2019年7月，一架美國客機因與空中交通管制 (ATC) 人員的通信中斷，而無法在達拉斯機場降落。最后，該客機不得已在空中盤旋30分鐘，從而導(dǎo)致后續(xù)所有計劃起飛的航班發(fā)生延誤。此類延誤給航空公司帶來了巨大損失。然而，與ATC通信出現(xiàn)短暫中斷的情況并不少見。在美國，每月約有5-6起類似事件的報告，這通常是由于天線系統(tǒng)設(shè)計不佳所致。

 

我們?nèi)绾卧O(shè)計可靠的天線？

要回答這個問題，我們需要先理解飛機之間以及飛機與空中交通管制(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機身上，負責向ATC發(fā)送和接收電磁信號。位于兩端的收發(fā)器系統(tǒng)負責對這些信號進行處理并將其轉(zhuǎn)換成聲音。然而，天線有時無法捕獲來自ATC的信號，從而導(dǎo)致通信中斷。這可能是由于天線的設(shè)計和布局不當，或是多個天線之間的信號干擾（也被稱為“共址干擾”）所引起的。

 

為了杜絕此類不良事件發(fā)生的可能性，我們使用 SIMULIA 的電磁工具，對 VHF 天線進行了設(shè)計與仿真。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，以實現(xiàn)目標中心頻率。

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)計選項：

 

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，因為它具有出色的帶寬和空氣動力學(xué)性能。刀型天線可以直接安裝在機身上，而機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)計并安裝了一個天線罩——這是一種用于保護雷達設(shè)備的穹頂狀結(jié)構(gòu)，使用具有良好無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)化天線尺寸以實現(xiàn)目標中心頻率

我們進行了時域電磁仿真，由此確定了該刀型天線的實際中心頻率高于 130MHz，而我們的目標中心頻率為 127.5MHz。

 

通過使用優(yōu)化工具，我們對天線的寬度和高度進行了優(yōu)化，以實現(xiàn)目標中心頻率。

 

因此，我們現(xiàn)在擁有了一個確保能在 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 天線安裝到了飛機的三個不同位置：機身的前部、后部和底部。

這樣做是為了確保，無論飛機相對于 ATC 的方向如何，都不會發(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，有時一根天線可能會吸收另一根相同天線輻射的大部分功率，這通常被稱為交叉耦合，并且會降低通信系統(tǒng)的性能。

 

盡管無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，我們進行了一項天線布局研究，以找出每個天線的最佳位置，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)進行評分。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，沒有任何零點，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消除機載天線之間的共址干擾

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

 

當多個天線系統(tǒng)彼此鄰近時，這種低幅度的噪聲足以被附近的天線檢測到。這種現(xiàn)象被稱為共址干擾。對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)倍頻率下會明顯更高。例如，工作頻率為 1GHz 的天線，會在 2GHz、3GHz、4GHz 等頻率下產(chǎn)生高強度噪聲。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，而鄰近天線的工作頻率通常為幾 GHz，因此它不會受到這些天線所產(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，會對工作頻率為 1.575GHz 的 GPS 天線產(chǎn)生干擾。

 

我們進行的干擾仿真研究也證實了這一點。

 

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，同時要考慮到設(shè)計約束，因為這些約束意味著我們無法進一步改變這些天線的設(shè)計或布局。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)計的綜合工具，支持交叉耦合和高級拓撲。

 

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)實現(xiàn)了窄帶通濾波器綜合設(shè)計。通過將濾波器的響應(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載天線設(shè)計和布局，從而幫助實現(xiàn)了以下目標：

 

l我們的天線設(shè)計最大限度地減少了 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這確保了飛機與 ATC 之間、以及飛機與飛機之間的可靠通信。

 

據(jù)估計，到2025年，飛機通信系統(tǒng)設(shè)備的市場規(guī)模將達到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通信系統(tǒng)。