2019年7月，一架美国客机由于与空中交通管制（ATC）失去联系，无法在达拉斯机场降落。结果，该飞机不得不在空中滞留30分钟，导致所有后续航班延误。由于这种延误，航空公司面临巨大的损失。与ATC失去联系几分钟是常见的。在美国，每个月都会报告5-6起此类事件。这通常发生在天线系统设计不佳的情况下。
我们如何设计可靠的天线？
要回答这个问题，我们需要了解飞机如何与其他飞机以及空中交通管制（ATC）进行通信。这要归功于甚高频（VHF）天线。这些天线安装在飞机的机身 上，它们在飞机和 ATC 之间传输电磁信号。两端的收发机系统处理并转换这些信号为声音。然而，有时天线无法捕捉到来自 ATC 的信号，导致通信中断。这可能是由于天线的设计和放置不当，或者多个天线之间的信号干扰（称为共站干扰）引起的。
为了消除这种不愉快事件的可能性，我们使用SIMULIA的电磁工具设计并模拟了VHF天线。我们进行了以下步骤。
l选择合适的天线。
l优化天线尺寸以实现目标中心频率。
l最佳天线布局以最小化交叉耦合。
l消除车载天线之间的共站干扰。
选择合适的天线
VHF天线系统的操作频率范围是118到137兆赫兹，以127.5兆赫兹为中心频率。
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
凹槽刀片天线
槽形叶片天线因其带宽和空气动力学性能而被选中。叶片可以直接安装在机身上，这提供了接地以反射波，从而改善辐射。
在Antenna Magus中很容易找到一个刀片VHF天线，这是SIMULIA的天线设计和建模工具。为了使天线防风雨，设计并安装了一个雷达罩，雷达罩是一种用于保护雷达设备的类似圆顶结构，由对无线电波透明的材料制成。
优化天线尺寸以实现目标中心频率
我们进行的时域电磁模拟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是127.5 MHz。
使用优化工具对天线的宽度和高度进行优化，以实现目标中心频率。
因此，我们现在有一个保证在127.5兆赫兹共振的VHF天线。接下来的步骤是将天线安装在飞机上。
最佳天线布局以最小化交叉耦合
VHF天线被放置在飞机的三个不同位置——前部、后部和机身底部。这样做是为了确保无论飞机相对于空中交通管制（ATC）如何 orient，通信不会中断。
但是，由于所有天线需要在相同的频率下工作，有时其中一个天线可能会吸收来自另一个相同天线发射的大部分功率，这通常被称为交叉耦合。这会降低通信系统的性能。
尽管不可避免，但在理想位置的天线中的交叉耦合可以极大地减少！因此，进行了天线布局研究，以找出每个天线的最佳位置，使它们之间的交叉耦合最小化。
识别出了8种不同的放置组合。每个组合都基于耦合系数进行评分。选择了整体交叉耦合最低的天线位置组合。我们还发现辐射模式是均匀的，并且没有零点，这意味着在所有方向上接收效果都很好。
3个VHF天线的辐射图案
消除车载天线之间的共站干扰
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，天线会辐射由收发系统产生的噪声。
当几个天线系统彼此靠近时，这种低幅度噪声足够大，会被附近的天线检测到。这种现象称为共站干扰。给定的天线可以是干扰的受害者，干扰的来源，或者两者兼有。
此外，这种噪声在天线工作频率的整数倍上显著增加。例如，一个工作在1吉赫兹（GHz）的天线会在2 GHz、3 GHz、4 GHz等频率上产生高强度噪声。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，附近工作的通常在几GHz的天线产生的谐波噪声无法对其造成伤害。但是VHF系统本身会产生谐波噪声，干扰工作在1.575GHz的GPS天线。我们进行的用于研究干扰的模拟也证实了这一点。
如上图所示，红色框表示VHF是干扰源，而GPS是受害者。下一步是消除干扰，同时考虑到设计约束，这使我们无法进一步更改这些天线的设计或布局。那么，我们如何消除同址干扰呢？答案是查看Filter Designer 3D，这是SIMULIA用于带通和双工滤波器设计的综合工具，支持交叉耦合和高级拓扑结构。
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，同时阻止所有不需要的辐射，包括谐波噪声。
我们能够迅速合成一个窄通带滤波器用于VHF天线系统。滤波器响应与VHF天线模拟数据相结合，并重新计算了干扰结果。
如上面的违规矩阵图所示，VHF和GPS天线系统之间的干扰已被完全消除。
因此，我们确保了飞机上有一个坚固的天线设计和布局，这有助于实现以下几点：我们的天线设计旨在尽量减少VHF天线之间的交叉耦合，并消除VHF和GPS天线系统之间的共站干扰。
这确保了飞机之间、飞机与空中交通管制之间可靠的、强大的通信。预计到2025年，航空通信系统设备市场将产生150亿美元的收入，而2016年的收入为70亿美元。SIMULIA 的产品确保飞机的通信系统安全可靠。
