直升機(jī)高度表電磁兼容問題分析研究

周文兵，陳志君

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001;2.總參陸航研究所，北京 101121)

0 引言

隨著對(duì)直升機(jī)功能和性能要求的日益提高，現(xiàn)代直升機(jī)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的依賴顯著加強(qiáng)。然而，眾多電子設(shè)備安裝在直升機(jī)狹小的空間內(nèi)，經(jīng)常造成設(shè)備工作不正?；蛳到y(tǒng)性能降級(jí)，設(shè)備或系統(tǒng)間的不兼容現(xiàn)象日益引起設(shè)計(jì)者的高度關(guān)注，對(duì)整機(jī)電磁兼容性的考核業(yè)已成為直升機(jī)驗(yàn)收的重要程序。

某直升機(jī)出現(xiàn)的高度表測(cè)高數(shù)據(jù)顯示紊亂即為機(jī)上無線電高度表系統(tǒng)與尾梁下超短波天線間的電磁兼容問題引起的，嚴(yán)重影響飛行任務(wù)，亟待解決。

無線電高度表系統(tǒng)作為現(xiàn)代直升機(jī)中重要的自備式電子設(shè)備，其主要作用是測(cè)量直升機(jī)與地面間的實(shí)際距離，是大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛儀的重要輸入?yún)?shù)。在直升機(jī)的起飛或進(jìn)近著陸階段要提供精確的高度數(shù)據(jù)，所以高度表系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及輸出實(shí)際高度的準(zhǔn)確性對(duì)于直升機(jī)的飛行和著陸安全至關(guān)重要。

1 無線電高度表顯示紊亂故障分析

無線電高度表測(cè)高系統(tǒng)一般由發(fā)射天線、接收天線、收發(fā)機(jī)和顯示器等組成，基本原理為通過分析接收天線接收到的由發(fā)射天線輻射經(jīng)地面反射回來的回波信號(hào)來解算直升機(jī)的真實(shí)飛行高度。為避免因接收天線接收到的直射波信號(hào)(未經(jīng)地面反射的信號(hào))過大而加大無線電高度表的測(cè)高誤差，甚至無法正常工作。收/發(fā)機(jī)之間的隔離度一般要求不小于75dB，通常發(fā)射天線和接收天線間的安裝距離要求不小于0.9m，部分微帶型天線間安裝距離要求必須不小于0.6m。

造成無線電高度表系統(tǒng)工作不正?；驕y(cè)高數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的原因主要有:

1)無線電高度表系統(tǒng)自身故障和設(shè)計(jì)缺陷，如系統(tǒng)解算或顯示故障，設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸紊亂，天線指標(biāo)不滿足裝機(jī)要求等。

2)無線電高度表系統(tǒng)裝機(jī)后受干擾。

①高度表天線在機(jī)上的布局不合理，高度表天線受其他設(shè)備的干擾，接收到的信號(hào)不穩(wěn)定或過大，超出收發(fā)機(jī)解算能力而造成輸出數(shù)據(jù)紊亂。

②該系統(tǒng)的各個(gè)組成單元或互聯(lián)電纜在系統(tǒng)運(yùn)行過程中受機(jī)內(nèi)電磁輻射或其他與其平行布線的大功率線纜耦合干擾而造成輸入出信號(hào)不穩(wěn)定。

1.1 高度表系統(tǒng)核查

由于該系統(tǒng)地面功能聯(lián)試階段順利通過，說明系統(tǒng)自身運(yùn)行正常，不存在系統(tǒng)自身解算或數(shù)據(jù)傳輸紊亂的問題，需重點(diǎn)核查功能聯(lián)試中不能檢測(cè)到的天線的指標(biāo)。

該高度表天線采用微帶型高度表天線，工作頻段4.2GHz～4.4GHz，要求其增益不小于 7dB，為滿足直升機(jī)俯仰和橫滾飛行姿態(tài)下的測(cè)高要求，要求主瓣寬度俯仰面能達(dá)到90度、橫滾面達(dá)到60度。根據(jù)其天線結(jié)構(gòu)形式仿真出典型工作頻點(diǎn)處輻射方向圖如圖1。

從FEKO仿真結(jié)果可知，無線電高度表天線的增益和主瓣寬度滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 高度表系統(tǒng)裝機(jī)干擾分析

檢查高度表系統(tǒng)各設(shè)備的機(jī)上安裝位置和電纜布線圖發(fā)現(xiàn)符合設(shè)備安裝和電纜布線要求;由于高度表天線工作在微波波段，如果和該工作頻段相近或更高的外部輻射信號(hào)通過線纜接收進(jìn)行耦合，其在線纜中的傳輸衰減很大，對(duì)信號(hào)傳輸影響較小。

