机载通信系统EMC设计中天线布局优化设计

电磁兼容性研究专辑２００４年第２４卷

舰船电子工程

ＳｈｉｐＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

１１０

机载通信系统ＥＭＣ设计中天线布局优化设计

邱扬俞智敏袁军田锦

（西安电子科技大学机电工程学院西安７１００７１）

摘要：首先介绍了电磁兼容（ＥＭｃ）技术中计算天线间耦合度的一种数学模型并在此基础上提出了机载通信系统天线布局优化的目标函数，然后详细介绍了利用遗传算法（ＧＡｓ）实现天线布局优化的方法，最后给出了一个优化实例。

关键词：电磁兼容；优化；耦合度；天线；遗传算法中图分类号：ＴＮ０３

１

引言

天线作为一种高效的发射和接收设备目前应

用十分广泛，车辆、飞机、舰船以及各式各样的通信设备几乎都离不开天线，因此，天线的干扰特性研究也就成为ＥＭＣ技术中不可忽视的一个课题。在ＥＭＣ技术中，衡量天线间干扰程度大小的一个重要指标参量就是耦合度，而ＥＭＣ设计时天线的布局优化设计也是从如何降低天线间的耦合度提高其有用信号的传输效率的角度出发的。

在机载通信系统中，由于系统中无线通信设备比较多，而且由于考虑到飞机的飞行性能，安放天线的位置有一定的局限，因此系统中ＥＭＣ问题比较突出。在系统上装设备自身ＥＭＣ性能无法在提高的前提下，要降低这种干扰只能通过天线布局优化的方法，通过降低各天线对间的耦合度达到减小干扰的目的。

传统的ＥＭＣ设计中天线布局优化大多是采用实测试探的方法，拟定多个方案进行布局实测，然后从多种天线布局中选取一种最优的方案。这种方法由于缺乏理论上的指导往往试验了很多种方案后仍不能找出一种最好的方案，白白耗费很多时间。因此，寻找到一种天线布局设计快捷而准确的方法很有必要。本文首先介绍了机载天线间耦合度计算的一个数学模型，并在此基础上提出了天线布局优化的目标函数，然后采用遗传算法（ＧＡｓ）这种前沿的数学优化算法给出了机载通信系统ＥＭＣ设计中天线布局优化设计的一种方法。

２耦合度计算的数学模型

耦合度是判断天线间干扰程度的重要参数，对于机载通信天线由于天线间距离较大且工作频率

万　

方数据较高，可以把天线间的干扰考虑为远场干扰。

天线间耦合度定义如下：

ｐ

ｃ＝１０ｌｏｇ等

（ｄＢ）（１）

１￡

上式中Ｐ，接受天线端口的输入功率，只是发射天线端口的输出功率，如图１所示。

发射人±ｋ

接【险尺｝Ｐ

图１发射及接收天线系统

式（１）只适用于远场耦合度计算，其中

１

ｐ一旦！鱼鱼！墨：兰

，，，、

７（４ａ＇Ｌ、２

、‘７

上式中，Ｇｆ和Ｇ，分别是接收天线及发射天线的增益，Ａ为波长，Ｓ是接收及发射天线间的极化匹配系数，Ｌ是两天线间的最短距离。把（２）式代入到（１）中，就可以得到远场耦合度的计算公式：

Ｃ＝１０ｌｏｇ（Ｇｆ）十１０ｌｏｇ（Ｇ，）＋ｌＯｌｏｇ（Ｓ）＋

２０ｌｏｇ（彘）

（３）

考虑到机身的遮挡效厦，应该在机载通信系统大线

间耦合度计算公式中加入屏蔽系数［１｜。

Ｋ１２煮Ｋ＝ｌＯｌｏｇｌｏＫｌ（４）

上式中

Ａ２

１０．Ｙｒ．２。吖／厄２ｚｒ

（５）

叩和善的值取决于Ａ的值，如下

一』５．４７６ｘ

１０～，当Ａ＜２６

，７２弋３．３４０×１０一，当Ａ：＞２６３４０…

。‘

‘

【３．

×

１０

一，当

Ｉｂ，

’

ｒ＝｛０．．５０８３，，当兰ｉ

＇，一，

｛．０２５６２１２＜≥，当Ａ≥２６

ＡＡ：

，１、

（７）…７

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（５）式中，』Ｄ是圆柱的半径，哦是两天线的夹角，Ｌ

是两天线间的最短距离，详见图２。

此求天线间最短距离的问题就可以等效为求解圆柱体表面两点间在圆柱体表面上的最小距离，如图４所示。显然在直角坐标系（Ｘ，Ｙ，ｚ）中求这个距离比较复杂，我们把其转化到圆柱坐标系（１Ｄ，妒，Ｙ）图２屏蔽系数计算模型

