機(jī)載射頻收發(fā)系統(tǒng)電磁兼容性預(yù)測分析方法研究

王 濤 白天明 李 威 王 磊

(91655部隊 北京 100039)

1 引言

在信息時代，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的電子、電氣設(shè)備被裝載于空間相對有限的飛機(jī)上，這就帶來了嚴(yán)重的電磁干擾問題。眾多的機(jī)載電子、電氣設(shè)備由于其較高敏感性，成為了電磁干擾的重災(zāi)區(qū)。為了解決機(jī)載通信系統(tǒng)電磁兼容性問題，進(jìn)行電磁兼容性預(yù)測分析和頻譜管理是至關(guān)重要的一項工作。

電磁干擾的形成必須同時具備以下三個要素[1]:

a.電磁干擾源:指產(chǎn)生電磁干擾的元件、器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或者自然現(xiàn)象。

b.敏感設(shè)備:指電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備。

c.耦合通道:指把能量從干擾源耦合(或者轉(zhuǎn)播)到敏感設(shè)備上，并使該設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)的通路或者媒介。

通常將這三個要素稱為電磁干擾三要素，如圖1所示。

圖1 電磁干擾三要素

由電磁干擾源出發(fā)的能量，經(jīng)過某種耦合通道傳輸至敏感設(shè)備，導(dǎo)致敏感設(shè)備出現(xiàn)某種形式的響應(yīng)并產(chǎn)生效果。這一作用過程及其效果，稱為電磁干擾效應(yīng)。

為了說明電磁干擾源是否對敏感設(shè)備造成干擾，從而產(chǎn)生電磁干擾效應(yīng)，引入電磁干擾安全裕度SI，它定義為敏感度門限電平S與出現(xiàn)在關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)或者信號線上干擾電平I之比值，即

當(dāng)SI＜1，即S＜I時，表示存在干擾效應(yīng);

當(dāng)SI＞1，即 S＞I時，表示無干擾效應(yīng)，電磁兼容;

當(dāng)SI=1，即S=I時，表示處于臨界兼容狀態(tài)。

在機(jī)載射頻收發(fā)系統(tǒng)電磁兼容性預(yù)測分析中，干擾源是發(fā)射機(jī)，敏感設(shè)備是接收機(jī)，耦合通道是電磁波從發(fā)射機(jī)發(fā)射后到達(dá)接收機(jī)的通道。發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和耦合通道是機(jī)載射頻收發(fā)系統(tǒng)間電磁兼容分析的三要素。

2 電磁干擾預(yù)測方程

基于電磁干擾預(yù)測方程對飛機(jī)電子、電氣設(shè)備進(jìn)行了電磁兼容性預(yù)測分析。

潛在干擾問題的嚴(yán)重程度可由有效功率與敏感度閾值之差來指示，此數(shù)值稱為干擾余量IM，即[2]如果IM為正，則存在潛在干擾問題，如果為負(fù)，則幾乎沒有可能產(chǎn)生干擾。

對于接收機(jī)來說，PR即為靈敏度，通常用內(nèi)部噪聲N表征，所示式(1)的IM表示調(diào)諧時在接收機(jī)輸入端的干擾——噪聲比，如果將PA與PR的表達(dá)式展開，且收發(fā)頻率有一間隔Δf時，則式(1)變?yōu)閇2]

式中:PT(fE)在發(fā)射頻率 fE時的發(fā)射功率(dBm)，GT(fE，t，d，p)發(fā)射天線在發(fā)射頻率 fE時在接收天線方向的增益(dB)，L(fE，t，d，p)收發(fā)天線間在頻率 fE時的傳播損失(dB)，GR(fE，t，d，p)在發(fā)射天線方向，在頻率fE時接收天線增益(dB)，PR(fR)在響應(yīng)頻率fE時的接收機(jī)敏感度閾值(dBm)，CF(BT，BT，Δf)計入發(fā)射機(jī)和接收機(jī)帶寬 BT、BR及發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率fE與接收機(jī)響應(yīng)頻率fR之間的頻率間隔的系數(shù)(dB)。

干擾分析余量包括以下四種:

FIM(基波干擾余量):發(fā)射機(jī)基波發(fā)射與接收機(jī)基波響應(yīng);

TIM(發(fā)射機(jī)干擾余量):發(fā)射機(jī)基波發(fā)射與接收機(jī)亂真響應(yīng);

RIM(接收機(jī)干擾余量):發(fā)射機(jī)亂真發(fā)射與接收機(jī)基波響應(yīng);

