导言
将天线成功集成到车辆平台上面临诸多挑战。车辆的结构特征会通过阻挡、反射或再辐射能量来影响天线性能，而同址干扰则可能削弱多天线配置的有效性。 平台运动以及地形、建筑物等环境因素，可能会降低系统在实际运行条件下的效能。此外，辐射危害可能对附近人员构成风险。建模与仿真提供了一种强大的工具，有助于理解这些问题并制定解决方案。本文提供了多种基于仿真的评估案例，用于分析天线性能、识别问题并评估潜在解决方案。
基于仿真的评估的主要优势在于，与物理系统修改和测量相比，它相对快速且经济高效。 在无回声室或室外测试场安排测量所涉及的准备时间和成本，有时会给进度和预算带来压力。 建模与仿真能够评估各种方案及其权衡关系，从而在进行任何物理测试之前就选定少数几种计划方案；因此，实验设计可专注于验证这些计划方案，并对仿真中已证明有效的替代方案进行微调。 这种方法降低了遇到问题的风险，从而避免了需要重新测试、耗资巨大的重新设计，或导致在实战中出现危险行为的情况。
此外，在对集成系统进行全面的实验室或现场测试时，会遇到一些挑战。 其中一些潜在问题包括：
- 现有测量设施可能无法容纳更大的平台
- 测试设施可能无法覆盖被测系统的全部频率范围
- 在实际运行条件下（例如飞机飞行中或高机动性多用途轮式车辆在城市环境中），进行全面的原位测量可能较为困难或不切实际
- 现场修改可能需要进行额外测试
一套全面的建模与仿真工具集能够帮助组织克服这些挑战，因为它能够模拟任意数量的工况，识别并解决关键问题，并将实测保留用于验证基于仿真的预测试评估是否成功。 本文剩余部分将通过几个实例，展示典型的基于仿真的评估方法，以识别并解决与天线性能及车辆集成相关的问题。
评估集成于车辆平台的天线性能
高精度电磁求解器可预测天线的性能，包括其安装车辆的特征所产生的影响。 图1展示了美国陆军通信电子研究、开发与工程中心（CERDEC）使用Remcom公司的XFdtd®软件及其内部开发的射线追踪工具进行的一系列仿真结果。图1(a)描绘了在自由空间中模拟的辐射图，此时没有车辆或其他障碍物对辐射图产生扰动。 图1(b)展示了天线安装在车辆上的辐射图。尽管辐射图已发生明显变化——出现了显著的后瓣并导致前向辐射图发生变化——但该天线的前向辐射和增益与原始设计相似。通过此类仿真，可以评估任意数量的潜在替代配置，直至确定并选定一个成功的方案用于最终集成。
图1(c)和1(d)说明了战场上的改装如何影响天线性能。图1(c)展示了在车辆上加装带金属立柱的“架空线防护套件”（OWM）后的辐射图。 注：OWM可防止晾衣绳、电线和树叶等头顶障碍物损坏已安装的天线。其影响显著。主瓣中形成了一个零点，导致车辆前方方向的天线增益降低。如图1(d)所示，将金属立柱替换为玻璃纤维杆后，性能得到显著改善，前方方向的强增益得以恢复。
图1：利用Remcom公司的XFdtd进行建模与仿真，以评估平台天线的性能以及计划中的战区改装所产生的影响
在较高频率下，平台可能成为电学上大的物体，这里的“电学尺寸”是指物体尺寸相对于信号波长的比例。使用全波求解方法（如 XFdtd 中采用的有限差分时域法（FDTD））对电学上大的场景进行建模，可能需要比预期更多的内存或更长的仿真时间，而两步混合方法可能是一种更可行的替代方案。 图2展示了安装在“全球鹰”无人机上的X波段天线阵列的仿真结果。XFdtd中的全波法确定了该阵列在金属接地平面上的辐射图案。 随后，基于Remcom XGtd®求解器中“均匀衍射理论”（UTD）的求解方案，计算了将天线阵列安装在电学上巨大的“全球鹰”机身底面时产生的辐射图。这一两步法能够准确、高效地评估天线在实际工作配置下的整体性能。
图2：利用XFdtd和XGtd进行混合仿真，模拟安装在“全球鹰”无人机上的天线辐射
评估多天线之间的同址干扰
