機載通信系統(tǒng)多功能間的電磁兼容設計方法

趙 利

(中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都610036)

0 引言

機載通信系統(tǒng)的電磁兼容性是指電子設備或功能在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標，同時它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其他設備或功能的正常運行，并達到設備與設備之間、功能與功能之間互不干擾、共同可靠工作的目的。機載通信系統(tǒng)通常包括多個功能，如短波通信功能、超短波通信功能、衛(wèi)星通信功能等。某些功能的工作頻段可能相同或相近，如兩個或多個超短波通信功能之間、超短波通信功能與UHF頻段衛(wèi)通功能之間等。當其中一個功能發(fā)射時，就很容易在其他功能接收端口產(chǎn)生較大的干擾信號，使工作在高靈敏度接收狀態(tài)的其他功能阻塞或前端燒毀，讓兩個或多個功能之間不能同時工作。因此，系統(tǒng)設計時，需高度重視各功能間的電磁兼容，從多個方面采取措施，解決電磁兼容問題，達到同時工作的目的。

1 系統(tǒng)架構

機載通信系統(tǒng)由多個功能組成，每個功能由功能天線、1條或多條收/發(fā)通路和系統(tǒng)綜合管理共同完成，如圖1所示。功能天線主要完成功能信號的接收和輻射;收/發(fā)通路主要完成收/發(fā)信號的濾波、放大、變頻、解調(diào)/調(diào)制和解碼/編碼等功能;系統(tǒng)綜合處理主要完成系統(tǒng)控制管理、數(shù)據(jù)信號處理、音頻信號處理和綜合顯控等功能。

圖1 機載通信系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition diagram of airborne communication system

接收時，來自天線的接收信號經(jīng)接收通路進行濾波、放大、變頻、解調(diào)和解碼處理后，送系統(tǒng)綜合處理完成音頻信號處理或數(shù)據(jù)信號處理;發(fā)射時，來自系統(tǒng)綜合處理的音頻信號或數(shù)據(jù)信號，經(jīng)發(fā)射通路進行編碼、調(diào)制、變頻、濾波和放大后，得到射頻信號，經(jīng)功能天線發(fā)射出去。所有接收通路和發(fā)射通路的工作頻率、工作模式和工作狀態(tài)等均由系統(tǒng)控制管理統(tǒng)一掌控。

2 影響因素

從前面的分析可以看出，一個功能的實現(xiàn)需要功能天線、收/發(fā)通路和系統(tǒng)控制管理相互配合，任何一部分設計不當，均可能引起電磁兼容問題。

2.1 天線

隨著通信技術的快速發(fā)展，越來越多的電子通信設備被集成在一個飛機平臺中，如圖2所示。在一個有限的空間內(nèi)需要安裝多個工作頻段相近或相同的天線來接收或發(fā)射電子信號。如果天線布局不合理，天線耦合度較高，通過空間輻射和天線耦合，同一系統(tǒng)中不同天線間容易引起很強的近場耦合，從而使得各收/發(fā)通路受到干擾，不能正常工作。因此，天線間的耦合是電磁兼容控制的關鍵要素，天線的合理布局是解決機載通信系統(tǒng)電磁兼容的重要環(huán)節(jié)［1］。

圖2 E－3A預警機天線的布局［2］Fig.2 Antenna layout of E －3A AWACS

2.2 收/發(fā)通路

雖然在考慮天線布局時，會讓天線耦合度盡可能低，但飛機的安裝空間畢竟有限，天線隔離只能達到一定水平，電磁兼容性也只能控制在一定程度。這時就需要通過其他途徑來進一步提高電磁兼容性。如果接收通路不能承受強干擾信號，接收通路就容易受干擾;如果發(fā)射通路不僅發(fā)射有用信號，還發(fā)射了強的無用信號或帶寬噪聲，發(fā)射通路就容易干擾其他通路或功能。以上任何一種情況均會引起電磁兼容問題。因此，規(guī)范收/發(fā)通路設計也是電磁兼容性控制的重要環(huán)節(jié)。

2.3 系統(tǒng)控制管理

如果通過合理設計天線布局和收/發(fā)通路仍不能實現(xiàn)各功能間的電磁兼容，就可以通過系統(tǒng)控制管理來統(tǒng)籌規(guī)劃。通過系統(tǒng)控制管理，可以讓可能相互影響的功能不同時工作或讓工作頻率間隔足夠遠，從而達到電磁兼容的目的。因此，系統(tǒng)控制管理也是解決機載通信系統(tǒng)電磁兼容的重要途徑［3］。