加入屏蔽系数后，耦合度公式如下Ｃ＝１０ｌｏｇ（Ｇｚ）＋１０ｌｏｇ（Ｇ，）＋１０１０９（Ｓ）．＋

２０ｌｏｇ（４－瓮）一Ｋ

（８）

下面本文将介绍耦合度公式（８）中一些参数的计算

过程。

２．１天线极化匹配系数

这里我们把接收和发射天线都看成线性极化，见图３。图中～ｒ，ｏ是发射和接收天线极化平面的夹角，Ｅ，和Ｅ，分别是两天线的产生的电场强度。

图３天线线性极化

接收天线上的感

应电动势Ｐ与就接收天线的高度ｈ、Ｅ。及ｃｏＳ妒成正比，见下式

ｅ～ｈＥｆ（娜９

（９）

从上式可以知道接收天线收到的干扰功率Ｐ，正

比于

Ｐ，～ｈ２Ｅ２，ｃｏｓ２ｓ０

（１０）

极化匹配系数是标量，它没有方向性，见下式

Ｓ＝｝

（１１）

１

ｒ∽

式中

Ｐ，～厶２Ｅ；

（１２）

把（１２）代入（１１）式中得到极化匹配系数如下

ｓ—ｈ２Ｅｆ２２ｔＦｃ０２ｓ２翌：１（１３ｃｏｓ＂ｃｐ２

５一＾２Ｅ；

）

从式（１３）中可以看出当两天线极化方向相同，即妒＝０时，匹配系数最大为Ｓ＝１。２．２天线间最短距离Ｌ

计算过程中把飞机机身等效为一个圆柱体，因

万　

方数据中求解，这里

Ｐ＝√，２ｃ２＋ｚ２

（１４）

９的值取决于直角坐标系中ｚ和ｙ的大小及符号

妒２ｔａｎ－Ｉ

ｌ詈Ｊ，当ｘ＞Ｏ，ｚ≥ｏ

（１５）９＝詈，当ｚ＝ｏ，２＞ｏ

（１６）Ｐ＝丌＋ｔａｎ－１

ｌ互ｌ，当ｚ＜ｏ

（１７）９＝詈，当ｚ＝ｏ，ｚ＜Ｏ

（１８）９

２

２丌＋ｔａｎ。１

ｌ詈Ｊ，当ｘ＞Ｏ，ｚ≤ｏ

（１９）

图４天线间最短距离

从图４中可以看出，在圆柱坐标系中，安装在机身上的两天线之间沿着机身表面的最小距离为

Ｌ＝√』Ｄ２（驴，一ｑ）ｔ）２＋（ｚ，一ｚ￡）２

（２０）

式中，Ｐ表示机身的半径，下标ｔ和ｒ分别代表接收和发射天线。

３天线布局优化的数学模型及实现

３．１优化模型

在前面的论述中，我们建立了机载通信天线问耦合度计算的数学模型，在此基础之上，我们接下

来建立天线布局优化设计的数学模型。

如前所述，工作在一定频率下的天线间耦合度只与两天线间距离有关，因此天线布局优化中自变量就是天线的几何坐标而耦合度就是随天线的几何位置参量而变化的因变量。

对于一个多天线系统，在进行ＥＭＣ设计时，天线布局优化的目标是降低整个天线系统的耦合度，即要使所有天线对耦合度值的整体趋势保持最

邱扬等：机载通信系统ＥＭＣ设计中天线布局优化设计

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低，而不是只保证某对天线的耦合度能达到最小值。对于一个Ｎ天线系统，其耦合天线对的数目

为ｍ＝ｃ南，由此我们结合权重系数法给出天线布

局优化的目标函数表达式如下：

厂（缈）＝∑让，ｊＣｉ（缈？，缈ｉ，９ｊ……）

ｉ＝１

缈厶湘≤缈？≤缈ｆｎ。哕嘉１ｉｎ≤，啦≤哕ｉ。。（２１）

缈嘉１ｉｎ≤缈；≤缈互一

上式中解向量为缈＝［缈１，哆２，哕３……］Ｔ，解

向量中各元素为天线对中各天线的几何位置参量。叫ｉ为第ｉ个天线对的权重系数，代表这对天线问的耦合度在整个系统的耦合度曲线中的重要程度，

Ｇ（妒）为这对天线以几何参量为自变量的耦合度

函数。

３．２优化算法及优化过程的实现

从优化模型看出，优化过程实际上是一个有约束条件的最小值问题。遗传算法（ＧＡ）适用于各种各样复杂形式的函数，比如连续函数、离散函数、凹函数、凸函数、低维函数、高维函数、确定函数和随机函数。它的执行条件简单，只需要搜索方向和相应的适应度函数，而且它采用的是多点概率搜索法，执行效率高。因此我们采用ＧＡ来求解这个问题。

