黃大志，徐慧麗，呂繼方

(江蘇海洋大學 海洋工程學院，江蘇 連云港 222005)

0 引言

隨著救援需求的不斷發(fā)展，水面救生機器人應用越來越廣泛。水面救生機器人的工作環(huán)境大多惡劣，救援工作要準確快速安全地進行，必須全程都能接收到信號且不能出現(xiàn)盲區(qū)，因此對于整個系統(tǒng)的可靠性要求較高。不同的水面情況對電磁波的反射能力不同，因此對天線的性能可能有著不同程度的影響，但總體影響較小，所以本文暫不考慮水面情況對天線的影響。隨著現(xiàn)代社會新科技的不斷發(fā)展，越來越多的電子設備搭載到面積有限的工作平臺上，導致上面的天線數(shù)量增多，而這些天線有著各種不同的類型以及工作的各種頻段等，使得平臺上的電磁環(huán)境比較復雜。所以對于水面救生機器人平臺來說，如何改善電磁兼容性是個繞不過的難題[1]。改善電磁兼容性有很多方法，本文采用對天線位置進行分析的方法來降低天線間的耦合度[2]。

電磁兼容在車載、機載等天線[3]上應用的案例比較豐富，研究者在研究如何使用天線的問題上常常使用數(shù)值仿真技術。越來越多的國內(nèi)外學者研究復雜電磁環(huán)境中的電磁兼容性問題。文獻[4]在分析民用飛機的天線布局時提出可以使用矩量法，文獻[5]利用時域有限差分法，文獻[6]從場的角度運用矩量法和時域有限差分法混合法，對多根天線在車輛上的電磁兼容性問題進行研究。關于水面救生機器人天線問題的研究相對較少，但是對于水面救生機器人同樣也存在類似的問題，當多根天線作用時，天線與天線之間會相互影響，故而達不到想要的天線作用效果[7]。研究車載天線電磁兼容問題多使用廣義S參數(shù)理論[8]，本文采用正在研究實驗的產(chǎn)品并參考S參數(shù)理論，分析水面救生機器人天線間的耦合度，以期對布局水面救生機器人天線工作提供參考。

1 模型建立與分析

以水面救生機器人天線間的電磁兼容為對象，分析天線間的電磁耦合度。首先使用Solidworks軟件畫出簡化后的水面救生機器人模型，尺寸約為1 165 mm×873 mm×280 mm，將得到的水面救生機器人簡化模型導入到CST軟件中，并在機器人上畫出天線的模型，如圖1所示。

圖1 水面救生機器人三維簡化模型

被救援人員要依附在小型尺寸的水面救生機器人上，對于天線的設計尺寸要盡可能小。設計頻段為2～4 GHz的鞭狀天線，半徑為0.4 mm,長度為23 mm。由于水面救生機器人殼體以及內(nèi)部器件會對天線產(chǎn)生影響，為了體現(xiàn)該影響將鞭狀天線模型放置于有限大尺寸的理想導電平面上。如圖2所示，導體平面尺寸取與水面救生機器人中心凹陷尺寸相近的矩形平面100 mm×100 mm，天線底端距離該平面0.5/2 mm。另外，天線的放置位置、天線的數(shù)量等都會對天線產(chǎn)生一定的影響[9]，通過仿真分析對比天線在上述情況下的天線圖情況，為后續(xù)研究天線的耦合度提供參考。

圖2 理想情況下鞭狀天線模型

天線間的電磁耦合是指兩副或兩副以上的天線之間存在互感，使得天線間的電磁能量變化相互影響[10-12]。如圖3所示，當接收天線接收到發(fā)射天線發(fā)射的電磁波時，兩副天線之間會產(chǎn)生電磁耦合。通常用耦合度來表示：

圖3 天線耦合示意圖

(1)

即接收天線端口的凈輸出功率與發(fā)射天線端口的凈輸入功率之比。式中，C(dB)為天線間電磁耦合度；Pout為接收天線的凈輸出功率；Pin為發(fā)射天線的凈輸入功率。

如圖4所示，根據(jù)微波網(wǎng)絡知識，兩副天線(收發(fā)天線)系統(tǒng)(見圖3)可以等效為二端口網(wǎng)絡。發(fā)射天線連接在端口1處，接收天線連接在端口2處，此時端口2處的天線有著網(wǎng)絡匹配的狀態(tài)。

圖4 二端口等效網(wǎng)絡

由圖4可知，二端口網(wǎng)絡的S參數(shù)矩陣為

(2)

端口2的輸出功率為

(3)

端口1的輸入功率為

(4)

由于端口2處于阻抗匹配狀態(tài)，則

(5)

(6)

當端口1也匹配時，S11=0,由此可得天線間的耦合度為

C=10log(|S21|2)。

(7)

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 天線的放置位置、天線的數(shù)量對天線的影響

2.1.1 天線放置位置的影響 選取導電平面尺寸長為100 mm，寬為100 mm，材料選擇理想導體材料PEC。如圖2所示，首先將天線放置于導體平面的中間然后進行仿真分析。圖5為天線放于平面中間3 GHz時E面、H面的方向圖。當頻率為3 GHz時，波長λ=100 mm，與導電平面尺寸相等，由于導電平面的長寬也相等，所以天線的能量基本不會沿著平面向下輻射，且沿x軸和y軸輻射的能量也大致相等，對天線的耦合程度也差不多。

a E面方向圖

圖6為天線分別在2.6，2.8，3.0,3.2,3.4 GHz時phi=0°的二維方向圖。天線頻率越高，波長越長，3.2 GHz和3.4 GHz時，此時波長大于導電平面尺寸，部分能量會輻射到導電平面之外，方向圖的后瓣也開始增多，頻率越高，后瓣會越多。

