基于輪式裝甲車的4單元MIMO天線布局設計*

袁 楠，王嘉豪，許家輝，賈蕓倩

(桂林電子科技大學,廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著信息科技的發展以及通信需求的進一步提升,裝甲車通信系統開始向著多天線和集成化的方向發展,越來越多的天線被安裝在裝甲車上來提供各種各樣的功能[1],例如:短波通信、衛星通信、衛星導航、敵我識別等等。在眾多的候選天線中,單極子天線和鞭狀天線具有成本低、易于集成、全向輻射性等特點并且天線結構對裝甲車通信系統整體性能的影響最小,因此受到了廣泛關注。

然而在裝甲車通信系統中,除了外界復雜環境的干擾外,天線和天線之間的耦合以及裝甲車車身的遮擋也會導致天線性能的下降和方向圖畸變,這些內部干擾對裝甲車通信系統的正常工作造成了很大的影響,因此針對裝甲車車載天線電磁兼容特性的研究應運而生。文獻[1]研究了無線電軍用戰術車輛車載大功率發射天線的電磁干擾問題,利用時域有限差分法提高了天線建模的精確度;文獻[2]介紹了一種適用于單極子天線的去耦技術,通過阻抗計算以及使用寄生去耦結構來減小兩個緊密耦合天線之間的互耦;文獻[3]設計了一種坦克車載天線的布局方案,利用CST軟件對天線的方向圖和增益等性能進行了仿真分析,但是所建立的模型較為簡單無法準確模擬出真實的電磁環境。

本文提出了一種輪式裝甲車4單元MIMO天線的布局方案,利用 CST Stuido 進行建模仿真,將四根甚高頻 (VHF) 頻段的單極子天線安裝在裝甲車的不同位置,通過有限積分法多次仿真優化實現了天線的全向輻射,從而修正了方向圖的畸變。

1 設計方案

如圖1所示,本方案所選擇的輪式裝甲車為一種常見的廓爾喀防彈裝甲車,車身的整體尺寸(不包含天線)為7.6 m×2.8 m×3 m,將其模型以1∶1 的比例導入到CST 微波工作室中。為節省計算機仿真資源和仿真時間對該模型進行了進一步精簡,刪除了對仿真結果的準確性和精度影響較小的部分,如輪胎、座位等結構。

圖1 廓爾喀防彈裝甲車

所選擇的天線為4根規格相同的單極子天線,天線的長度為1.95 m,工作頻率在VHF 頻段,這也是裝甲車通信系統的常用頻段。天線的結構分為四部分,從上到下分別為單極子天線主體、金屬套筒、接地板、同軸饋電輸入端,金屬套筒和接地板的存在減小了車身與天線的耦合。經過多次仿真優化確定了四根天線的安裝位置,最終得到的輪式裝甲車MIMO天線的布局如圖2所示,其中,1號天線安裝在車尾、2號天線安裝在車窗前、3號和4號天線安裝在車燈上。

圖2 天線布局示意圖

2 仿真分析

本節展示了該布局方案的仿真結果,圖3為天線的S參數曲線圖,從圖中可以看出1號和2號天線分別在61 MHz和60 MHz產生了諧振,并且回波損耗達到了-22.6 dB和-22.5 dB,阻抗匹配良好;而3號和4號天線由于安裝的距離較近,天線之間產生了一定程度的耦合,回波損耗為-15.7 dB和-16 dB,可以通過改變天線的長度來改善阻抗匹配,但這不是本次設計的重點,本次設計的目標是實現裝甲車多天線系統的全向輻射特性。

圖3 天線的回波損耗

圖4展示了天線在60 MHz下的遠場輻射方向圖,從圖中可以看出,1號天線波束寬度為268.5°,主瓣最大增益為3.17 dB; 2號天線波束寬度為114.2°,主瓣最大增益為4.03 dB; 3號天線波束寬度為95°,主瓣最大增益為3.85 dB ; 4號天線波束寬度為188.3°,主瓣最大增益為3.34 dB。該方案所使用的四根單極子天線的遠場輻射方向圖相互疊加后可以實現360°的全向覆蓋,較好的解決了裝甲車多天線系統耦合造成的方向圖畸變。

圖4 頻率為60 MHz時天線的遠場輻射方向圖

3 結論

本文提出了一種輪式裝甲車4單元MIMO天線的布局方案,該方案將4根單極子天線分別放置在裝甲車的不同位置,通過電磁仿真軟件CST Stuido 對真實裝甲車模型以及MIMO天線進行建模設計,經過多次仿真優化后最終確定了MIMO天線的布局設計,該設計修正了天線耦合造成的方向圖畸變,實現了360°的全向輻射特性。