首先要对解向量进行编码，将７１维向量缈＝

［缈１，峨，…，叱：ｒ用卵个记号吼（ｉ＝１，２，…，７＂／）

所组成的符号串缈来表示：

ｘ／ｔ＝缈１皿２…职，辛缈＝ｌ缈１，尘２，…，吼ｊ

１

（２２）

把职看作一个遗传基因，这样缈就可以看

作是行个遗传基因构成的染色体。所有的染色体缈组成了问题的搜索空间，因此对问题的最优解的搜索是通过对染色体缈的搜索来完成的。染色体缈也称个体缈，在本文的算法中，对于每一个个体我们通过以下公式函数计算其对应的适应度。

耻，《≯吖㈣卜鞣篆乏ｃ２３，

遗传算法的对象是由Ｍ个体组成的集合，称为群体。算法是一个反复叠代的过程，第ｔ代群体

表示为Ｐ（ｔ），过经一代遗传及进化后，得到ｔ＋１代群体，以此类推，群体经过不断的遗传及进化，并且每次都按照优胜劣汰的规则把适应度较高的个体更多的遗传到下一代，这样最终在群体中能够得

万　

方数据２００

４年第２４．卷

到最优良的个体９，对其进行解码就能得到问题的最优解。遗传算法中主要用以下三种算子对群体进行遗传操作：

选择算子； 交叉算子； 变异算子。

图５遗传算法运算过程示意图

图５中所示为遗传算法的运算过程示意图。在本文的遗传算法优化过程中，遵循以下几条基本原则：

（１）优化变量采用二进制编码方式；（２）采用轮盘赌选择方式；（３）采用当点交叉算子；（４）采用二进制变异。

４天线布局优化实例

下面我们将给出一个飞机机身天线布局优化的例子。如图５所示，机身长为４０米，半径为２米，在机身腹部共准备架设３根ＵＨＦ，例子中假定有一根天线的位置固定，其坐标为（０，１５．０，一２．０），单位为米。

图６飞机模型

图６中坐标系的选择与图２相同。对于第二和第三根天线我们对它的安装范围进行了限定，要求如下：

ｆ一２．Ｏ≤ｚ２－－＜２．０

ｆ一２．０－＜Ｘ３－＜２．０

＜５．Ｏ－＜ｙ２≤１０．０

＜２０．ｏ≤ｙ３≤２５．０

ｌ一２．０－＜ｚ，－＜０

ｌ一２．０－＜ｚ３－＜０

当然，为了保证天线安装在飞机表面，上面式

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子中ｚ和Ｙ坐标还必须满足以下条件：

√ｚ２＋ｚ２＝２．０

厂——百—ｉ————一

多花一点运算时间，算法与算例中一样，当然本文中的耦合度模型只适合于远场的计算，对于天下间距离比较近的问题，应该采用近场公式计算。５

给定上述条件后我们就可以通过遗传算法确定第２和第３根天线的位置以使这三根天线间的干扰特性在ＶＨＦ频段内达到最优。在此我们给出６００ＭＨｚ这个频点的优化实例，对于其它的频点优化过程完全相同。

由于天线工作的频点为６００ＭＨｚ，各个天线问

结束语

本文通过建立天线布局优化的数学模型，为电

磁兼容技术中的天线布局设计技术提供了理论上的支持，使优化过程有理可依，增强了优化过程的准确性；而采用遗传算法这种比较先进的数学优化算法作为天线布局优化的算法又使优化的效率得到了充分的保证。对实际工程中机载天线的布局优化有较好的指导作用。

参考文献

［１］Ｍ．Ｄ．Ｓｉｅｇｅｌ．Ａｉｒｃｒａｆｔ

ｙｓｉｓ［Ｍ］．ｉｎ

ａｎｔｅｎｎａ—ｃｏｕｐｌｅｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎａｌ—

的耦合方式为远场耦合，因此可以应用本文中的耦

合度模型来计算天线问耦合度。

对于这个简单的天线布局优化的算例，采用ＳＭＡ只用一两步叠代就确定了天线２和天线３的最优位置。天线２的坐标为：

Ｘ２＝一２．０ｍ，ｙ２＝５．０ｍ，Ｚ２＝０；

天线３的坐标为：

ｚ３２２．０ｍ，Ｙ３２２５．０”ｚ，Ｚ３２０；

Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．ＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｆ．，ＯＨ，