军用车辆通常在相邻位置安装多个天线系统。 这些系统之间的干扰可能会导致同时运行时出现问题。 为了初步了解这种影响，必须评估每个发射天线与接收天线之间的功率耦合。 这通常通过模拟或测量每个已安装天线从每个发射天线接收到的功率来实现。 对于天线阵列，必须对这些发射功率和接收功率进行适当求和，以反映阵列输入端口处实际观测到的信号。 辐射系统接收功率与发射功率之比代表功率耦合，并描述了发射功率中有多少（无论是在带内还是带外）传播到了相邻系统中。
图3展示了XFdtd仿真结果，评估了安装在HMMWV上的三组概念天线之间的功率耦合，如图3(a)所示。 定向干扰天线被建模为安装在车辆后右侧的天线阵列。 模拟了该天线与其他三根天线之间的功率耦合：一根安装在车辆后左侧的单极通信天线，以及安装在车顶前左侧的平板贴片阵列（该阵列包含用于卫星通信的发射和接收天线阵列）。 图3(b)显示了干扰天线与其他每根天线之间的宽带功率耦合，图中颜色与车辆显示中的箭头相对应。
图3：干扰器与HMMWV上两根相邻天线之间的干扰
此类调查有助于分析师判断发射机是否会影响邻近系统的运行，并在必要时制定缓解策略。 缓解措施的示例可能包括：
- 谨慎选择频段以避免冲突
- 调整天线位置以减轻影响
- 交替使用系统（本质上是时分复用），以确保天线不会同时工作
- 修改系统前端滤波器，以实现（在极端情况下）同时运行
仿真结果有助于上述所有方法，因为它能够快速评估各种天线配置方案。 一旦完成测试前的建模和仿真评估，测量工作便可高效地集中于验证分析结果和缓解方案。
评估环境对天线性能的影响
环境对天线性能起着重要作用。 天线近场中存在介电接地平面会改变辐射性能。 当电场传播到远场区域时，与地面及建筑结构的相互作用会因多径效应产生干扰，从而导致建设性或破坏性干涉以及阴影效应。 在密集的城市环境中，这种干扰表现得尤为明显，建筑物的具体布局可能成为影响环境中电场传播的最主要因素。
图4展示了城市环境中建筑物造成的多径效应，针对两种不同场景，这些场景是在Remcom的Wireless InSite®套件中建模的。 图4(a)显示了安装在HMMWV上的发射天线在城市道路上行驶时接收到的功率。 图4(b)展示了前文提到的“全球鹰”无人机上的阵列天线所经历的路径损耗，该无人机正飞越图像左下角的城市场景上空。 这两幅图像均有助于规划系统的实际应用。 从根本上讲，在系统集成过程中，对目标环境的考量（例如评估车辆底盘对系统有效覆盖范围的影响）也可用于确保系统能够执行其预定任务。
图4：Wireless InSite的模拟结果表明，环境（尤其是城市环境）会对天线的运行性能产生影响
评估人员可能面临的辐射危害
ANSI 标准、美国国防部指令 6055.11 以及众多其他政府标准，为最大允许暴露量（MPE）提供了监管规范，以保护人员免受射频（RF）辐射的影响。 在考虑系统天线的替代安装方案和位置时，必须将人员可能面临的辐射暴露风险作为关键因素之一加以考量。 图5展示了 XFdtd 预测的电场强度，这些电场主要通过车窗进入 HMMWV 的车厢，源自安装在车顶的天线。 系统传输的电场和磁场强度、频率、持续时间以及占空比等信息，可以通过相对简单的方式综合分析，以确定该系统是否可能超过 MPE。 在更细致的层面上，还可以使用FDTD方法来估算被建模为坐在车内或站在附近的人员的比吸收率（SAR）；然而，随时间变化的场强水平（如图所示）是美国国防部（DOD）进行辐射危害评估时的常用指标。
图5：利用XFdtd评估电场及对驾驶员和乘客的潜在辐射危害
结论
将天线集成到车辆平台时，需要考虑许多关键问题，尤其是当其预期用途为军事行动时。 本文提供了一些示例，包括评估车辆特征对辐射的影响、多天线系统造成的同址干扰、环境障碍对传播的影响，以及潜在辐射危害的分析。 目前存在多种电磁建模解决方案，可用于分析该问题的各个方面；在许多情况下，采用多种解决方案的混合方法能极大有助于对相关问题的整体理解。 通过在最终天线集成以及实验室或现场测试之前，利用这些工具进行基于仿真的评估，组织可以识别关键问题，并以经济高效的方式制定缓解措施。 从这个意义上说，建模与仿真成为确保系统最终在现场部署成功的重要工具之一。
