2019年7月，一架美國客機(jī)由于與空中交通管制（ATC）失去聯(lián)系，無法在達(dá)拉斯機(jī)場降落。結(jié)果，該飛機(jī)不得不在空中滯留30分鐘，導(dǎo)致所有后續(xù)航班延誤。由于這種延誤，航空公司面臨巨大的損失。與ATC失去聯(lián)系幾分鐘是常見的。在美國，每個(gè)月都會報(bào)告5-6起此類事件。這通常發(fā)生在天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)不佳的情況下。

 

 

 

我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)可靠的天線？

要回答這個(gè)問題，我們需要了解飛機(jī)如何與其他飛機(jī)以及空中交通管制（ATC）進(jìn)行通信。這要?dú)w功于甚高頻（VHF）天線。這些天線安裝在飛機(jī)的機(jī)身 上，它們在飛機(jī)和 ATC 之間傳輸電磁信號。兩端的收發(fā)機(jī)系統(tǒng)處理并轉(zhuǎn)換這些信號為聲音。然而，有時(shí)天線無法捕捉到來自 ATC 的信號，導(dǎo)致通信中斷。這可能是由于天線的設(shè)計(jì)和放置不當(dāng)，或者多個(gè)天線之間的信號干擾（稱為共站干擾）引起的。

 

為了消除這種不愉快事件的可能性，我們使用SIMULIA的電磁工具設(shè)計(jì)并模擬了VHF天線。我們進(jìn)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最佳天線布局以最小化交叉耦合。

l消除車載天線之間的共站干擾。

 

選擇合適的天線

VHF天線系統(tǒng)的操作頻率范圍是118到137兆赫茲，以127.5兆赫茲為中心頻率。

VHF天線有幾種不同的設(shè)計(jì)選項(xiàng)——

單極天線

偶極天線

環(huán)形天線

凹槽刀片天線

槽形葉片天線因其帶寬和空氣動力學(xué)性能而被選中。葉片可以直接安裝在機(jī)身上，這提供了接地以反射波，從而改善輻射。

 

在Antenna Magus中很容易找到一個(gè)刀片VHF天線，這是SIMULIA的天線設(shè)計(jì)和建模工具。為了使天線防風(fēng)雨，設(shè)計(jì)并安裝了一個(gè)雷達(dá)罩，雷達(dá)罩是一種用于保護(hù)雷達(dá)設(shè)備的類似圓頂結(jié)構(gòu)，由對無線電波透明的材料制成。

 

 

優(yōu)化天線尺寸以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)中心頻率

 

我們進(jìn)行的時(shí)域電磁模擬使我們能夠確定該葉片天線的實(shí)際中心頻率——它高于130 MHz，而我們的目標(biāo)中心頻率是127.5 MHz。

 

使用優(yōu)化工具對天線的寬度和高度進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)中心頻率。

 

 

因此，我們現(xiàn)在有一個(gè)保證在127.5兆赫茲共振的VHF天線。接下來的步驟是將天線安裝在飛機(jī)上。

 

最佳天線布局以最小化交叉耦合

VHF天線被放置在飛機(jī)的三個(gè)不同位置——前部、后部和機(jī)身底部。這樣做是為了確保無論飛機(jī)相對于空中交通管制（ATC）如何 orient，通信不會中斷。

 

 

 

但是，由于所有天線需要在相同的頻率下工作，有時(shí)其中一個(gè)天線可能會吸收來自另一個(gè)相同天線發(fā)射的大部分功率，這通常被稱為交叉耦合。這會降低通信系統(tǒng)的性能。

 

盡管不可避免，但在理想位置的天線中的交叉耦合可以極大地減少！因此，進(jìn)行了天線布局研究，以找出每個(gè)天線的最佳位置，使它們之間的交叉耦合最小化。

 

 

 

識別出了8種不同的放置組合。每個(gè)組合都基于耦合系數(shù)進(jìn)行評分。選擇了整體交叉耦合最低的天線位置組合。我們還發(fā)現(xiàn)輻射模式是均勻的，并且沒有零點(diǎn)，這意味著在所有方向上接收效果都很好。

 

3個(gè)VHF天線的輻射圖案

 

消除車載天線之間的共站干擾

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

 

當(dāng)幾個(gè)天線系統(tǒng)彼此靠近時(shí)，這種低幅度噪聲足夠大，會被附近的天線檢測到。這種現(xiàn)象稱為共站干擾。給定的天線可以是干擾的受害者，干擾的來源，或者兩者兼有。

 

此外，這種噪聲在天線工作頻率的整數(shù)倍上顯著增加。例如，一個(gè)工作在1吉赫茲（GHz）的天線會在2 GHz、3 GHz、4 GHz等頻率上產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲。這種噪聲被稱為諧波噪聲。由于VHF系統(tǒng)工作在相對較低的頻率，附近工作的通常在幾GHz的天線產(chǎn)生的諧波噪聲無法對其造成傷害。但是VHF系統(tǒng)本身會產(chǎn)生諧波噪聲，干擾工作在1.575GHz的GPS天線。我們進(jìn)行的用于研究干擾的模擬也證實(shí)了這一點(diǎn)。

 

 

 

如上圖所示，紅色框表示VHF是干擾源，而GPS是受害者。下一步是消除干擾，同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)約束，這使我們無法進(jìn)一步更改這些天線的設(shè)計(jì)或布局。那么，我們?nèi)绾蜗犯蓴_呢？答案是查看Filter Designer 3D，這是SIMULIA用于帶通和雙工濾波器設(shè)計(jì)的綜合工具，支持交叉耦合和高級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

 

 

 

濾波器是一種特殊設(shè)備，它允許天線在特定頻率范圍內(nèi)輻射，同時(shí)阻止所有不需要的輻射，包括諧波噪聲。

 

我們能夠迅速合成一個(gè)窄通帶濾波器用于VHF天線系統(tǒng)。濾波器響應(yīng)與VHF天線模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合，并重新計(jì)算了干擾結(jié)果。

 

 

 

如上面的違規(guī)矩陣圖所示，VHF和GPS天線系統(tǒng)之間的干擾已被完全消除。

 

因此，我們確保了飛機(jī)上有一個(gè)堅(jiān)固的天線設(shè)計(jì)和布局，這有助于實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：我們的天線設(shè)計(jì)旨在盡量減少VHF天線之間的交叉耦合，并消除VHF和GPS天線系統(tǒng)之間的共站干擾。

 

這確保了飛機(jī)之間、飛機(jī)與空中交通管制之間可靠的、強(qiáng)大的通信。預(yù)計(jì)到2025年，航空通信系統(tǒng)設(shè)備市場將產(chǎn)生150億美元的收入，而2016年的收入為70億美元。SIMULIA 的產(chǎn)品確保飛機(jī)的通信系統(tǒng)安全可靠。