得了大量的资料和经验，取得了较好的效果。如美军先后研究出F-4，F-15系列飞机EMC分析方法和数学模型，并将其应用于飞机的设计、研制和维修中，取得了许多技术成果和显著的经济效益。海湾战争、科索沃战争及近期的反恐战争等，使各国对美国等西方各种武器的先进性有了更直观的认识，而战争中美国飞机的卓越性能都体现了研究飞机天线系统EMC的价值。

我国在这方面研究起步很晚，与国外相比水平还远远落后，直到70年代后才开始着手研究，而且发展速度缓慢，导致我国与发达国家拉下很大距离。目前，我国已经有一些部门和单位开始重视并从事这方面的工作，实现技术的跨越式发展，可望在不远的未来赶上先进发达国家的水平，从而能够利用EMC控制，使系统和设备与环境相融合，完成对电子设备的一体化设计。

参考文献

[1] 汤仕平,杨景发.飞机天线间兼容性分析及工程应用[J].电磁干扰抑制技术.[2] 王良刚,陈龙.机载C3I 系统电磁兼容技术研究[J].电讯技术,1997,37(2).[3] 邱扬,俞智敏,袁军,田锦.机载通信系统EMC设计中天线布局优化设计[J].舰船电子工程,2004.[4] 路志勇,宋长宏.机载系统天线布局及电磁兼容性分析[J].微波学报,2010.[5] 林泽祥,兰强.天线的电磁兼容技术[J].电波科学学报,2007,22(1).[6] 袁旭猛,王浩.机载天线电磁兼容技术分析[J].无线电通信技术,2011,37(4).[7] 陈晨.机载天线辐射特性及耦合研究[D].西安:西北工业大学,2006.6 / 6

第三篇：天线设计毕业论文概要

第一章绪论

一、绪论

1.1课题的研究背景及意义

自古至今，通信无时无刻不在影响着人们的生活，小到一次社会交际中的简单对话；大到进行太空探索时，人造探测器与地球间的信息交换。可以毫不保留地说，离开了通信技术，我们的生活将会黯然失色。近年来，随着光纤技术越来越成熟，应用范围越来越广。在广播电视领域，光纤作为广播电视信号传输的媒体，以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。光纤传输系统具有的传输频带宽，容量大，损耗低，串扰小，抗干扰能力强等特点，已成为城市最可靠的数字电视和数据传输的链路，也是实现直播或两地传送最经常使用的电视传送方式。随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的现代通信技术引起了人们的极大关注，我国在移动通信技术方面投入了巨大的人力物力，我国很多地区的电力通信专用网也基本完成了从主干线向光纤过度的过程。目前，电力系统光纤通信网已成为我国规模较大，发展较为完善的专用通信网，其数据、语音，宽带等业务及电力生产专业业务都是由光纤通信承载，电力系统的生产生活，显然，已离不开光纤通信网。无线通信现状另一非常活跃的通信技术当属，无线通信技术了。无线通信技术包括了移动通信技术和无线局域网（WLAN）技术等两大主要方面。移动通信就目前来讲是3G 时代，数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段。无线局域网可以弥补以光纤通信为主的有线网络的不足，适用于无固定场所，或有线局域网架设受限制的场合，当然，同样也可以作为有线局域网的备用网络系统。WLAN，目前广泛应用IEEE802.11 系列标准。其中，工作于2.4GHZ 频段的820.11 可支持11Mbps 的共享接入速率；而802.11a 采用5GHZ 频段，速率高达54Mbps，它比802.11b 快上五倍，并和820.11b 兼容。给人们的生活工作带来了很大的方便与快捷。

在整个无线通信系统中，用来辐射或接收无线电波的装置成为天线，而通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备都是通过无线电波来传递信息的，均需

要有无线电波的辐射和接收，因此，同发射机和接收机一样，天线也是无线电技术设备的一个重要组成部分，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波，但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低，要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能(多频段、多极化、高性能的天线。微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来天线技术的发展方向之一，设计出具有小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。

因此，一副实用且性能良好的天线既要满足系统易于集成化的要求，同时也要满足各个系统的兼容性、可靠性要求，即为对天线小型化、宽频带、多频带的设计要求，因此本文主要对现代无线通信系统的多频带、宽带、超宽带天线进行研究和设计。

1.2微带天线的发展概述

早在1953年G.A.DcDhamps教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R．E ．Munson 和豪威尔(J．Q ．Howell 等研究者制成了第一批实用的微带天线[1]。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE 天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世。80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广

度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。微带天线具有结构紧凑、外观优美、体积小重量轻等优点，得到广泛的应用。

