SIMULIA 的可靠飞机通信和导航系统解决方案

2019 年 7 月，一架美国客机因与空中交通管制 （ATC） 失去通信而无法降落在达拉斯机场。结果，飞机不得不在空中停留 30 分钟，从而延误了所有计划起飞的连续航班。由于此类延误，航空公司面临巨大损失。与 ATC 失去通信几分钟是很常见的。在美国，每个月都会报告 5-6 起事件。这通常是由于天线系统设计不佳而发生的。

我们如何设计可靠的天线？

要回答这个问题，我们需要了解飞机之间以及与空中交通管制 （ATC） 之间的通信方式。这要归功于甚高频 （VHF） 天线。这些天线放置在飞机的机身上，它们与 ATC 之间传输电磁信号。两端的收发器系统处理这些信号并将其转换为声音。但是，有时天线无法捕获来自 ATC 的信号，从而导致通信丢失。这可能是由于天线的设计和放置不当或多个天线之间的信号干扰（称为共址干扰）引起的。

为了消除此类不良事件的可能性，我们设计并模拟了 VHF 天线，使用SIMULIA （模拟）的电磁工具。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。

• 最佳天线放置，实现最小交叉耦合。

• 消除板载天线之间的共址干扰。

选择合适的天线

VHF 天线系统的工作频率范围为 118 至 137 MHz，其中 127.5 MHz 为中心频率。

VHF 天线有几种不同的设计选项 –

• 单极天线

• 偶极子天线

• 环形天线

• 缺口叶片天线

选择缺口叶片天线是因为它的带宽和空气动力学性能。叶片可以直接安装在机身上，提供接地反射波，改善辐射。

Empliea 的天线设计和建模工具 Antenna Magus 中随时提供叶片 VHF 天线。天线罩是一种用于保护雷达设备的圆顶状结构，由对无线电波透明的材料制成，并放置在天线上以使其防风雨。

优化天线尺寸以实现目标中心频率

我们执行的时域电磁仿真使我们能够确定该叶片天线的实际中心频率 - 它高于 130 MHz，而我们的目标中心频率为 127.5MHz。

使用优化工具优化天线的宽度和高度以实现目标中心频率。

因此，我们现在有一个保证在 127.5MHz 下谐振的 VHF 天线。下一步是将天线放在飞机上。

最佳天线放置，实现最小的交叉耦合

VHF 天线放置在飞机上的三个不同位置——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，都不会丢失通信。

但是，由于所有天线都需要在相同的频率下工作，有时其中一根天线可能会吸收从另一根相同天线辐射的大部分功率，通常称为交叉耦合。这会降低通信系统的性能。

虽然这是不可避免的，但可以在很大程度上减少位置良好的天线中的交叉耦合！因此，进行了天线放置研究，以找出每个天线的最佳位置，从而最大限度地减少它们之间的交叉耦合。

确定了 8 种不同的放置组合。每个组合都根据耦合系数进行评级。选择了总体交叉耦合最低的天线位置组合。我们还发现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。

3 个 VHF 天线的辐射方向图

消除板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靠近时，这种低幅度噪声大到足以被附近的天线检测到。这种现象称为共位点干扰。给定的天线可以是干扰的受害者，也可以是源或两者的受害者。

此外，该噪声在天线工作频率的整数倍时明显更高。例如，以 1 GHz 运行的天线将产生 2 GHz、3 GHz、4 GHz 等频率的高强度噪声。这种噪声称为谐波噪声。

由于 VHF 系统以相对较低的频率运行，因此来自附近天线的谐波噪声（通常以几 GHz 运行）不会对其造成损害。但 VHF 系统本身会产生谐波噪声，这会干扰以 1.575 GHz 运行的 GPS 天线。

我们为研究干扰而进行的模拟也证实了这一点。

如上图所示，红框表示 VHF 是干扰源，而 GPS 是干扰源。

下一步是消除干扰，同时考虑设计约束，这些约束会阻止我们进一步更改这些天线的设计或位置。那么我们如何消除共址干扰呢？答案是查看 Filter Designer 3D，它是 SIMULIA 的带通和双工器滤波器设计综合工具，支持交叉耦合和高级拓扑。

滤波器是一种特殊设备，它允许天线在特定频率范围内辐射，同时阻挡所有不需要的辐射，包括谐波噪声。

我们能够快速合成用于 VHF 天线系统的窄通带滤波器。将滤波器响应与VHF天线仿真数据相结合，重新计算干扰结果。

如上图所示，违规矩阵，VHF 和 GPS 天线系统之间的干扰被完全消除。

因此，我们确保了天线的设计和放置在我们的飞机上，这有助于实现以下目标 -

• 我们的天线旨在最大限度地减少 VHF 天线之间的交叉耦合，并消除 VHF 和 GPS 天线系统之间的共址干扰。

• 这确保了飞机 – ATC 和飞机 – 飞机之间的可靠和稳健的通信。

据估计，到 2025 年，飞机通信系统设备市场将产生 150 亿美元的收入，而 2016 年为 70 亿美元。

SIMULIA 的产品可确保飞机通信系统安全可靠。

请在此处查看我们的飞机通信与检测系统性能解决方案：

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