車頂天線布局的電磁兼容設計

1.引言
隨著移動通信技術的普及，車輛通信系統在信息傳輸中發揮了重要作用，移動通信車的使用日益廣泛，同部通信車輛可能同時裝有多部天線。隨著天線數量的增加，其自身的電磁兼容問題將會更加嚴重。影響車輛系統電磁兼容特性的一個重要因素是車頂的天線布置，由于車體內部的電臺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際問題。
本文采用一種基于遺傳算法的天線優化布局方法，可以綜合考慮不同因素對天線布局進行優化，可以在電磁兼容設計初期得出粗略的最佳布局方案，降低了天線布局設計的難度。
2.影響天線性能的主要因素
天線是發射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線就沒有無線通信，通信車輛上裝的天線設備要完成的主要功能是完成對信息的收發。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，有助于我們在優化天線布置的時候確
定目標函數。
下面分析這三個因素對天線性能的影響：
(1)耦合度:兩部同發天線間耦合度過大時，引起功率倒灌，造成發射天線阻抗匹配困難，甚至產生互調干擾；
(2)方向圖:天線輻射方向圖畸變嚴重時，將是天線在某些方向上的增益明顯減少，導致該方向信息傳輸受阻；
(3)近場輻射:大功率天線配置不當時會造成設備、人員等輻射損傷，嚴重會引起事故。
綜上可知，在進行天線布局時耦合度越小越好，方向圖畸變越小越好，近場輻射越小越好。由于通信車輛中裝載的天線功率不會很高，由此引發的近場危害相對較少，并且可以通過加強車體屏蔽或濾波等方式減少，所以在這里不進行重點討論。天線的方向圖又分為全向和非全向兩種，對于非全向天線，在進行天線布置時應盡量避開不同天線的最大輻射方向，使其不發生重疊便可降低方向圖的畸變，而對于全向天線只能通過優化布局算法來實現。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系最為密切，是研究的重點，又因為耦合度較小時會使得方向圖畸變相應的減小，因此本文選用的優化目標是天線間的
耦合度。
3.優化目標函數的確定
傳統的天線布局優化主要是依靠設計人員的經驗，或者在試樣研制階段采用縮尺比模型測試的方法。隨著天線數量的增加，單單依靠研究人員的經驗已不能滿足復雜電磁環境的要求，而縮尺比模型成本很高，對于車輛系統的設計生產并不適用，因此車頂天線布局優化必須采用高效的優化算法形成相應的布局優化軟件，
才能提高設計通信車輛的效率，使天線布局達到最佳。
耦合度是反映天線電磁兼容性的重要參數，用來衡量天線間的干擾程度。對于一對發射/接收天線，耦合度定義為接收天線凈輸出功率與發射天線凈輸入功率之比，如圖1所示,

4.優化算法選擇
優化技術是一種以數學為基礎，用于求解各種工程問題優化解的應用技術，天線布局優化屬于優化中的全局優化，對算法的要求是能進行全局搜索及限制較
少，在此我們選用的是智能優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制的高效隨機化搜索算法，僅需知道目標函數的信息,而不需要其連續可微等要求,因而具
有廣泛的適應性，同時它又是一種采用啟發性知識的智能搜索算法,所以往往能在搜索空間高度復雜的問題上取得比以往算法(如梯度法)更好的效果。遺傳算
法的計算流程如圖2所示。
本文優化程序設計種采用的是基本遺傳算法(SGA)，基于VC++6.0進行編程，染色體定義

5.算例與結論
下面以四根天線系統為例，演示對天線布局進行的優化。設車頂面布有四根天線，兩根為固定天線，兩根為可移動天線，其布置要求如圖3(見下頁)所示。
圖4(見下頁)為優化過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值最大最小

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