1.3小型化、多频带/宽频带天线的研究现状 1.3.1天线小型化、宽频带研究现状

天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。

1.3.2多频带天线的研究现状

多频天线主要有多频振子天线[2]、多频缝隙天线[3]和多频微带天线[4，多频振子天线主要通过添加不同长度的谐振振子来实现多频带，多频缝隙天线主要通过在辐射单元以及辐射地结构上进行开缝改变电流流向来实现多频化，多频微带天线则主要通过调节微带线的长度、宽度以及不同微带线之间的距离来实现多频化。随着

1.4论文的主要研究内容

第二章微带天线理论（参看宝儿书）第三章多频带天线设计 3.1天线多频化实现技术

3.2基于分形结构的多频微带天线设计 3.1.1

三、微带天线的小型化技术

天线作为无线收发系统的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有着重要的影响。微带天线带宽相对较窄，通常低于3%，而无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及军用宽带无线系统的发展，要求天线具有更高的带宽。同时在随着电路集成度的提高，系统对天线的体积有着更高的要求，尤其是一些军用和民用的领域，如导弹制导系统和手机等等，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素。此外随着天线尺寸的减小，天线效率会显著降低，带宽也会随之变窄。如何在天线带宽等性能受尺寸限制的情况下，设计出宽带小型化的微带天线是近年出现的一个热门课题。当然优化微带天线设计方法的探讨有着重要的意义。

3.1 天线加载

在微带天线上加载短路探针 [4]，通过与馈点接近的短路探针在谐振空腔中引入耦合电容以实现小型化，典型结构如图3.1 所示。其缺点是:(1 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离Δ，往往需要馈电点的精确定位和十分微小的Δ，这给制造公差提出了苛刻要求。(2 带宽窄。(3 H 面的交叉极化电平相对较高。将短路探针替换为低阻抗的切片电阻(chip resistor，在进一步降低谐振频率的同时还可增加带宽。

图3.1 加载短路探针的微带天线 3.2 采用特殊材料基片

从天线谐振频率关系式可以知道，谐振频率与介质参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料 或高磁导率(如磁性材料 的基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是:(a 激励出较强的表面波，表面损

耗较大，使增益减小，效率降低。(b 带宽窄。为提高增益，常在天线表面覆盖介质(如图3.2 所示。

图3.2 采用高r 的多层介质微带天线 3.3 表面开槽（slot）[5] 当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时(如图3.3 所示，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差90°的极化简并模，还可形成圆极化辐射，以及实现双频工作。图3.4 为表面开槽的口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。

图3.3 表面开槽的小型化微带天线图3.4 小型口径耦合圆极化微带

这类天线结构简单，成本低廉，加工方便，其特点是:随槽的长度增加，天线谐振频率降低，天线尺寸减小，但尺寸的过分缩减会引起性能的急剧劣化，其中带宽(一般约为1 % 与增益尤为明显，而方向性影响不大。如何破除增益和带宽这两个限制，开发实用化、易调谐的此类天线尚待深入研究。

3.4 附加有源网络

缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可利用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术弥补由于天线尺寸缩小引起的指标下降。有源天线具有以下良好特性:(1 工作频带宽。利用有源网络的高输出阻抗、低输入阻抗，天线

带宽高低端频比可达20～30。(2 增益高(可达10dB 以上，方向性好。(3 便于实现阻抗匹配。(4 易实施天线方向图，包括主波方向、宽度、前后辐射比等的电控。(5 有源天线阵具有单元间弱互耦的潜在性能。但有源天线需考虑噪声及非线性失真问题。

3.5 采用特殊形式

这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型化目的。近年来由于无线通信的需求，有大量方案提出，如蝶形(bow2tie(如图3.5所示、倒F 型(PIFA，planar inverted2F antenna(如图3.6 所示、L 形、E 形、Y 形、双C 形、层叠短路贴片(stacked shorted patch 等等。

图3.5 双频带蝶型微带天线图3.6 电容加载的倒F 型微带天线（PIFA）

四、结束语

微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用。通讯产品越来越小型化，物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素，因此天线的小型化成为天线设计的一个研究热点。如何设计出具有小型化的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点。

第二章

1.课题的研究背景及意义

从马可尼横跨大西洋的无线电通信创举，到今天千百万用户随时随地畅通无阻的漫游，从现代高科技战争中战略和战术武器使用，到日常生活中便携式通信设备普及，射频无线通信技术取得了举世瞩目的成就，并且越来越紧密的影响和改变着我们的生活。刚刚过去的十年无疑是无线通信爆炸式发展和普及的十年，射频电子技术已经成为现代无线通信快速发展的基础。通过近十年的发展来看，无线电通信技术变得更加实用，随着通信事业的飞速发展，射频前端电路的集成度越来越高，宽带化要求日益增加，低成本、低功耗、小型化、重量轻等设计要求越来越苛刻，因此射频前端电路与系统宽带化设计显得十分必要，具有巨大的经济效益和社会意义。0 天线是无线电系统中的重要部件之一，其主要功能是辐射和接收电磁波[1]，通信系统中的雷达、导航、广播、电视等都是通过电磁波来传递信息的。随着现代通信技术的快速发展, 基于分形结构的多频微带天线设计 1分形天线结构

