障碍物遮挡对天线性能的影响

朱文军

(中国电波传播研究所6部，山东青岛 266107)

障碍物遮挡问题，是短波通信当中的一个常见问题，尤其是对于体积、尺寸较大的短波侦收天线、测向天线影响较大。主要影响天线的方向图和增益，进而影响通信效果［1］。本文通过FEKO软件仿真计算了不同形式的障碍物对两大类短波天线的影响，量化地得出了障碍物对短波天线影响的程度和主要方面。

FEKO软件是目前常用的电磁仿真软件之一，经过实践检验，对短波天线的方向图、增益仿真较为准确，对实际工程设计具有较高的参考价值。

1 障碍物遮挡对全向天线的影响

天线按其波束辐射状态可大致分为全向天线和定向天线两种［2］，本文研究的是水平面方向图为全向和定向的天线。所有障碍物位置R均满足远场条件，如式(1)。

障碍物对天线的影响，主要是由于对障碍物方向的来波进行遮挡，影响天线的方向图形状，改变天线增益，从而降低通信效果。本文利用FEKO软件对这一情况进行了仿真，模型中采用的全向天线是垂直单级子天线，频率为30 MHz，天线高度为5 m，障碍物距离天线为10 m。

(1)无遮挡状态下的全向天线方向图如图1所示，可看出水平面方向性为全向。

图1 全向天线无遮挡状态下水平面方向图和垂直面方向图

(2)在距离天线10 m处设置障碍物。障碍物高度5 m，宽10 m，天线方向图仿真结果如图2所示，在障碍物方向上，天线水平面方向图凹陷严重，至少有3 dB的增益损失，同时，垂直面方向图出现裂瓣。因此，若实际天线场地中有如此尺寸的障碍物，则该方向的信号接收将受到大幅影响［3］。

图2 障碍物宽10 m高5 m时天线方向图

(3)将障碍物高度不变，宽度缩短1/2。将障碍物高度降低到5 m时仿真结果如图3所示，将障碍物宽度缩短1/2后，对天线水平面方向图改善不大，对天线垂直面的方向图改善较大，裂瓣较10 m宽障碍物较小，同时，障碍物方向水平面的增益损失也较10 m宽的较少些［4－6］。

(4)障碍物高度减少1/2仿真结果。将障碍物高度减半后仿真结果如图4所示，将障碍物高度降低1/2后，天线水平面方向图改善较多，基本差别约零点几dB，同时可看出，障碍物的宽度对垂直面方向图的影响较大，这是由于耦合造成的。障碍物高度对水平面方向图的影响主要是由于波束有一定仰角，低于仰角的障碍物对天线影响较小。

图3 障碍物宽5 m，高5 m时天线方向图

图4 障碍物高度2.5 m宽10 m时仿真结果

2 障碍物遮挡对定向天线的影响

定向天线与全向天线相比较，具有更高的方向性系数，从而广泛应用于远距离通信和信号侦收方面［7－8］。由于定向天线的波束指向某一方向，本文主要分析其波束指向方位障碍物的影响。仿真模型为一副八木天线，频率为20 MHz，架设高度为7.5 m，天线径向长度为17 m，障碍物距天线为40 m。

(1)无遮挡状态下天线参数。如图5所示，在无遮挡状态下，定向天线波束指向清晰，有一定方向性和仰角，后瓣较小，无旁瓣。

图5 无遮挡状态下天线方向图

(2)障碍物15 m高、15 m宽状态下仿真结果。图6是天线受遮挡后的方位面和垂直面方向图。从仿真结果可看出，经遮挡后，天线方位面方向图产生裂瓣，且后瓣增大，天线主波束方向至少有3 dB的增益损失。同时垂直面方向图也有裂瓣。

(3)障碍物宽度减至7.5 m状态时天线仿真。图7为障碍物宽度减半后方位面方向图和垂直面方向图的仿真结果可看出，将障碍物宽度减半后，对天线的方向图影响不大。通过比较图6和图7可看出，对障碍物宽度的改变，方向图和增益的改变＜3 dB。

图6 遮挡物15 m×15 m状态下天线方向图

图7 宽度减半后天线方向图

(4)障碍物高度减半后天线状态。将障碍物高度降低至7.5 m，宽度不变，仿真结果如图8所示，通过比较图5与图8可看出，高度减半后，障碍物对天线方向图的影响减弱，图像基本一致。

图8 遮挡物高度减半后天线方向图

通过仿真结果可看出，对于水平极化定向天线来说，影响其方向图的主要因素是障碍物的高度，主要影响其增益及方向图形状，过高的障碍物不仅使方向图产生裂瓣，而且使其后瓣变大，对于发射天线来说主要影响其通信距离和前后比，接收天线则影响接收信噪比。

3 结束语

通过对全向天线和定向天线收障碍物影响的分析，可得出结论:影响天线通信的障碍物最重要的因素是其高度。在条件允许的情况下，应尽量选择无高大障碍物的场地作为天线架设处，同时，障碍物的高度不应高于波束仰角范围。对于垂直极化的全向天线，障碍物的宽度对其垂直面方向图影响较大，会产生裂瓣，对于水平极化的定向天线，障碍物的宽度对其影响较小。

(5)遮挡物高度减半，宽度增加为30 m。为分析障碍物宽度对水平极化天线的影响，将障碍物宽度增加，仿真结果如图9所示。

图9 障碍物为30 m宽状态下天线方向图

［1］ 毛乃宏．天线测量手册［M］．北京:国防工业出版社，1987．

［2］ 康行健．天线原理与设计［M］．北京:北京理工大学出版社，1993．

［3］ 林昌禄．近代天线设计［M］．北京:人民邮电出版社，1990．

［4］ 谢处方．电波与天线［M］．北京:人民邮电出版社，1978．

［5］ 爱丁堡．短波天线［M］．北京:国防工业出版社，1992．

［6］ ELLIOTT R S．天线理论与设计［M］．王光茂，译．北京:北京航空航天大学出版社，1989．

［7］ 李旺，郑会利，董梁．一种可重构超短波天线设计［J］．电子科技，2013，26(7):103 －104，115．

［8］ 孙文昌，韦高，姜通．基于FDTD的机载短波天线辐射特性分析［J］．计算机仿真，2009，26(9):80 －83．