SIMULIA 一文读懂系列｜打造可靠的飞机通信与导航系统

2019年7月，一架美国客机因与空中交通管制 (ATC) 人员的通信中断，而无法在达拉斯机场降落。最后，该客机不得已在空中盘旋30分钟，从而导致后续所有计划起飞的航班发生延误。此类延误给航空公司带来了巨大损失。然而，与ATC通信出现短暂中断的情况并不少见。在美国，每月约有5-6起类似事件的报告，这通常是由于天线系统设计不佳所致。

我们如何设计可靠的天线？

要回答这个问题，我们需要先理解飞机之间以及飞机与空中交通管制(ATC)之间是如何通信的。这之所以能够实现，要得益于甚高频(VHF)天线。这些天线被安装在飞机机身上，负责向ATC发送和接收电磁信号。位于两端的收发器系统负责对这些信号进行处理并将其转换成声音。然而，天线有时无法捕获来自ATC的信号，从而导致通信中断。这可能是由于天线的设计和布局不当，或是多个天线之间的信号干扰（也被称为“共址干扰”）所引起的。

为了杜绝此类不良事件发生的可能性，我们使用 SIMULIA 的电磁工具，对 VHF 天线进行了设计与仿真。我们执行了以下步骤：

• 选择合适的天线。

• 优化天线尺寸，以实现目标中心频率。

• 优化天线布局，以最大限度地减少交叉耦合。

• 消除机载天线之间的共址干扰。

01、选择合适的天线

VHF 天线系统的工作频率范围介于 118 至 137MHz 之间，中心频率为 127.5MHz。

VHF 天线有几种不同的设计选项：

• 单极天线

• 偶极天线

• 环形天线

• 缺口刀天线

我们最终选择了缺口刀型天线，因为它具有出色的带宽和空气动力学性能。刀型天线可以直接安装在机身上，而机身可以为反射波提供接地，从而改善辐射效果。

在SIMULIA的天线设计与建模工具Antenna Magus中，可以轻松找到可用的刀型 VHF 天线模型。我们还为其设计并安装了一个天线罩——这是一种用于保护雷达设备的穹顶状结构，使用具有良好无线电波穿透特性的材料制成，以确保其免受恶劣天气的影响。

02、优化天线尺寸以实现目标中心频率

我们进行了时域电磁仿真，由此确定了该刀型天线的实际中心频率高于 130MHz，而我们的目标中心频率为 127.5MHz。

通过使用优化工具，我们对天线的宽度和高度进行了优化，以实现目标中心频率。

因此，我们现在拥有了一个确保能在 127.5MHz 产生谐振的 VHF 天线。下一步是将天线安装到飞机上。

03、优化天线布局以最大限度地减少交叉耦合

我们将 VHF 天线安装到了飞机的三个不同位置：机身的前部、后部和底部。

这样做是为了确保，无论飞机相对于 ATC 的方向如何，都不会发生通信中断的情况。

但由于所有天线都需要在同一频率下工作，有时一根天线可能会吸收另一根相同天线辐射的大部分功率，这通常被称为交叉耦合，并且会降低通信系统的性能。

尽管无法完全避免交叉耦合，但精心布局的天线可以最大限度地减少这种情况！因此，我们进行了一项天线布局研究，以找出每个天线的最佳位置，从而最大限度地减少天线之间的交叉耦合。

我们确定了 8 种不同的布局组合。每种组合都根据耦合系数进行评分。最终，我们选择了总体交叉耦合最低的天线位置组合。我们还发现，其辐射方向图是均匀的，没有任何零点，这意味着在所有方向上都有良好的接收效果。

三组 VHF 天线的辐射方向图

04、消除机载天线之间的共址干扰

每个天线都在指定的频率范围内工作，以避免信号干扰。但在其工作频率范围之外，天线会辐射由收发器系统产生的噪声。

当多个天线系统彼此邻近时，这种低幅度的噪声足以被附近的天线检测到。这种现象被称为共址干扰。对于任何一根给定的天线，它既可能成为干扰的受害者，也可能成为干扰源，或两者皆是。

此外，这种噪声在天线工作频率的整数倍频率下会明显更高。例如，工作频率为 1GHz 的天线，会在 2GHz、3GHz、4GHz 等频率下产生高强度噪声。这种噪声被称为谐波噪声。

由于 VHF 系统工作在相对较低的频率，而邻近天线的工作频率通常为几 GHz，因此它不会受到这些天线所产生的谐波噪声的影响。但是，VHF 系统自身产生的谐波噪声，会对工作频率为 1.575GHz 的 GPS 天线产生干扰。

我们进行的干扰仿真研究也证实了这一点。

如上图所示，红色方框表示 VHF 是干扰源，而 GPS 则是干扰的受害者。

下一步是消除干扰，同时要考虑到设计约束，因为这些约束意味着我们无法进一步改变这些天线的设计或布局。那么，我们应该如何消除共址干扰呢？答案就在 Filter Designer 3D 之中，这是 SIMULIA 用于带通和同向双工器滤波器设计的综合工具，支持交叉耦合和高级拓扑。

滤波器是一种特殊器件，它支持天线在特定的频率范围内辐射电波，同时阻挡包括谐波噪声在内的所有不必要的辐射。

我们很快就为 VHF 天线系统实现了窄带通滤波器综合设计。通过将滤波器的响应与 VHF 天线的仿真数据相结合，我们重新计算了干扰结果。

正如上方的干扰矩阵图所示，VHF 和 GPS 天线系统之间的干扰被完全消除了。

因此，我们确保完成了可靠的机载天线设计和布局，从而帮助实现了以下目标：

• 我们的天线设计最大限度地减少了 VHF 天线之间的交叉耦合，并消除了 VHF 与 GPS 天线系统之间的共址干扰。

• 这确保了飞机与 ATC 之间、以及飞机与飞机之间的可靠通信。

据估计，到2025年，飞机通信系统设备的市场规模将达到150亿美元，而2016年该数据仅为70亿美元。SIMULIA解决方案助力确保安全可靠的飞机通信系统。