圖1 電高度表方向圖

高度表天線對(duì)間的安裝距離為680mm，滿足要求，其布局如圖2。

由天線布局發(fā)現(xiàn)，高度表天線安裝距離雖然滿足要求，但天線對(duì)之間還安裝有超短波天線，可能由于天線間的串?dāng)_或超短波天線的反射等因素影響高度表天線間的隔離度，從而壓制了接收天線的有用信號(hào)，使之不能正常工作。

圖2 高度表天線原天線布局情況

通過試驗(yàn)室模擬，高度表天線在按實(shí)際安裝距離680mm安裝時(shí)，對(duì)以下五種不同天線布局狀態(tài)下高度表天線對(duì)間的隔離度進(jìn)行了摸底測(cè)試:

1)機(jī)上超短波天線(帶頂天線)按真實(shí)情況安裝;

2)去除機(jī)載超短波天線，但保留安裝支架;

3)去除機(jī)載超短波天線和安裝支架;

4)換裝平板型天線，使用原安裝支架;

5)只換裝平板型天線。

其中:

狀態(tài)1的目的為模擬機(jī)上實(shí)際天線布局狀態(tài)，確定高度表天線對(duì)間隔離度大小;

狀態(tài)2和狀態(tài)3為摸清超短波天線及其安裝支架對(duì)高度表天線對(duì)間隔離度的影響程度;

狀態(tài)4和狀態(tài)5為探索在不改變機(jī)上原有天線布局的狀態(tài)下，通過換裝或修改超短波天線徹底解決該問題的可能性。

各狀態(tài)下高度表天線對(duì)間的隔離度(包括裝機(jī)電纜損耗)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 高度表天線隔離度試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)結(jié)果表明:高度表天線間安裝超短波天線(無論是帶頂或平板天線)使其隔離度大幅度降低，減小至75dB以下，狀態(tài)1、4和狀態(tài)5不滿足高度表天線安裝要求;去掉中間的天線，如狀態(tài)2和狀態(tài)3滿足高度表天線安裝要求。

2 超短波天線和高度表天線電磁兼容問題研究

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在保持原有天線布局的情況下，換裝天線的解決方式不可行。要最終解決高度表受干擾的問題，還需要合理安排超短波天線和高度表天線對(duì)的布局。

在重新考慮天線布局時(shí)，必須保證:

1)高度表天線對(duì)的隔離度能滿足其正常工作的要求;

2)高度表天線的裝機(jī)方向圖(如主瓣寬度、后瓣和波瓣傾角等)和增益應(yīng)滿足直升機(jī)俯仰45度或橫滾30度飛行姿態(tài)下的測(cè)高要求;

3)超短波天線的裝機(jī)方向圖滿足裝機(jī)要求;

4)超短波天線和高度表天線在新的布局位置不對(duì)機(jī)上其他系統(tǒng)產(chǎn)生新的干擾。

最終使超短波天線和高度表天線都能正常工作，并不影響機(jī)上其他已正常工作的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)上系統(tǒng)間的電磁兼容設(shè)計(jì)目標(biāo)。

根據(jù)該直升機(jī)外部特征以及機(jī)載天線布局情況，以滿足上述系統(tǒng)間電磁兼容的要求為目標(biāo)，在盡量保持原有機(jī)上狀態(tài)的指導(dǎo)方向下，提出如下三種解決思路，如圖4。

圖4 三種解決思路圖示

方案A:超短波天線不動(dòng)、重新對(duì)高度表天線對(duì)進(jìn)行布局。

方案B:超短波天線前移至少400mm、高度表天線對(duì)不動(dòng)或后移。

方案C:超短波天線后移約1000mm、高度表天線對(duì)不動(dòng)或前移(尾部安裝有著陸燈)。

以下是通過FEKO軟件對(duì)上述不同解決措施進(jìn)行的分析仿真。

2.1 隔離度的計(jì)算理論依據(jù)

天線隔離度是衡量天線電磁兼容性的重要指標(biāo)，一般定義為接收天線所接收的功率Pr與發(fā)射天線的發(fā)射功率Pt的比值，如式(1)。

對(duì)于高度表天線，其相互影響為輻射場(chǎng)。若發(fā)射天線的發(fā)射功率為Pt，增益為Gt，接收天線的接收功率為Pt，增益為Gt;接收天線與發(fā)射天線間的距離為r，收發(fā)天線外形尺寸與r相比很小，則隔離度如式(2)。

其中:Ft(θ，φ)與Fr(θ，φ)為其歸一化方向性函數(shù);(θt，φt)是發(fā)射天線坐標(biāo)系中接收點(diǎn)指向角;(θr，

2.2 高度表隔離度計(jì)算結(jié)果

機(jī)載超短波天線分別安裝在原天線布局位置(方案A)，前移400mm(方案B)和后移1000mm(方案C)時(shí)，高度表天線對(duì)之間的隔離度仿真結(jié)果如圖5所示。φr)是接收天線坐標(biāo)系中發(fā)射點(diǎn)的指向角。