SIM(雜波干擾余量):發(fā)射機(jī)亂真發(fā)射與接收機(jī)亂真響應(yīng)。

根據(jù)諧波發(fā)射幅度模型[2]及亂真響應(yīng)敏感度閾值模型[2]，分別見(3)、(4)式:

可推導(dǎo)出干擾與量計算公式如下。

FIM干擾余量計算公式:RIM干擾余量計算公式:

TIM干擾余量計算公式:

SIM干擾余量計算公式:

根據(jù)發(fā)射－響應(yīng)關(guān)系確定干擾余量計算公式，如果IM＜－10dB則不可能產(chǎn)生干擾，如果IM＞－10dB則產(chǎn)生干擾。

飛機(jī)上超短波電臺接收機(jī)靈敏度比較高，所處的電磁環(huán)境非常惡劣，特別是在機(jī)上其他設(shè)備的對外輻射較強(qiáng)時，接收機(jī)更容易受到許多設(shè)備的干擾，下面將以機(jī)載短波發(fā)射機(jī)5次諧波干擾超短波接收機(jī)為例，說明其受擾程度，并運(yùn)用理論計算和場路結(jié)合的方法進(jìn)行電磁干擾預(yù)測分析。

3 理論計算方法

首先以基于電磁干擾預(yù)測方程的方法進(jìn)行干擾預(yù)測分析。根據(jù)某型飛機(jī)上通信電臺使用情況，設(shè)機(jī)上短波發(fā)射機(jī)功率為100W(50dBm)、工作頻率為25MHz、發(fā)射天線增益為0dB，超短波接收機(jī)靈敏度為－113dBm、工作頻率為125MHz、接收天線增益為0dB。由此可見，短波發(fā)射基波為25MHz其5次諧波與超短波基波頻率相同，對超短波接收機(jī)造成干擾。根據(jù)判定依據(jù)[2]:

可知(125MHz－25MHz)＞25MHz，由于是短波電臺5次諧波對超短波電臺的影響，所以只需考慮RIM干擾余量。

根據(jù)公式(6)，其中A、B的取值見表1。

表1 有現(xiàn)成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計綜合得到的發(fā)射機(jī)諧波模型常數(shù)

經(jīng)計算可得:

IM=50－49－20－38.9+113=55.1dB ＞ －10dB說明短波電臺發(fā)射機(jī)對超短波電臺接收機(jī)產(chǎn)生了嚴(yán)重的電磁干擾。

從干擾余量計算公式中可以看到，涉及電路分析的衰減因子計算為諧波相對于接收機(jī)主譜上的衰減，這可以直接由設(shè)計指標(biāo)得到一些信息，在精度要求不高、粗略估計干擾余量的情況下可以使用，當(dāng)精度要求較高，需細(xì)估余量時，則可以依據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行行為級仿真模型和天線模型計算較精確的帶外誤差。

4 場路結(jié)合的建模仿真方法

根據(jù)對RIM干擾余量計算公式的分析可知，式中 PT、GTR、GRT、PR均為不變的值，而式中可變的值為Alg(fOT/fOR)、B、L，其中 A、B均為根據(jù)不同型號發(fā)射機(jī)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計綜合得到的值，L也是由計算公式計算得到粗略值，所以我們針對公式中 Alg(fOT/fOR)+B可以運(yùn)用路的方法也就是ADS仿真軟件計算帶外抑制，針對L可以運(yùn)用場的方法也就是HFSS仿真軟件計算天線間隔離度，來降低干擾，優(yōu)化天線布局。

4.1 建立行為級模型

圖2為短波發(fā)信機(jī)干擾超短波收信機(jī)的收發(fā)信機(jī)行為級模型。其中Sig－in為超短波信號輸入端，Sig－in－1為短波干擾信號輸入端，Sig－out為超短波接收機(jī)接收有用信號輸出端，Sig－out－2為短波干擾信號與超短波有用信號疊加后輸出端。

圖2 電路系統(tǒng)級模型

圖3是正常信號輸出端輸出的頻譜圖，圖4為干擾信號和有用信號疊加后輸出的頻譜圖，可由圖4 中 Sig－out、Sig－out－2 輸出端可以看出，在干擾信號的作用下，接收端有用信號輸出頻譜較正常解調(diào)頻譜產(chǎn)生了明顯降低，而且干擾信號也被接收機(jī)解調(diào)出來，并且具有一定幅度，未加干擾時輸出信號幅度為44.497dBm，疊加干擾信號后輸出信號幅度為38.677dBm，下降了5.82dBm，解調(diào)出的干擾信號幅度為1.153dBm，由此可說明短波25MHz產(chǎn)生的5次諧波分量干擾了接收機(jī)的正常接收。

