車頂天線布局的電磁兼容設(shè)計(jì)

1.引言
隨著移動(dòng)通信技術(shù)的普及，車輛通信系統(tǒng)在信息傳輸中發(fā)揮了重要作用，移動(dòng)通信車的使用日益廣泛，同部通信車輛可能同時(shí)裝有多部天線。隨著天線數(shù)量的增加，其自身的電磁兼容問(wèn)題將會(huì)更加嚴(yán)重。影響車輛系統(tǒng)電磁兼容特性的一個(gè)重要因素是車頂?shù)奶炀€布置，由于車體內(nèi)部的電臺(tái)安裝有一定的位置范圍要求，且不同的天線重要性不同，并不單純的靠增大天線間的距離就能解決實(shí)際問(wèn)題。
本文采用一種基于遺傳算法的天線優(yōu)化布局方法，可以綜合考慮不同因素對(duì)天線布局進(jìn)行優(yōu)化，可以在電磁兼容設(shè)計(jì)初期得出粗略的最佳布局方案，降低了天線布局設(shè)計(jì)的難度。
2.影響天線性能的主要因素
天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線就沒(méi)有無(wú)線通信，通信車輛上裝的天線設(shè)備要完成的主要功能是完成對(duì)信息的收發(fā)。影響天線
性能的主要因素有天線間的耦合度、天線的輻射方向圖、天線的近場(chǎng)輻射危害等。研究影響天線電磁兼容性能的主要因素，有助于我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/優(yōu)化">優(yōu)化天線布置的時(shí)候確
定目標(biāo)函數(shù)。
下面分析這三個(gè)因素對(duì)天線性能的影響：
(1)耦合度:兩部同發(fā)天線間耦合度過(guò)大時(shí)，引起功率倒灌，造成發(fā)射天線阻抗匹配困難，甚至產(chǎn)生互調(diào)干擾；
(2)方向圖:天線輻射方向圖畸變嚴(yán)重時(shí)，將是天線在某些方向上的增益明顯減少，導(dǎo)致該方向信息傳輸受阻；
(3)近場(chǎng)輻射:大功率天線配置不當(dāng)時(shí)會(huì)造成設(shè)備、人員等輻射損傷，嚴(yán)重會(huì)引起事故。
綜上可知，在進(jìn)行天線布局時(shí)耦合度越小越好，方向圖畸變?cè)叫≡胶?，近?chǎng)輻射越小越好。由于通信車輛中裝載的天線功率不會(huì)很高，由此引發(fā)的近場(chǎng)危害相對(duì)較少，并且可以通過(guò)加強(qiáng)車體屏蔽或?yàn)V波等方式減少，所以在這里不進(jìn)行重點(diǎn)討論。天線的方向圖又分為全向和非全向兩種，對(duì)于非全向天線，在進(jìn)行天線布置時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)不同天線的最大輻射方向，使其不發(fā)生重疊便可降低方向圖的畸變，而對(duì)于全向天線只能通過(guò)優(yōu)化布局算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。耦合度作為天線電磁兼
容性能的重要因素，因其與天線位置的關(guān)系最為密切，是研究的重點(diǎn)，又因?yàn)轳詈隙容^小時(shí)會(huì)使得方向圖畸變相應(yīng)的減小，因此本文選用的優(yōu)化目標(biāo)是天線間的
耦合度。
3.優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定
傳統(tǒng)的天線布局優(yōu)化主要是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，或者在試樣研制階段采用縮尺比模型測(cè)試的方法。隨著天線數(shù)量的增加，單單依靠研究人員的經(jīng)驗(yàn)已不能滿足復(fù)雜電磁環(huán)境的要求，而縮尺比模型成本很高，對(duì)于車輛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)并不適用，因此車頂天線布局優(yōu)化必須采用高效的優(yōu)化算法形成相應(yīng)的布局優(yōu)化軟件，
才能提高設(shè)計(jì)通信車輛的效率，使天線布局達(dá)到最佳。
耦合度是反映天線電磁兼容性的重要參數(shù)，用來(lái)衡量天線間的干擾程度。對(duì)于一對(duì)發(fā)射/接收天線，耦合度定義為接收天線凈輸出功率與發(fā)射天線凈輸入功率之比，如圖1所示,

4.優(yōu)化算法選擇
優(yōu)化技術(shù)是一種以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用于求解各種工程問(wèn)題優(yōu)化解的應(yīng)用技術(shù)，天線布局優(yōu)化屬于優(yōu)化中的全局優(yōu)化，對(duì)算法的要求是能進(jìn)行全局搜索及限制較
少，在此我們選用的是智能優(yōu)化算法中的遺傳算法。
遺傳算法(GeneticAlgorithm,GA)是一種基于自然群體遺傳演化機(jī)制的高效隨機(jī)化搜索算法，僅需知道目標(biāo)函數(shù)的信息,而不需要其連續(xù)可微等要求,因而具
有廣泛的適應(yīng)性，同時(shí)它又是一種采用啟發(fā)性知識(shí)的智能搜索算法,所以往往能在搜索空間高度復(fù)雜的問(wèn)題上取得比以往算法(如梯度法)更好的效果。遺傳算
法的計(jì)算流程如圖2所示。
本文優(yōu)化程序設(shè)計(jì)種采用的是基本遺傳算法(SGA)，基于VC++6.0進(jìn)行編程，染色體定義

5.算例與結(jié)論
下面以四根天線系統(tǒng)為例，演示對(duì)天線布局進(jìn)行的優(yōu)化。設(shè)車頂面布有四根天線，兩根為固定天線，兩根為可移動(dòng)天線，其布置要求如圖3(見(jiàn)下頁(yè))所示。
圖4(見(jiàn)下頁(yè))為優(yōu)化過(guò)程中天線耦合度比較：
由圖可以看出，天線綜合耦合度的絕對(duì)值最大最小

值隨著代數(shù)的增加，均不呈上升狀態(tài)，在第5 6 1代得到天線最優(yōu)布局，優(yōu)化結(jié)果天線3坐標(biāo)(1.9 9，0.9 5)，天線4坐標(biāo)(1.47，-0.59)，綜合耦合度為
-154.793483dB。由此例可以看出，基于遺傳算法進(jìn)行天線布局優(yōu)化可以達(dá)到預(yù)期的效果，是優(yōu)化天線布局的有效手段。