當(dāng)收發(fā)天線之間的極化不完全匹配時(shí)，還要增加極化失配帶來的隔離度LP，即總的天線隔離度滿足式(3)。

圖5 高度表天線對(duì)間各方案下的隔離度

說明:仿真結(jié)果只為高度表天線之間的隔離度，收/發(fā)機(jī)隔離度至少還需包含高度表收、發(fā)天線射頻電纜的損耗(每根約為5dB)。

仿真結(jié)果與試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果比較吻合，方案A隔離度較低，不能滿足要求;方案B和方案C高度表隔離度都能滿足高度表工作要求。

2.3 高度表裝機(jī)方向圖

上述三個(gè)方案，高度表天線典型頻點(diǎn)的裝機(jī)方向圖仿真結(jié)果如圖6。

圖6 高度表天線XZ面和YZ面的裝機(jī)方向圖

由仿真結(jié)果可知，高度表天線的增益在各方案較其在自由空間的輻射都有幾乎相同幅度的減少，但主瓣寬度仍能滿足要求。

方案A下，由于超短波天線的反射及串?dāng)_，XZ面主瓣方向產(chǎn)生明顯的振蕩，可能造成高度表系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定;

在方案B，裝機(jī)方向圖產(chǎn)生較大的后瓣，容易對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾;

對(duì)于方案C，主瓣寬度滿足要求，且圓滑度很好，后瓣及旁瓣壓制得很低。

2.4 超短波天線3的裝機(jī)方向圖

超短波天線在上述三個(gè)方案下典型工作頻點(diǎn)處(108MHz、174MHz、225MHz和 400MHz)的裝機(jī)方向圖如圖7。

圖7 超短波天線3 XY面裝機(jī)方向圖

通過各狀態(tài)下仿真結(jié)果的比較可知:

在VHF(甚高頻)頻段，由于天線工作波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，各方案下，機(jī)身對(duì)于超短波裝機(jī)方向圖全向性的影響差別不大;

而在UHF(特高頻)頻段，由于機(jī)身遮擋，超短波天線在越接近后艙門的安裝位置，輻射盲區(qū)越大。方案B與方案A相比，在輻射增益上有平均約3dB的提高，對(duì)該方向上的通信距離提高有所幫助，通信覆蓋范圍幾乎相同;方案C與方案A相比，增益有平均約2dB的提高，但通信覆蓋范圍增加近60度，能比其他兩種方案更好地滿足超短波天線通信全向性的要求。

2.5 解決方案確定

由GJB 2746－96《機(jī)載天線通用規(guī)范》關(guān)于機(jī)載天線方向圖、增益和后瓣等裝機(jī)后畸變限值的要求，根據(jù)該直升機(jī)高度表天線對(duì)裝機(jī)隔離度和主瓣寬度的實(shí)際需要，綜合考慮高度表天線對(duì)裝機(jī)隔離度和方向圖、超短波天線的裝機(jī)方向圖等方面的仿真結(jié)果，在滿足全機(jī)系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的前提下，以盡量保持機(jī)上原有狀態(tài)為指導(dǎo)思想，選擇解決方案C，即高度表天線安裝位置不變、超短波天線后移至離高度表后天線約1000mm處，其最終安裝位置可根據(jù)機(jī)上實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)。

該解決方案被采用后，經(jīng)試飛驗(yàn)證，高度表工作正常。該EMI問題的解決為微帶型無線電高度表天線布局提供了重要的指導(dǎo)。

3 結(jié)束語

整機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)隨著直升機(jī)對(duì)電子設(shè)備依賴的加強(qiáng)而逐步受到型號(hào)設(shè)計(jì)者的重視，并且會(huì)隨著電子系統(tǒng)在機(jī)上的重要性的增強(qiáng)以及直升機(jī)特別是軍用直升機(jī)在未來電磁戰(zhàn)的使用而變成迫切的需要?，F(xiàn)代直升機(jī)功能與性能對(duì)于電子電氣系統(tǒng)的嚴(yán)重依賴，已經(jīng)使得電磁兼容問題成為制約直升機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

本文根據(jù)對(duì)直升機(jī)無線電高度表顯示紊亂故障的分析，在滿足機(jī)載天線裝機(jī)規(guī)范和實(shí)際需求的前提下，以全機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)要求為目標(biāo)，提出了多種解決方案，并通過使用電磁理論、軟件仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)各方案進(jìn)行了預(yù)估，選取了最優(yōu)方案，為微帶型無線電高度表在直升機(jī)上的天線布局提供了重要的指導(dǎo)，也為解決直升機(jī)上的此類電磁兼容問題探索出了一種快速、高效的方法。

［1］GJB 2746－96，機(jī)載天線通用規(guī)范［S］.

［2］GJB 5035－2001，甚高頻機(jī)載通信系統(tǒng)設(shè)備天線分系統(tǒng)通用規(guī)范［S］.

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