多频天线主要有多频振子天线[2]、多频 缝隙天线[3]和多频微带天线[4]，这些多频天线辐射结构之间相互独立，没有特定变化规律，而分形几何结构独有空间填充性和自相似性的特

点，在多频微带天线的设计中可实现天线多频化、小型化的目的[4]。目前采用分形结构来实

现多频工作的有Sierpinski 三角形分形[5]、寄生分形[6]、方形分形[7]、树状分形[8]结构等，它

们通过改变分形次数而不引入有耗加载量，具有的规律性结构使得小型化天线设计得到了简化

天线是无线电系统中的重要部件之一，其主要功能是辐射和接收电磁波[1]，通信系统中的雷达、导航、广播、电视等都是通过电磁波来传递信息的。随着现代通信技术的快速发展, 小型化、多功能成为人们对各种手持设备的不断追求，这就需要一个终端设备能够同时在多个频段工作。2G 通话频段（GSM1800）、世界公开使用的无线频段（ISM2.4GHz）和用于无线通信的城域网频段（WiMAX）是小型多功能手持设备工作的重要频段，因此设计出能覆盖上述频段的天线具有实际意义...............................本文拟采用Sierpinski 分形结构，利用加载谐振和匹配枝节的办法，设计一款应用于GSM1800（1710MHz~1850MHz）、ISM（2.4GHz）和WiMAX(3.3GHz~3.6GHz 的全向辐射微带天线。设计原理

Sierpinski 分形有Sierpinski 三角和Sierpinski 毯两种，其中Sierpinski 三角的形式多样，应用较为广泛[9]。Sierpinski 三角形天线进行分形之前, 其初始元会在低频处产生一个谐振点, 随着天线分形结构迭代次数的不断增加, 天线的生成元不断减小, 而天线将保持原有的谐振点不变并在高频处增加新的谐振点, 谐振点的个数与分形的迭代次数相等, 并且在各谐振频点天线都具有相似的辐射性能。Sierpinski 三角形分形单元如图1所示。

图1Sierpinski 三角形分形单元

Sierpinski 三角形分形结构具有多频特性，且各个谐振频点成比例。比例系数可通过改变垫片的形状来调节，但不能无限次分形，其存在的截断效应将导致第一谐振点与其它谐振

点不满足谐振频率[9] n n h c f δ26.0=（1）

比例关系。其中，c 为空气中的光速，h 为迭代前三角形的高度，δ为天线的缩放因子。若通过加载枝节的方法进行调节，则可以解决仅采用Sierpinski 三角形

分形结构时频点位置难以调节和不能无限次分形实现多频化的问题。加载的微带枝节长度L 和宽度W 的表示式

分别为[10] L f c L e ∆-=22(2 2 1(2-+=r f c W ε(3 其中，r ε为相对介电常数，e ε为有效介电常数，其计算式为[10] 121(21 21-+-++=w h r r e εεε（4）L ∆为等效长度，由式（5）计算[10] 8.0(258.0(264.0(3.0(412.0+-++=∆w w h L e e εε（5）2 天线设计 2.1天线模型设计

该天线基于Sierpinski 分形结构，采用两次三角形分形分别产生1.7GHz 和3.5GHz 两个谐振点，加入短谐振枝节产生2.4GHz 的谐振点，加入长匹配枝节调节低频1.7GHz 谐振点后移至1.8GHz 处，克服了低频谐振点因加入短谐振枝节以及耦合的影响出现前移的问题，背面采用2.3mm 宽的反射参考地结构，保证天线各处辐射大小相等，实现全向辐射。设计天线模型如图2所示。

(a 正面

(b 背面 图2 天线模型 2.2 模型参数设计

采用聚四氟乙烯材料为介质基板，介电常数（r）为3.5，基板尺寸为53.6mm* 46.7mm*1mm。由式（1）可以计算求得Sierpinski 三角形分形辐射贴片的尺寸如下。初始S i e r p i n s k i 分形单元高度：ant H = 46.7mm 初始S i e r p i n s k i 分形单元宽度：W a n t = 53.6mm 第两次分形后分形单元的长度：L 1

= 17.1mm，L 2=16.1mm, L3=25.7mm，L 4=12mm 第两次分形后分形单元的宽度：W 1= 28.6mm，W 2=12.5mm 由微带贴片理论公式（2）、（3）计算加入短谐振枝节的尺寸如下。短谐振枝节长度：L 5=24.9mm 短谐振枝节宽度：W 4=1mm 通过1/4波长阻抗转换，加入长匹配枝节的长度为：L 6=34.6mm。