3 解決措施

3.1 天線布局

在設計天線布局時，需綜合考慮各功能對天線/天線陣的功能、工作方式、工作頻率、覆蓋空域、極化形式、安裝位置等因素的要求，以及飛機氣動外形、氣動載荷、結構強度等方面的要求，對全機天線進行一體化優(yōu)化布局設計，最大程度地減少各類天線/天線陣之間的耦合，減少各系統(tǒng)之間電磁干擾。

為了解決天線數(shù)量眾多、布局困難的問題，改善系統(tǒng)電磁兼容性能，在同一機載系統(tǒng)中，如果存在多個工作頻段相同或相近(如多路超短波通信之間)，可結合天線工作方式，采取收/發(fā)天線分開和天線共用的實現(xiàn)方式;如果存在兩種功能工作頻段相差較遠、工作模式差別較大的情況(如超短波通信與塔康等)，可將兩種天線在物理上作到一起，以節(jié)省安裝空間。

3.2 收/發(fā)通路

多條通路在同一飛機平臺上能否同時工作，除了天線布局外，還與收/發(fā)通路設計有很大關系。通過合理要求收/發(fā)通路的各項指標，規(guī)范收/發(fā)通路設計，可進一步提高各功能之間的電磁兼容性。

(1)發(fā)射通路

理想的發(fā)射通路只發(fā)射有用信號，不含任何無用信號。但由于數(shù)字信號豐富的頻譜特性、頻率源的雜散和寬帶噪聲以及通道上放大器和混頻器的非線性等多種因素，導致發(fā)射通路發(fā)射出來的信號除主頻信號以外，還有許多無用信號，如雜散、諧波、寬帶噪聲和反向互調(diào)產(chǎn)物等。為了減少發(fā)射信號對其他設備的干擾，通常用發(fā)射功率、鄰道功率比、諧波抑制、雜散抑制、寬帶噪聲和反向互調(diào)等技術指標來規(guī)范發(fā)射通路的設計［4］。發(fā)射通路設計時，根據(jù)工作頻點、信號帶寬、通道增益、濾波特性和線性度等要求，選擇合適的濾波器、放大器和混頻器，使各項技術指標滿足設計要求。

(2)接收通路

在復雜的電磁環(huán)境下，接收通路除了會接收到有用信號以外，還會接收到很多無用信號。為了將有用信號有效提取出來，接收通路的設計始終圍繞著濾波、放大和混頻等多項工作開展［5］。通常用抗阻塞電平、交調(diào)抑制、互調(diào)抑制、鄰道抑制、中頻抑制和鏡頻抑制等技術指標來規(guī)范接收通路的抗干擾能力。接收通路設計時，選擇合適的濾波器、放大器和混頻器，使各項技術指標滿足設計要求。

3.3 系統(tǒng)控制管理

機載通信系統(tǒng)內(nèi)各功能間工作頻率重疊嚴重、電磁頻譜異常復雜。在采用上述電磁兼容設計基礎上，對仍存在電磁兼容問題，特別是工作在相同或相鄰頻段的，可根據(jù)任務需求，從系統(tǒng)控制管理上采取一定措施，如頻率管理、分時工作和消隱/閉鎖等。

1)頻率管理主要基于頻率使用的各項規(guī)定、機載電子設備的配置情況和頻率特性、機載系統(tǒng)電磁兼容情況和使用需求等信息、對機載電子設備同時工作的工作頻率進行統(tǒng)一規(guī)劃和管理。在頻率資源允許的情況下，避免各電子設備的相互干擾。

2)分時工作主要從時域上將兩個或多個功能分開，如設置工作時隙，讓各個功能分別工作在不同時間上。

3)消隱/閉鎖主要從任務需求或功能優(yōu)先級出發(fā)，當某個功能工作時，讓另外一個功能停止工作，從而達到互不影響的目的。

4 典型例子

超短波通信是機載通信系統(tǒng)中常用通信手段，通常配有2條或2條以上超短波通信通路，以滿足不同的通信需求。在E－3A預警機上，共有13名任務系統(tǒng)操作員，配備了多部超短波電臺ARC－164，用于對預警機和戰(zhàn)斗機的空－空話音和數(shù)據(jù)通信，也用于對預警機和地面指揮所的空－地話音和數(shù)據(jù)通信［2］。如何實現(xiàn)多部超短波電臺的同時工作是一個非常突出的電磁兼容問題。下面以E－3A預警機為平臺，利用上述解決措施，探討如何實現(xiàn)多部超短波電臺之間的電磁兼容。