圖5為疊加信號的時域波形，從時域波形也可看出藍(lán)色代表原有用信號的輸出波形，紅色為疊加了干擾信號以后的輸出波形，可看出，疊加干擾信號后，在干擾信號的作用下，有用信號幅度產(chǎn)生了明顯降低。

由圖6可見，25MHz基波分量幅度為28.059dBm，所產(chǎn)生的5次諧波125MHz分量幅度為－34.755dBm，幅度差為:－34.755－28.059=－62.814dB。

圖7為對電路中的非線性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后發(fā)射機(jī)的基波分量和5次諧波分量的頻譜圖。

由圖7所示頻譜圖可見，基波與5次諧波幅度差為－79.271－18.057=－97.328dB，與調(diào)整前相比降低了34.514dB。

圖7 發(fā)射機(jī)輸出頻譜

由以上仿真結(jié)果可知ADS建模仿真得到的分析結(jié)果與理論計算值－69dbm相比基本一致，首先證明了建模仿真方法的可行性，其次說明通過對帶外信號進(jìn)行抑制后，可進(jìn)一步降低幅度差，達(dá)到對五次諧波的抑制作用。

4.2 建立HFSS模型

HFSS13.0仿真軟件是以有限元方法為主，對結(jié)構(gòu)精密、電尺寸較小的天線結(jié)構(gòu)仿真計算上有較高精度和準(zhǔn)確性，比較適合本文短波超短波天線的仿真。所以，通過HFSS對飛機(jī)超短波天線、短波天線等進(jìn)行仿真，得到天線隔離度，將以上場路仿真得到的結(jié)果帶入電磁干擾預(yù)測方程得到干擾余量。

首先在HFSS環(huán)境下建立簡化飛機(jī)模型、短波天線模型及超短波天線模型。

圖8、圖9為短波天線和超短波天線垂直面方向圖。

圖8 短波天線方向圖

飛機(jī)簡易模型和短波天線在正常工作時在機(jī)身輻射的場強(qiáng)分布圖如圖10、圖11所示。

從場強(qiáng)分布圖可以看出，短波天線在正常工作時其輻射場覆蓋了超短波天線所在的機(jī)身表面，由于天線間的耦合作用，短波發(fā)射天線對超短波天線的正常接收會造成一定影響。

經(jīng)過軟件計算得到S11、S12、S21、及S22參數(shù)，由下式可計算天線間隔離度:

通過計算得出短波天線相對超短波天線的隔離度為44.9dB，與理論計算公式中的空間衰減量38.9dB相比有所提高，說明運(yùn)用場仿真的方法計算隔離度可使干擾余量降低，并且可以通過優(yōu)化天線布局來進(jìn)一步提高天線間隔離度，來達(dá)到降低干擾余量的目的。

5 結(jié)論

本文主要做了兩方面的工作。首先，運(yùn)用基于電磁干擾預(yù)測方程的理論計算方法計算了干擾余量，得到了一個粗略的值，然后運(yùn)用ADS軟件分別搭建了短波、超短波的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)行為級模型，從而計算其間帶外干擾抑制的幅度，再運(yùn)用HFSS軟件對機(jī)載短波天線和超短波天線進(jìn)行天線間隔離度的仿真，通過軟件計算得到其S參數(shù)，再通過天線隔離度計算公式計算得到天線間隔離度。最后，將運(yùn)用兩個軟件仿真得到的結(jié)果代入到理論計算公式中，可以得比較精確的電磁干擾余量值，即可精確計算干擾余量。通過以上兩種方法對飛機(jī)電磁兼容預(yù)測分析的結(jié)果進(jìn)行比較可知，首先通過改變ADS模型中收發(fā)信機(jī)非線性器件參數(shù)，可提高帶外抑制，其次改變天線布局可提高天線間隔離度，最終達(dá)到了降低干擾余量的作用。由于篇幅有限，本文只以短波諧波干擾發(fā)射超短波接收為例計算了RIM類型干擾余量，可依據(jù)本文的方法也可對FIM、TIM和SIM類型余量進(jìn)行精確計算。

本文的分析可以有效解決飛機(jī)系統(tǒng)級電磁兼容的問題，改善了機(jī)載設(shè)備間產(chǎn)生的電磁干擾對設(shè)備正常工作的影響，使系統(tǒng)之間相互兼容、協(xié)調(diào)工作，提高了工作效率和作戰(zhàn)效能，保證飛機(jī)能夠適應(yīng)未來一體化作戰(zhàn)模式。對頻譜管理和設(shè)備研制亦可提供技術(shù)支撐。

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