由于受介质均匀性、软件本身存在的仿真误差等影响，实际优化长度与理想计算长度会稍有偏差，最终设计天线以实际优化长度为主。3 仿真优化与结果分析

利用三维电磁仿真软件（Ansoft HFSS15.0）对天线结构、参数和辐射方向性进行仿真分析，仿真结果分别如图

3、图4图5和图6所示。

图3为只有分形结构和在分形结构上分别加载短谐振枝节、长匹配枝节时天线谐振点和回波损耗的对比。

图3加入不同枝节的天线回波损耗

由图3可知，当仅采用Sierpinski 分形结构时，产生低频1.7GHz 和高频3.5GHz 两个谐振点；加入短谐振枝节，可产生1.65GHz、2.4GHz、3.5GHz 3个

谐振点，与未加枝节时相比，低频1.7GHz 谐振点的位置发生前移，但产生了新的谐振点；加入长匹配枝节，产生1.8GHz、3.5GHz 两个谐振点，与加入短枝节相比，低频谐振点则向后移动，频点位置有所改善，但并没有产生更多的谐振点，因此，综合考虑加入短谐振枝节和长匹配枝节对频点位置的影响，若同时加入长短枝节则可以实现该天线多频化、小型化的设计。

图4为不同的耦合距离对天线谐振点和回波损耗的影响对比图。

图4耦合间距的优化

由图4看出，耦合距离的变化对天线谐振频率点位置的影响较小，但对回波损耗的大小影响较大，综合考虑3个频段的回波损耗，当耦合距离S=0.6mm时，回波损耗在3个谐振点处均达到-25dB 以下，达到最优。

图5为设计天线同时加入长短枝天线的谐振频点和回波损耗的变化图。

图5有无似对称枝节的天线结构仿真回波损耗对比

由图5可以看出，同时加入长短枝节以及耦合后，既增加了2.4GHz 谐振频率，也改善了低频1.7GHz 的频点位置和高频谐振处的带宽。

图6为天线在1.8GHz、2.4GHz 和3.5GHz 3个谐振点的E 面、H 面辐射方向。

(a 1.8GHz

(b 2.4GHz

(c 3.5GHz 图6 天线的E 面、H 面方向

图6中，该天线具有良好的全向远场辐射特性，说明背面采用了较窄的地结构设计该天线保证了天线在远场区等距离处辐射大小相等，实现全向辐射。将仿真天线模型导出版图进行加工，加工实物如图7所示。

(a 正面

(b）背面

图7天线加工实物 4实测结果与分析

将该天线通过SMA 连接器连接到矢网仪(Agilent Technologies E5071C 300 MHz~20 GHz 进行测试，测试结果如图8所示。

图 8 天线测试环境 将图 8 中测试结果导出并与仿真结果进行对比，对比结果如图 9 所示。图 9 天线仿真与测试回波损耗 图 9 中，天线仿真回波损耗在-10dB 以下的频段为 1.69GHz~1.85GHz、2.25GHz~2.54GHz、3.27GHz~3.69GHz，测试回波损耗在-10dB 以下的频段为 1.65GHz~1.83GHz，2.37GHz~4.1GHz。与仿真结果相比，天线测试结果中 1.8GHz 谐振频点 稍向前偏移，在 2.4GHz 和 3.5GHz 时，测试带宽与仿真带宽相比都有所提高，这主要是由 于材料及制作工艺存在误差引起的，在误差允许范围内,实测结果与仿真结果吻合。5 结语 利用分形天线结构的空间填充性和自相似性的优点实现了天线的小型化设计，通过加 入谐振枝节和匹配枝节实现了天线的多频化设计。采用三维电磁仿真软件（Ansoft HFSS15.0）进行仿真，并将该天线通过 SMA 连接器连接到矢网仪(Agilent Technologies E5071C

300 MHz~20 GHz进行测试，仿真和测试天线回波损耗在-10dB 以下的频率范围均 覆盖了 GSM1800（1710MHz~1850 MHz）、ISM（2.4GHz）、WIMAX(3.3GHz ~3.6GHz频段，实现了该多频化、小型化微带天线的设计。

第四篇：车载天线系统的电磁兼容问题

车载天线系统的电磁兼容问题

(摘要： 本文采用矩量法和微波网络理论相结台的方法分析了车载多天线系统的电磁兼容问题该方法先将天线系统等效为微波网络，然后采用矩量法求解该等效网络的导纳矩阵Y，利用该导纳矩阵就可求得天线问的耦台度文中也对发射功率较大的天线的近场分布进行了分析．