各个天线间的耦合度值如下所示：

Ｃｌ＝一４８．８８ｄＢ，Ｃ２＝一５８．９５ｄＢ，Ｃ３＝一４８．８８ｄＢ；

１９６９：５３５—５４０

［２］Ｅ．Ａ．１ｂａｔｏｕｌｌｉｎｅ．Ｅｌｅｃｔｍｒｎａｇｎｅｔｉｅ

ｎａｓｏｎ

ａ

ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆ

ａｎｔｅｎ—

ｍｏｂｉｌｅｂｏａｒｄ［Ｍ］．ｉｎＰｒｏｃ．３州Ｉｎｔ．Ｓｙｕｍｐ．ＥＭＣ，

———霎嬖鐾篙｝—旦

最大世代数

求解过程中遗传算法运行参数的设置如表１所示。

表ｌ遗传算法运行参数

Ｓｔ．Ｐｅｔｅｒｓｂｕｒｇ，Ｒｕｓｓｉａ，１９９７：７９—８３

考虑到系统中各天线对间耦合重要性都是

［３］王小平，曹立明．遗传算法一理论

［Ｍ］．西安交通大学出版社，２００２

应用与软件实现

００１化优上以此因，的同相１…１…’““”。””。

［４］周明，孙树栋．遗传算法原理及应用［Ｍ］．国防工业出

版社。１９９９

［５］陈穷．电磁兼容性工程设计手册［Ｍ］．国防工业出版社，

１９９３

萎蚤耄

交异率

｝：’６０１取值权个个秋值职。舁例甲优１。算例中优

．

０３

—鎏色鲣幽￡——垒Ｑ＿一

化变量较少，随着天线

［６］刘鹏程，邱扬．电磁兼容原理及技术［Ｍ］．高等教育出

版社，１９９３

数量的增加。优化过程中只是增加了优化的变量，

七手卜Ｓ石吨手ｈｏ石吨手＾＃；吨手ｈ吕写＼！多ｈ＝写吨乒ｈ＝写屯＃ｏｏ石飞手ｈ＃君吧≠卜＝写＼！乒斗＝写世ｆ＾ｏ五Ⅵ多卜。写＼！手ｈ！宕世手卜＝写飞外Ｓ写吨手卜＝写飞手ｎｏ石＼哆孙＝写ｑ彳ｈ＝写Ⅵ≠乱Ｓ写℃≠卜＝写Ｙ手＾＝五＼彳｝瞬（上接第１０４页）

数据遭到破坏，影响程序的正确运行，可在ＲＡＭ相距较远的不同区域内存放若干个数据备份，并在该数据区的特定单元内存入标志字，当发现某些标志遭到破坏时，可在其余的备份数据区调用备份数据恢复它，这样，可使部分数据出现差错时不影响系统的正常工作。３．６．２在外存中保护

定时将需要保护的数据送到外存存放，重新启动后调出来使用，使系统受到的影响减少。３．７程序固化

通信和控制系统中的专用操作系统软件应当固化在内存中，可以提高系统软件可靠性。４

出版社，１９８９

［２］王定华．电磁兼容原理与设计［Ｍ］．电子科技大学出版

社，１９９５

［３］高树先．军用加固计算机抗干扰技术［Ｊ］．红外与激光工

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［４］周玉兰，牟安成．海军舰船电磁兼容性技术［Ｍ］．海潮出

版社，１９９９

［５］太原市依福特电子技术有限公司．电磁兼容技术指南

［Ｃ］，２００３

践中遇到的普遍问题，在工作中必须认真分析各种干扰信号的来源，采取各种有效措施，提高系统的可靠性。

参考文献

［１］［日］山奇弘郎．电子电路的抗干扰技术［Ｍ］．北京：科学

结束语

通信和控制控制系统的抗干扰设计是工程实

万方数据　

机载通信系统EMC设计中天线布局优化设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

邱扬， 俞智敏， 袁军， 田锦

西安电子科技大学机电工程学院,西安,710071舰船电子工程

SHIP ELECTRONIC ENGINEERING2004,24(z1)

参考文献(6条)

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引用本文格式：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[期刊论文]-舰船电子工程2004(z1)

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