4.1 天線布局

E－3A預警機包含多副天線和多種電子設備，如果每部超短波電臺均獨立分配1副超短波收/發(fā)天線，不僅多副超短波收/發(fā)天線難以布局，其他種類天線的布局也會非常困難;既難實現(xiàn)多部超短波電臺的同時工作，也難實現(xiàn)超短波電臺與其他電子設備的同時工作。為了減少超短波天線數(shù)量，提高天線間的隔離度，可采用收發(fā)天線分開和天線共用的實現(xiàn)方式。即多部超短波電臺的收支路共用1副超短波收天線，多部超短波電臺的發(fā)支路共用1副超短波發(fā)天線。

當然，在進行超短波收天線和發(fā)天線的布局時，還需綜合考慮超短波天線的覆蓋空域、極化方式，飛機外形結構等對天線方向圖的影響，以及飛機的氣動外形、電子設備安裝位置和天線工作方式等。

據(jù)推測，E－3A預警機中超短波發(fā)射天線應安裝在前機身上部，接收天線應安裝在前機身下部［2］，如圖2所示。超短波天線之間的隔離度可達到40 dB以上。

4.2 收/發(fā)通路

多條超短波通信通路要同時工作，收/發(fā)通路的諧波抑制、雜散抑制、寬帶噪聲、反向互調(diào)、抗阻塞電平、交調(diào)抑制和鏡頻抑制等多項技術指標均需滿足一定要求。在這些技術指標中，抗阻塞電平和寬帶噪聲是超短波通路設計的重點和難點。下面以抗阻塞電平和寬帶噪聲的設計為例，先介紹2條超短波通信通路的指標需求分析與實現(xiàn)，再擴展到多通路的指標需求分析與實現(xiàn)。

(1)抗阻塞電平指標需求分析與實現(xiàn)

以2條超短波通信通路為例，如果超短波通信通路1的發(fā)射功率約為20 W，該發(fā)射信號通過天線輻射和空間衰減后，會到達超短波通信通路2的接收端，并且信號電平比較強，如圖3所示。在該強干擾信號下，超短波通信通路2的接收通路不能被阻塞。即接收通路的抗阻塞電平需優(yōu)于該強干擾信號電平，具體計算如下:

即，超短波通信通路的抗阻塞電平應優(yōu)于3 dBm。

圖3 2條超短波通信通路同時工作示意Fig.3 Working together of two ultra－ short wave communication pathways

超短波接收信號的一般處理流程為:超短波天線→頻段濾波器(選擇工作頻段范圍內(nèi)的信號，一般插損較小)低噪聲放大器→預選濾波器(選擇具體工作頻率點的信號，一般插損較大)→低噪聲放大器→混頻器→中頻濾波器(選擇固定中頻的信號，頻段窄，矩形系數(shù)小，選擇性好)→放大器→…。干擾信號和有用信號經(jīng)過濾波器后的插損和經(jīng)過放大器的增益均有一定差異。為了實現(xiàn)該項抗阻塞電平指標，在設計超短波接收通路時，需結合其他指標，合理選擇各級的濾波器的選擇性和放大器的線性度。一般原則是:干擾信號進入接收通路后，放大器和混頻器等非線性器件需處于線性區(qū)或可接受的非線性區(qū);對于含AGC控制的接收通路，干擾信號不能影響AGC的正常工作。

(2)寬帶噪聲指標需求分析與實現(xiàn)

超短波通信通路1(工作在頻率f1)發(fā)射時，不僅會發(fā)射主頻信號，還會附帶出較強的寬帶噪聲，如圖4所示。

圖4 發(fā)射信號示意Fig.4 Correlation of the transmiting signals

如果落在超短波通信通路2(工作在頻率f2)接收頻段范圍內(nèi)寬帶噪聲比較大，將會影響超短波通信通路2的正常接收。因此，超短波通信通路的發(fā)射寬帶噪聲X(dBm/Hz)應盡可能小，具體計算方法如下:

