SIMULIA 用於可靠飛機通訊與導航系統的解決方案

2019 年 7 月，一架美國的客機因與空中交通管制（ATC）失去通訊聯繫，無法在達拉斯機場降落。該架飛機因此必須在空中盤旋 30 分鐘，造成後續所有班機起飛延誤，航空公司因而蒙受鉅額損失。類似的情況並不罕見：在美國，每月約有 5 到 6 起與 ATC 通訊中斷的事件，往往是因天線系統設計不良所導致。

我們如何設計可靠的天線？

為回答這個問題，首先需要理解飛機如何與空中交通管制（ATC）及其他飛機通訊。這主要仰賴特高頻（VHF）天線，這些天線安裝在機身上，負責傳送與接收來自 ATC 的電磁訊號。訊號經雙向無線電系統轉換為語音，但當天線無法正確接收訊號時，就會導致通訊中斷。其成因可能來自天線設計與安裝不當，或是多天線之間的訊號干擾（稱為共址干擾 Co-site Interference）。

為避免此類問題，我們使用 SIMULIA 的電磁模擬工具設計並模擬 VHF 天線，主要流程如下：

1. 選擇適當的天線型式
2. 優化天線尺寸以達成目標中心頻率
3. 最佳化天線安裝位置以降低交叉耦合
4. 消除機載天線之間的共址干擾

選擇適當的天線型式

VHF 天線系統的操作頻率範圍為 118 至 137 MHz，中心頻率為 127.5 MHz。

常見的 VHF 天線設計有：

• 單極天線（Monopole Antenna）
• 雙極天線（Dipole Antenna）
• 環形天線（Loop Antenna）
• 缺口式葉片天線（Notched Blade Antenna）

我們選用缺口式葉片天線，因其具有良好的頻寬與空氣動力性能，並可直接安裝於機身上提供接地面，增進輻射效率。

SIMULIA 提供的天線設計工具 Antenna Magus 中即內建葉片式 VHF 天線模型。我們也設計了一個天線罩（Radome），使用對無線電波透明的材料製成，能保護天線不受氣候影響。

優化天線尺寸以達成目標中心頻率

我們進行的時域電磁模擬顯示，該天線實際中心頻率落在 130 MHz 以上，高於目標的 127.5 MHz。

藉由優化工具調整天線的寬度與高度，成功使其共振於 127.5 MHz。

這樣，我們現在有了一個保證諧振頻率為 127.5MHz 的特高頻天線，下一步就是把天線安裝到飛機上。

最佳化天線安裝位置以降低交叉耦合

我們將三組 VHF 天線安裝於飛機機身的前部、後部與底部，確保不論機體姿態如何，皆不會中斷與 ATC 的通訊。

但由於三組天線操作於相同頻率，有可能造成一組天線吸收另一組天線的大部分輻射功率，此即所謂的交叉耦合（Cross-Coupling），會導致通訊效能下降。

儘管交叉耦合無法完全避免，但透過妥善配置，可顯著降低其影響。因此，我們進行天線位置研究以找出交叉耦合最小化的安裝組合。

透過分析八組不同的安裝組合，並以耦合係數評分，我們選出整體交叉耦合最小的配置。同時，模擬顯示該配置的輻射圖形均勻，無指向性死角（nulls），表示接收覆蓋無死角，通訊品質佳。

消除機載天線之間的共址干擾

每支天線皆設計於特定頻率範圍內運作，以避免互相干擾。然而，在非操作頻率下，天線仍會因無線電系統產生低幅度雜訊，這些雜訊足以被鄰近天線接收，即為共址干擾（Co-site Interference）。

此外，這些雜訊在天線操作頻率的整數倍處會顯著提升，即所謂的諧波雜訊（Harmonic Noise）。例如操作於 1 GHz 的天線，在 2、3、4 GHz 等頻率會產生較強的雜訊。

雖然 VHF 系統本身工作於低頻，較不易受其他 GHz 級天線的諧波干擾，但其VHF自身產生的諧波卻可能干擾 GPS 天線（1.575 GHz）。

模擬結果亦驗證了此一現象：

如何在無法改變天線設計與位置的情況下消除干擾？

下一步是要消除這項干擾，同時考慮目前的設計限制，這些限制使我們無法再變更天線的設計或安裝位置。那麼，我們該如何消除共址干擾（Co-site interference）呢？答案就是使用 Filter Designer 3D —— 這是 SIMULIA 提供的頻帶通濾波器（Band Pass Filter）與雙工器（Diplexer）濾波器設計合成工具，支援交叉耦合與先進拓樸設計。

濾波器是一種特殊的元件，能讓天線只在特定頻率範圍內運作，同時阻擋所有不需要的輻射訊號，包括諧波雜訊（Harmonic Noise）。

我們成功為 VHF 天線系統快速合成了一個窄頻通帶濾波器。將濾波器的響應與 VHF 天線模擬數據結合後，重新計算了干擾結果。

從上圖中的違規矩陣（violation matrix）可以看出，VHF 與 GPS 天線系統之間的干擾已被完全消除。

成果總結

我們已成功設計出一套具備交叉耦合最小化與共址干擾抑制功能的 VHF 天線系統，並部署於飛機機體。

這項成果帶來：

• 我們的天線設計可最小化 VHF 天線之間的交叉耦合，並消除 VHF 與 GPS 系統之間的共址干擾。
• 穩定的航空通信系統設計，避免因通訊失效導致飛航延誤
• 航空通訊系統市場規模預估將從 2016 年的 70 億美元成長至 2025 年的 150 億美元

SIMULIA 解決方案正為航空業提供安全且可靠的通訊系統。

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原文轉載來自: Katie Corey – SIMULIA’s Solution for Reliable Aircraft Communication and Navigation Systems

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