圖6 phi=0°時天線二維方向圖

圖7為天線放置在導電平面邊緣處的模型圖。將天線放在平面的邊角處(x軸和y軸的正半軸方向)，且與x軸、y軸導電平面的邊緣距離均為10 mm。

圖7 天線置于導電平面邊緣處模型

圖8為天線放置在導電平面邊緣頻率在3 GHz時的天線方向圖。此時邊緣天線的輻射將產(chǎn)生很大的變化。從圖8a放置在邊緣的三維圖可以看出，導電平面對天線的輻射更集中在x軸的負半軸方向和y軸的負半軸方向，而靠近邊緣的能量會向下輻射。因此從圖8b可以看出存在很大后瓣[13]。

a 三維方向圖

2.1.2 天線數(shù)量的影響 由于實際工程中均不止一副天線，所以分析多副天線的情況。上述分析了一副天線置于導電平面x軸y軸正半軸的天線情況，現(xiàn)將同樣一副天線置于x軸負半軸、y軸正半軸方向，如圖9所示。此時兩副天線1#和2#關于yoz面對稱，距離為80 mm。

圖9 天線模型示意圖

圖10為1#天線在2～4 GHz頻段最大增益曲線圖。圖10a為一副天線置于導電平面右上側(cè)邊緣時的最大增益曲線圖，圖10b為兩副天線置于導電平面邊緣時右上側(cè)天線的最大增益曲線圖。可以看出兩副天線最大增益略大于只有一副的情況，所以當放置多副同種天線時，其最大增益會因為多副天線間的耦合作用而增加。

a 一副天線置于導電平面邊緣時

通過上述分析，天線放置位置和天線數(shù)量等都對天線性能產(chǎn)生影響。位置不同時，天線方向圖會有所變化；天線數(shù)量增加時，天線的最大增益會因為耦合作用而增加。

2.2 理想導體平面上收發(fā)天線的電磁耦合度

根據(jù)前述取兩副同樣的鞭狀天線工作頻率為2～4 GHz，同樣將它們放在理想導體平面上，同時天線的結(jié)構(gòu)尺寸與導體平面尺寸不變，上述1#天線和2#天線之間的距離為80 mm，現(xiàn)改變兩根天線之間的距離，距離為x(如圖11所示)，然后進行參數(shù)掃描，仿真得到如圖12所示的天線間的耦合度。

圖11 天線模型示意圖

從圖12可以看出，天線之間的距離與耦合度成反比，即隨著兩副天線之間的距離逐步減小，天線間的電磁耦合度增加。當1#天線與2#天線距離x≥40 mm時，在2～4 GHz天線間的電磁耦合度均小于-10 dB;當x一定時，在同一頻段內(nèi)，隨著天線工作頻率的變化，天線間的電磁耦合度呈非線性變化趨勢，所以可以選擇不同的工作頻率來調(diào)整天線間的電磁耦合度[14]。

圖12 理想導體平面上天線的電磁耦合度

2.3 水面救生機器人上收發(fā)天線的電磁耦合度

如圖11所示，將相同兩副天線放置在水面救生機器人上，開始時1#天線和2#天線之間的距離為80 mm?，F(xiàn)改變兩根天線之間的距離，同樣距離為x，仿真得到如圖13所示天線間的耦合度。

圖13 水面救生機器人天線的電磁耦合度

從圖13可以看出，總的趨勢依舊是隨著兩副天線之間的距離逐步減小，天線間的電磁耦合度增加。當兩副天線距離為70 mm時，此時耦合度達到最小。與圖12對比可知，天線放置在水面救生機器人上時，由于水面救生機器人的材料相對介電常數(shù)較小，所以天線間的耦合度呈下降趨勢。因此可知該水面救生機器人的材料對天線間耦合度的影響較小，所以對于后續(xù)水面救生機器人天線布局時，可只考慮天線間的耦合度關系。

最后根據(jù)天線本身的性能及上述仿真結(jié)果總結(jié)天線的設置參數(shù)以及放置位置：采用兩副頻段為2～4 GHz，半徑為0.4 mm、長度為23 mm的天線，考慮到后續(xù)其他天線的布局，初步將此鞭狀天線放置在水面救生機器人的邊緣處。

3 結(jié)論

本文建立了水面救生機器人以及該機器人上天線的模型，然后根據(jù)S參數(shù)理論，得出接收天線和發(fā)射天線之間的電磁耦合度方程。利用CST仿真軟件分析了天線放置在不同位置、天線的數(shù)量對天線方向圖、增益等的影響，同時根據(jù)前面分析結(jié)果又分析了理想導體平面上天線的耦合度。結(jié)果表明，天線的放置位置、天線數(shù)量都對天線的方向圖、增益等產(chǎn)生一定的影響以及天線間的耦合度隨著天線的間距增大有減小的趨勢。本文的建模過程與最后得到的結(jié)果，可為后續(xù)水面救生機器人天線的電磁兼容分析提供參考。