关键词： 电磁兼容；矩量法；网络；耦台度；近场

随着电子技术、通信技术的快速发展，越来越多的电子设备被集成在一个系统中，同时，一个电子系统可能需要几副甚至十几副工作在不同波段的天线来接收或发射电子信号，倒如一架飞机或一艘军舰上会装载各种各样的完成不同功能的电子设备丑其天线同一系统中不同天线的近场耦合很馒，严重干扰了各收发电台的正常工作，周此怎样预估及避免这种干扰，对于通信设备的正常工作关重要另外 当天线发射功率很大时，其周围的电子设备也会受到很强的干扰 而无法 正常工作．因此天线近场的预估也是电磁兼容的一十重要问题． 对于天线特别是线天线的分析计 算主要以矩量法(MOM)为主，文献[】，2]对矩量法做了十分详尽的论述．对于耦台度的求解 文献[3 采用近似公式法，得到较好结果，但只适合于半渡振子之间的耦台；另外还从矩量法求解天线时生成的导纳矩阵中取出两天线馈电段的自导纳和互导纳来计算天线问的耦台度，而两天线间的耦合不仅与导纳矩阵有关，还受天线的馈电方式以及匹配网络的影响因此这些方；击都存在一定的局限性．本文在前人工作的基础上 采用矩量法和微渡网络

理论相结合的方法，对一复杂车体上的多个天线问的耦合度进行了_十算，并得到大功率发射天线的近场分布，为多天线系统的电磁兼容问题的分析做了十分有意义的尝试 2 理论分析及矩量法建模

对于安装在车辆、飞机等上的线天线多涉及线面连接问题．常用的处理方法是将车体或飞机体用封闭的金属导体面近似，并在导体面上采用磁场积分方程来求解电流分布，在导线上采用电场积分方程来求解，而对于线面相连接的区域比较复杂，其积分域包括直线段和导体面，需要采用电场积分方程和磁场积分方程相结台来求解 ’采用矩量法进行求解时，首先将线天线分成若干段，将导体面剖分为若干个面元f矩形面元或三角形面元等)；然后选用合适的基函数，井将线上电流J¨)和面上电流，(rj分别展开成这些基函数的叠加在线上本文采用的的展开函数为正弦插值基幽数

If)=A + sinknl —)十 cosk0(f—f)If一‘l≤ ／2(1】

式中的f．为第i段的中心位置，△．为第i段的长度三个待定 参数 ．B． C 中的两个可通过线段两端的电流和电荷连续 性条件确定 另外一个参数通过矩量法求解．对于面元上的电流，为简化计算 采用脉冲基函数展开如下 土

= [J·，1，(rj)+(‘)](，)t2)式中 为第 个面元的中心位置．；．(0)和(01是面元上

处的两个相互正交的单位切向矢量，(，)为脉冲基函数，当，在第 个面元上时(，)=1，否则，(，)=0，参数JI 和J2y分别为第 个面元上在t 【)和t()方向上的表面电流密度，它们也通过矩量法求解 在天线和导体面相连接处的电流分布比较复杂，需要进行特殊处理．文献[5～7 中都对线面连接的问题进行r分析，图1 线面相连处的结构示意罔

其中文献[5]采用圆形连接段来处理此类问韪，但它要求圆面半径O．2^的条件．当天线架设位置离导体面边缘时很近时该条件往往无法满足，文献 6，7]中介绍的矩形连接段可以克服这一困难如图l示，取线面连接点周围的四个矩形面的区域进行单独处理为保证线面相连区域电流的连续性，ABCD面上电流须满足如下条件 v ’Js(，Y)=^(，)+『n(、y)(3)式中，)为二维 函数，v s为面散度，(，Y)是在ABCD区域上连续的函数，n是绒面连接处的电流．对式(3)的求解方法有很多，本文处理方法与文献E6]相类似．图2 发射大线和接收天线系统示意罔及其等效同络将上述电『癍展开并代人电场或磁场积分方程中，并采用点选配的方法进行检验，就得到了一个矩辟方程，求解该矩阵方程就可得到线上和面上的电流展开系数，进而可得到天线上和面上的电流、周围的近场、天线输^阻抗和远场方向图等参数．对于多天线同的耦合度可通过多端口微渡网络的方法来确定以三个天线为例．如图2示，假定天线I为发射天线，天线2和天线3为接收天线，可将三天线组成的系统等效为三端口微波网络；然后利用导纳矩阵元素求解方法 就可得到三端口网络的导纳矩阵已知三端口网络的导纳矩阵后，利用矩阵参数就可求得任意两个天线问的耦合度 例如天线I和天线2之间的耦台度为式中

