利用COMSOL Multiphysics 模拟飞机上的天线串扰

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航空通信系统变得日益复杂,我们通常需要在同一架飞机上安装多条天线,这样可能会在天线间造成串扰,或称同址干扰,影响飞机运行。在本教程模型中,我们利用COMSOL Multiphysics 5.1 版本模拟了飞机机身上两个完全相同的天线之间的干扰,其中一个负责发射,另一个负责接收,以此来分析串扰的影响。(使用COMSOL进行Vivaldi天线设计分析

流线型的航空器

在航空业,天线发挥着非常重要的作用。飞行员需要借助天线来保证飞机始终保持着安全的校准及飞行位置,这一点在能见度较低的情况下尤其重要,比如晚上,或者恶劣天气条件。因此,为了保证飞行安全,这些天线必须非常可靠。

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机身上安装有天线的飞机近景图。

在单个飞机机身上安装多个天线会带来一些问题,比如天线串扰或称同址干扰。顾名思义,当一条天线的电磁信号与另一条天线的信号交叉时,就会造成干扰并产生串扰。当发射天线向地面天线发射信号,而接收设备也正在从地面天线处接收信号时,就会产生干扰,影响整个飞机的运行。

通过模拟飞机机身上的天线串扰,能更好地确定发射及接收天线的安装位置,从而保证安全及高效的通讯。为此,我们将在本篇博客中介绍随COMSOL Multiphysics 5.1 版本一起发布的一个全新教学模型。

模拟飞机机身上的串扰

飞机模型由金属机身和两个天线构成,其中一个位于机身顶部,另一个位于底部。金属表面作为完美电导体(PEC) 模拟。飞机被一个球形的空气域包围,空气域又被一个完美匹配层(PML) 包围,用于模拟无限的自由空间。PML 层确保空气域的边界不发生反射。

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飞机示意图,放大了接收及发射天线的比例,以便突出显示。

天线由介电块中的金属条构成。它们实际上采用了微型化的弯折线设计,将输入阻抗降到低于参考阻抗50Ohm。采用大型地平面中的折叠单极天线设计来匹配最初的低阻抗。(小间距QFN封装PCB设计串扰抑制分析

模拟天线时,我们还在弯折线和机身间的狭隙设置了一个集总端口来计算S 参数。以便表示在不同安装配置下天线间的匹配阻抗及干扰水平。

仿真显示出了机身的阴影区及照亮区。阴影区指飞机上会影响发射天线发射能量的结构,比如机翼、翼翅和起落架舱门。另一方面,照亮区则不会受到任何装置的阻挡。这意味着,接收天线更适合安装在阴影区,因为发射天线对这些区域的干扰较少,照亮区则没这么理想。下图显示了三个不同配置下发射天线的电场强度,及其对接收天线的影响。

在飞机底部的三个不同测试地点中,发射天线都会干扰接收天线。

照亮区和阴影区的范围帮助确定了飞机机身天线的最佳安装位置。

飞机机身上的照亮区和阴影区,可以帮助确定两个天线间的串扰水平。

从机身尾部到头部,在三个不同的位置对接收天线进行了测试,下方的另一组绘图绘制了电场模的dB 值。从这些图中不难推断,天线安装在机尾时的阴影区最大。对比这三个配置下计算得到的S 参数,同样也证实了这一点。

在机身底部的三个位置测试接收天线时分别产生的阴影区。

通过借助COMSOL Multiphysics 5.1 版本及RF 模块来模拟天线串扰,您可以优化天线在飞机机身上的安装位置,并能改进整体设计来更好地保证旅程安全。

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