2019年7月，一架美國(guó)客機(jī)因與空中交通管制 (ATC) 人員的通信中斷，而無(wú)法在達(dá)拉斯機(jī)場(chǎng)降落。最后，該客機(jī)不得已在空中盤(pán)旋30分鐘，從而導(dǎo)致后續(xù)所有計(jì)劃起飛的航班發(fā)生延誤。此類(lèi)延誤給航空公司帶來(lái)了巨大損失。然而，與ATC通信出現(xiàn)短暫中斷的情況并不少見(jiàn)。在美國(guó)，每月約有5-6起類(lèi)似事件的報(bào)告，這通常是由于天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)不佳所致。

 

我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)可靠的天線？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要先理解飛機(jī)之間以及飛機(jī)與空中交通管制(ATC)之間是如何通信的。這之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，要得益于甚高頻(VHF)天線。這些天線被安裝在飛機(jī)機(jī)身上，負(fù)責(zé)向ATC發(fā)送和接收電磁信號(hào)。位于兩端的收發(fā)器系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理并將其轉(zhuǎn)換成聲音。然而，天線有時(shí)無(wú)法捕獲來(lái)自ATC的信號(hào)，從而導(dǎo)致通信中斷。這可能是由于天線的設(shè)計(jì)和布局不當(dāng)，或是多個(gè)天線之間的信號(hào)干擾（也被稱(chēng)為“共址干擾”）所引起的。

 

為了杜絕此類(lèi)不良事件發(fā)生的可能性，我們使用 SIMULIA 的電磁工具，對(duì) VHF 天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真。我們執(zhí)行了以下步驟：

 

l選擇合適的天線。

l優(yōu)化天線尺寸，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)中心頻率。

l優(yōu)化天線布局，以最大限度地減少交叉耦合。

l消除機(jī)載天線之間的共址干擾。

 

01選擇合適的天線

VHF 天線系統(tǒng)的工作頻率范圍介于 118 至 137MHz 之間，中心頻率為 127.5MHz。

VHF 天線有幾種不同的設(shè)計(jì)選項(xiàng)：

 

l單極天線

l偶極天線

l環(huán)形天線

l缺口刀天線

 

我們最終選擇了缺口刀型天線，因?yàn)樗哂谐錾膸捄涂諝鈩?dòng)力學(xué)性能。刀型天線可以直接安裝在機(jī)身上，而機(jī)身可以為反射波提供接地，從而改善輻射效果。

 

在SIMULIA的天線設(shè)計(jì)與建模工具Antenna Magus中，可以輕松找到可用的刀型 VHF 天線模型。我們還為其設(shè)計(jì)并安裝了一個(gè)天線罩——這是一種用于保護(hù)雷達(dá)設(shè)備的穹頂狀結(jié)構(gòu)，使用具有良好無(wú)線電波穿透特性的材料制成，以確保其免受惡劣天氣的影響。

 

02優(yōu)化天線尺寸以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)中心頻率

我們進(jìn)行了時(shí)域電磁仿真，由此確定了該刀型天線的實(shí)際中心頻率高于 130MHz，而我們的目標(biāo)中心頻率為 127.5MHz。

 

通過(guò)使用優(yōu)化工具，我們對(duì)天線的寬度和高度進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)中心頻率。

 

因此，我們現(xiàn)在擁有了一個(gè)確保能在 127.5MHz 產(chǎn)生諧振的 VHF 天線。下一步是將天線安裝到飛機(jī)上。

 

03優(yōu)化天線布局以最大限度地減少交叉耦合

我們將 VHF 天線安裝到了飛機(jī)的三個(gè)不同位置：機(jī)身的前部、后部和底部。

這樣做是為了確保，無(wú)論飛機(jī)相對(duì)于 ATC 的方向如何，都不會(huì)發(fā)生通信中斷的情況。

 

但由于所有天線都需要在同一頻率下工作，有時(shí)一根天線可能會(huì)吸收另一根相同天線輻射的大部分功率，這通常被稱(chēng)為交叉耦合，并且會(huì)降低通信系統(tǒng)的性能。