．为天线1的输八功率； 2为天线2的接收功率； 2 为天线2的负载导纳；．为端口I的输^导纳，也就是图2所示的 线l的输人导纳 3 算法验证

本文算法主要涉及天线同的耦合度的计算问题，F面对本文算法进行验证表1分别给出 工作在300MHz的两个半波振子之间的耦台度以及工作在400NHz的两个半波对称振子之间的耦台度在不同间距上的计算值，同时给出利用文献l3：的近场耦合的近似公式求得的值计算中，取振子半径为Imrn，假定接收天线负载阻抗为50~hra由表中结果所示，本文计算值与近似公式的值吻合很好，而本文的结果为数值建模计算结果，具有更高的精确性同时，文献[3]公式只适合于计算半波振子天线，而且间距要大于等于一个波长，而本文算法适合于任意线天线间在任意间距上的耦合度计算，具有更广泛的适应眭通过这两个典型例子的计算和分析，充分说明了丰文算法是可行的，可以推广到分析实际工程的问韪中．表1 本文计算的天线耦台度与文献[3]计算结果的此较(单位：dB4 车载多天线间的耦台度及近场的计算结果和分析实际工程中天线相互同的电磁耦合干扰问韪往往是很复杂的 图3给出丁一个某通信车辆经过工程近似(忽略与波长相比很小的金属体，整个车体为封闭导体)后的示意图．车上放置多副HF天线、vHF天线和EHF天线，其中有接收天线也有发射天线，而且天线的工作频段相近，甚至部分频段相重合+由j一这么多的天线安装在车体这样相对很小的载体上，各天线之间的耦合干扰十分严重，必须对各天线同的耦合度进行分析按照前面所述的方法，对包括车体和天线在内的整个系统进行了建模计算计算中将整个车体划分为1735个矩形或三角形面元，离天线较近区域和车体边缘区域感应电流变化剧烈，其划分较细，离天线较远处例如车底平面划分较粗，并将所有天线总共划分为101段

4．1 天线间的耦台度分析

如图3所示，车体上有两副工作在2—30MHz的H}天线，分别发射和接收信号；两副 I作在30～88MHz的VHF天线，一副UHF天线由频带范围可 看出，HF发射天线的谐波会落到VHF接收无线的频带内而对其产生干扰；HF和VHF的谐波会落到UHF天线的频带内而对其产生于扰；另外还有其它形式的相互干扰因此 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耦台度 HF天线2(HF天线2被固定在车尾的后箱壁上，与车体不相连，中馈天线)和v吁天线I为例．分别考虑H}天线2的二次和三次谐渡对v吁天线I的干扰，经计算可得其耦台度表2 ttF天线2在二次谐波点上与VHI,天线1之间的耦台度表HF二次谐波(Ml)30 驺 36 39 42 45 48 51 57 60 耦台度(dB)一I4 7 —14 8 一I5 6 —18 6 —23，—30 0 —2]4 —26．0 —26 4 —26 6 —25 8 表3 HI,天线2在三次谐波点上与vHF天线1之间的耦台度表 HF三次谐波(MHz)30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 耦台度(dB)一14 7 —14．8 —15 6 —18 6 —23 7 —30 0 一l27 4 —26 0 —26 4 ～26 6 HF三次谐波(MHz)60 63 66 69 72 75 78 81 88 耦台度(dB)一25 8 —25 5 —23 5 —23．4 —21 0 —23 3 —25 5 —28 0 ～32 3 表2和表3分别给出厂HF天线2的二次和三次谐波点上HF天线2和VHF天线1之间的耦台度．由表可见，HF天线2二次谐渡对VHF天线1在60MHz 下形成于扰，HI"天线2的三次谐波对VHF天线I全波段于扰．耦台度最高选一14 7dB，最低也有一32 3dB、可见二者之问的耦台是相当强的当两天线同时工作13I、假设HF天线2为大功率发射天线而VHF天线1为接收天线．当VHF天线1工作频 刚好落在HF天线2谐波 附近时必将产生相当大的干扰，严重影响VHF天线1的接收性能，因此必须对此问题加 解决实际中首先要提高HF天线2的发射机抑制谐波的能力．使其谐波发射电平尽量小．另外也可 对两天线的工作频率等进行合理安排． 避免干扰．另外对其他天线之间的干扰及更高敞喈波的干扰情况电进行了计算分析．4．2 天线的近场分布图4和图5分别给出了HF天线2和Ⅵ 天线I在30MHz发射时，周围3O米范围内的 =0面h切向电场分布图计算中假定两无线在30MHz时的输八驻波比为3 0．天线系统辐射效率为80％，HF天线2发射功率为125W．VHF天线1发射功率为65w 罔3 车体及天线系统的 意罔巨4 HF犬线2住30MHz时 =0 暗l上切向场分布【刳从场强分布圈可清楚的看出车体t天线)附近的电场较大．离车体越远，电场越小；中同黑色K方形即为车体模型底平面，其上的切向电场为零：HF天线2位于车尾左删(图中右下方)．与车不相连．受车后平面遮挡 则天线附近<0．y<0处电场应较大．计算结果也证明了这一点；同理vHF天线1位于图中车顶平面上侧．受车体影响．其上侧电场应大于下侧电场，与计算结果相符；同时由图可看出 由于'~TIF天线1放在车顶有限地面上．其电场H面近场等值钱分布不再足同心圆．而ttF天线2受车后平面影响．其H面电场等值线分布也变化较大．由图可见发射天线周围的电场很大．发射天线周围蚓5 YHr天线I在31)MHz时 =0靠卜印向场分布图空间中的其他电子设备如通信设备、电子控制设备等要安装在合适的位置． 减少所受影响：对于较脆弱的设备和元件应该采用加屏蔽等措施进行保护．以免因电场较强烧坏元件而导致意外事故，另外对I作人员也应采取适当的保护措施． 5 结论

对r车载，舰船和 机等大型多天线系统．其电磁现象复杂．相互同的干扰严重．但由于模型复杂．其精确模拟相当复杂．而且受软件硬件的约束也很大国外对于这种大型系统的电磁兼容的计算分析已经很成熟．国内的研究相对较少本文第4 期 纪奕才：车载金天线系统的电磁兼容问题分析以一个复杂的车载多天线系统为例，采用矩量法与厨络理论相结合的方法，对天线间的耦合度进行了分析，并求出了大功率发射天线周围的场分布，以便预估天线间的相互干扰和对周围电子设备的潜在干扰．本文采用的模型复杂．电磁干扰现象严重，这样的模型更接近于实际工程中的问题．因此，本文的方法和实践对于实际工程中通信系统的电磁兼容问题的有效计算和预估有着十分重要的意义．

第五篇：某机载天线伺服系统电磁兼容设计及分析

某机载天线伺服系统电磁兼容设计及分析

【摘要】 本文采用近场电磁干扰源探测定位法分析了某机载天线伺服系统的辐射发射问题。通过对比测试数据确定码盘及开关电源为主要辐射源，针对码盘和开关电源辐射超标的问题采用屏蔽、接地和滤波等措施进行整改。在设计共模滤波器时使用仿真软件CST对滤波器的参数进行仿真，最后通过电磁兼容试验验证整改效果，确定伺服系统的电磁兼容性有明显的改善。

【关键词】 电磁兼容 辐射发射 屏蔽 滤波器设计

Design and Analysis of Electromagnetic Compatibility Problems of Airborne Antenna Servo System

Wang Xiao-yu，Liu Xin，Zhang De

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

Abstract：In this paper，electromagnetic interference sources detection method is used for the analysis of radiated emission problem of the airborne antenna servo system.By comparing the test data，it is confirmed that the main source of radiation is the encoder and switching power supply.In order to solve the problem of the encoder and switch power source radiation exceed the standard，a series of measures such as shielding，grounding and filtering are adopted to carry out rectification.The parameters of filter are simulated using the CST simulation software in the design of common mode filter.Furthermore，the rectification effect is verified by the electromagnetic compatibility test.It is found that the electromagnetic compatibility of the servo system is improved obviously.Keywords：Electromagnetic compatibility，Radiation emission，Shielding，Filter design

一、引言

电磁兼容（EMC）作为一门综合性的前沿学科，在20世纪末、21世纪初的电气及电子科学中得到迅速发展，对理论及工程实践紧密结合的要求越来越高[1]。

现代社会中飞机、舰艇、汽车等各种平台在狭窄的空间中安装了各种功能的电子设备，在工作时这些设备会产生电磁干扰，对其它设备的正常工作产生影响[2，3]。短波通信是现代飞机等载体完成任务、保障安全的重要通信手段。随着技术的进步，各种飞行器对通信质量的要求日益高涨，导致飞行器上电子通信设备的种类和数量不断增长。由于通信设备都安装在飞行器壳体上，以壳体作为共地点，而在飞行期间壳体与大地并无连接，导致设备间的电磁兼容成为不可忽视的问题 [4，5]。

二、故障现象及分析

用户在使用过程中发现，当伺服系统工作时，会导致短波/超短波系统有效通信距离缩短。使用频谱仪观察短波/超短波天线接收信号频谱，在伺服系统工作时，在10MHz～200MHz频段范围内短波/超短波天线底噪有明显抬升，抬升幅度随频点不同，但最小幅度也大于10dBm。伺服系统组成如图1所示，组成伺服系统的各设备通过互联线缆进行通信。