 

盡管無(wú)法完全避免交叉耦合，但精心布局的天線可以最大限度地減少這種情況！因此，我們進(jìn)行了一項(xiàng)天線布局研究，以找出每個(gè)天線的最佳位置，從而最大限度地減少天線之間的交叉耦合。

 

我們確定了 8 種不同的布局組合。每種組合都根據(jù)耦合系數(shù)進(jìn)行評(píng)分。最終，我們選擇了總體交叉耦合最低的天線位置組合。我們還發(fā)現(xiàn)，其輻射方向圖是均勻的，沒(méi)有任何零點(diǎn)，這意味著在所有方向上都有良好的接收效果。

三組 VHF 天線的輻射方向圖

 

04消除機(jī)載天線之間的共址干擾

每個(gè)天線都在指定的頻率范圍內(nèi)工作，以避免信號(hào)干擾。但在其工作頻率范圍之外，天線會(huì)輻射由收發(fā)器系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。

 

當(dāng)多個(gè)天線系統(tǒng)彼此鄰近時(shí)，這種低幅度的噪聲足以被附近的天線檢測(cè)到。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為共址干擾。對(duì)于任何一根給定的天線，它既可能成為干擾的受害者，也可能成為干擾源，或兩者皆是。

 

此外，這種噪聲在天線工作頻率的整數(shù)倍頻率下會(huì)明顯更高。例如，工作頻率為 1GHz 的天線，會(huì)在 2GHz、3GHz、4GHz 等頻率下產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲。這種噪聲被稱(chēng)為諧波噪聲。

由于 VHF 系統(tǒng)工作在相對(duì)較低的頻率，而鄰近天線的工作頻率通常為幾 GHz，因此它不會(huì)受到這些天線所產(chǎn)生的諧波噪聲的影響。但是，VHF 系統(tǒng)自身產(chǎn)生的諧波噪聲，會(huì)對(duì)工作頻率為 1.575GHz 的 GPS 天線產(chǎn)生干擾。

 

我們進(jìn)行的干擾仿真研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。

 

如上圖所示，紅色方框表示 VHF 是干擾源，而 GPS 則是干擾的受害者。

 

下一步是消除干擾，同時(shí)要考慮到設(shè)計(jì)約束，因?yàn)檫@些約束意味著我們無(wú)法進(jìn)一步改變這些天線的設(shè)計(jì)或布局。那么，我們應(yīng)該如何消除共址干擾呢？答案就在 Filter Designer 3D 之中，這是 SIMULIA 用于帶通和同向雙工器濾波器設(shè)計(jì)的綜合工具，支持交叉耦合和高級(jí)拓?fù)洹?/span>

 

濾波器是一種特殊器件，它支持天線在特定的頻率范圍內(nèi)輻射電波，同時(shí)阻擋包括諧波噪聲在內(nèi)的所有不必要的輻射。

 

我們很快就為 VHF 天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了窄帶通濾波器綜合設(shè)計(jì)。通過(guò)將濾波器的響應(yīng)與 VHF 天線的仿真數(shù)據(jù)相結(jié)合，我們重新計(jì)算了干擾結(jié)果。

 

正如上方的干擾矩陣圖所示，VHF 和 GPS 天線系統(tǒng)之間的干擾被完全消除了。

 

因此，我們確保完成了可靠的機(jī)載天線設(shè)計(jì)和布局，從而幫助實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：

 

l我們的天線設(shè)計(jì)最大限度地減少了 VHF 天線之間的交叉耦合，并消除了 VHF 與 GPS 天線系統(tǒng)之間的共址干擾。

 

l這確保了飛機(jī)與 ATC 之間、以及飛機(jī)與飛機(jī)之間的可靠通信。

 

據(jù)估計(jì)，到2025年，飛機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到150億美元，而2016年該數(shù)據(jù)僅為70億美元。SIMULIA解決方案助力確保安全可靠的飛機(jī)通信系統(tǒng)。