采用电磁兼容三原则法进行分析，伺服系统是辐射源，短波/超短波天线是受影响设备，而伺服系统和短波/超短波天线之间无任何线缆连接，并分别由各自系统的隔离电源供电，因此干扰信号无法通过传导方式达到受影响设备。并且由于伺服系统的供电和信号电缆长度超过10m，而10MHz信号的波长约为30m，电缆长度已满足L≥（λ/20）的辐射发射条件，由以上条件判断辐射发射为干扰信号的传输路径。为解决该辐射发射问题，按照GJB 151A-97中对机载设备的辐射发射要求，对伺服系统进行垂直极化RE102测试，测试结果如图2所示，测试曲线在30KHz～500MHz范围内频谱严重超限，同时包括窄带尖峰噪声、宽带噪声和高密集型尖峰群噪声三种情况。

采用频谱仪和德国安诺尼公司生产的PBS系列近场探头对组成伺服系统的每个设备和设备间的互联线缆进行辐射发射检查。使用电场探头分别在距互联线缆10cm和20cm的位置进行测量，观察频谱仪上测试曲线的峰值变化并将数据记录于表1。采用对比法分析，由峰值变化可判断辐射类型主要为电场辐射。同时按照频谱仪上曲线峰值及包络的强弱排列，可得开关电源、码盘、设备间的互联电缆为主要辐射源。

三、分析及整改措施

针对产生辐射的设备进行分析和整改，按照整改措施的难易程度进行排序为互联电缆、码盘和开关电源，具体措施如下。

3.1 互联线缆

由于在进行伺服系统设计时，未考虑电磁兼容设计，所有的传输线均未使用屏蔽线缆，同时为走线美观，将信号线和电源线集中捆扎，导致线缆间耦合严重，线缆整体成为发射天线。

3.2 码盘

由于码盘在设计时已采用金属壳体进行屏蔽，因此对其使用近场探头进行检测。检测发现辐射发射在码盘插座与壳体连接处最强，拆下插座发现插座上安装的密封胶圈是绝缘体，破坏了码盘整体的电连续，将该密封胶圈更换为导电胶圈后，插座连接处的辐射发射有明显降低。同时在码盘的电源线和信号线上采用馈通滤波器LT1-200-332进行滤波，并将滤波器外壳有效接地，再次进行RE102测试，测试曲线已满足GJB151A-97的要求。

3.3 开关电源

采用靠测法，使用200MHz带宽的示波器测量开关电源的输入及输出端的电压变化，在开关电源工作时观察到输入输出端电压均叠加有高频共模噪声，将共模噪声在时域展宽后如图3所示。

在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）软件，该软件强大的仿真能力解决了以上滤波器设计所面对的问题。设计共模滤波器如图4所示，采用该共模滤波器并匹配合适的参数可有效抑制开关电源输入和输出端的共模噪声。经仿真可得共模滤波器在不同参数下的特性曲线，如图5所示。

按照仿真结果设计共模滤波器，在电源输入及输出端串入共模滤波器后，对开关电源进行RE102测试，测试结果如图6所示，开关电源的辐射发射已满足GJB151A-97的要求。

采用以上措施对伺服系统进行整改后，再次进行RE102测试，测试曲线如图7所示，图7-a为水平极化测试曲线，图7-b为垂直极化测试曲线，由图7可知，伺服系统的辐射发射在垂直和水平两个极化方向上都能满足GJB 151A-97中机载设备的电磁辐射发射要求。

四、结论

本文采用近场电磁干扰源探测定位法对组成伺服系统的各个设备与互联线缆的辐射发射情况进行了分析，依据分析结果确定电场辐射是干扰信号的主要传输路径。从电磁兼容问题产生所必需具备的三要素出发，采用切断传输路径及减少辐射源等措施对伺服系统进行了整改。在设计共模滤波器时引入仿真分析软件CST对滤波器的参数进行计算，确保整改后的伺服系统顺利通过了水平和垂直两个极化方向的RE102测试，改善了伺服系统的电磁兼容性。

参 考 文 献

[1] 戴斌，张炫.某雷达产品关于RE102试验问题分析[J].火控雷达技术，2012，41（1）：76-80

[2] 薛正辉，高本庆.机载短波天线间隔离度的全波分析[J].电波科学学报，2000，15（4）：477-481

[3] 纪奕才，邱杨，陈伟，等.车载多天线系统的电磁兼容问题分析[J].电子学报，2002，30（4）：560-563

[4] 刘莹，谢拥军，张勇.车载集群通信系统“自顶向下”电磁兼容设计[J].电子科技大学学报，2010，39（5）：720-724

[5] 田锦，谢拥军，辛红全，等.复杂系统电磁兼容评估的改进TOPSIS方法[J].电子学报，2013，41（1）：105-109