X(dBm/Hz)－40 dB(隔離度)≤－100 dBm(接收靈敏度)－49 dBHz(80 kHz，信號帶寬)－10 dB(解調(diào)門限)

即，發(fā)射寬帶噪聲 X(dBm/Hz)應不大于－119 dBm/Hz。

超短波發(fā)射信號的一般處理流程為:…→中頻濾波器→放大器→混頻器→放大器→濾波器→末前級功率放大器→濾波器→末級功率放大器→超短波天線。在發(fā)射通路中，影響寬帶噪聲的因素主要包括本振寬帶噪聲、通道噪聲系數(shù)、非線性器件的線性度和濾波器的選擇性。本振寬帶噪聲會隨本振信號通過混頻器進入發(fā)射通道;通道噪聲會抬高通道噪聲水平;器件的非線性會引起擴譜，對寬帶信號尤其明顯;濾波器選擇不當或放置位置不當，均可能影響寬帶噪聲指標。因此，在設計發(fā)射通路時，結合其他發(fā)射指標，合理控制以上幾種因素。

(3)多個收發(fā)通路的指標分析與實現(xiàn)

如果機載通信系統(tǒng)包含多路超短波收發(fā)通路，如E－3A預警機，除了要實現(xiàn)單個收發(fā)通路的獨立設計(與2通路的實現(xiàn)方式基本相同)外，還需進行多通路間的聯(lián)合設計。為了實現(xiàn)多通路的同時工作，可在超短波天線與電臺之間串入共址濾波器，如圖5所示。

圖5 共址濾波器的應用示意Fig.5 Application of co － site filters

共址濾波器由多個子工作頻段濾波器組成，相鄰子段之間既相互銜接又相互獨立，共同覆蓋整個工作頻段。它不僅可以將多部電臺的工作頻段有效分開，提高電臺之間的電磁兼容性，又可以減少電臺的設計壓力，因此，共址濾波器也經(jīng)常用在只有2條超短波通路的飛機平臺上。

4.3 系統(tǒng)控制管理

根據(jù)抗阻塞電平和寬帶噪聲的指標需求，結合收/發(fā)通路設計的實際能力，以及天線隔離度，各超短波通信通路的工作頻率一般需間隔一段頻率才能正常工作。這就需要系統(tǒng)采取頻率管理措施，限定各超短波通信通路的相對工作頻率，從而達到電磁兼容的目的。

5 結語

機載通信系統(tǒng)功能眾多、關系復雜。如何實現(xiàn)各功能間的電磁兼容，是系統(tǒng)設計的重點，也是一個非常復雜的課題。文中從天線布局、收/發(fā)通路和系統(tǒng)控制管理三方面著手，結合實際工作經(jīng)驗，介紹了機載通信系統(tǒng)多功能間的電磁兼容設計方法，并以解決機載多個超短波電臺之間的電磁兼容問題為實例，給出了解決措施的典型應用，為解決機載通信系統(tǒng)多功能間的電磁兼容問題提供一定參考。

［1］路志勇，宋長宏.機載系統(tǒng)天線布局及電磁兼容分析［J］.微波學報，2010(08):10－12.LU Zhi－yong，SONG Chang － hong.Analysis on Antenna Distribution and EMC for the Airborne System［J］.Journal of Microwave，2010，8:10 －12.

［2］曹晨.預警機－信息化戰(zhàn)爭的空中帥府［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:174－178.CAO Chen.Air Early Warning － Villa Air of IT－based Warfare［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2009:174－178.

［3］韓帥濤，陸剛，毛猛.寬帶無線通信系統(tǒng)的研究與設計［J］.通信技術，2012，45(12):31－32.HAN Shuai－ tao，LU Gang，MAO Meng.Broadband Wireless Communication System Research and Design［J］.Communications Technology，2012，45(12):31 －32.

［4］陳邦媛.射頻通信電路［M］.北京:科學出版社，2003:76－78.CHEN Bang－yuan.Radio Communications Circuit［M］.Beijing:Science Press，2003:76－78.

［5］Ulrich L.Rohde.通信接收機:DSP、軟件無線電和設計［M］.Jerry C.Whitaker，王文桂，肖曉勁，等譯.第3版.北京:人民郵電出版社，2003:93－96.Ulrich L.Rohde.Communications Receivers:DSP，Software Radios，and Design［M］.Jerry C.Whitaker，WANG Wen － gui，XIAO Xiao － jing，etal.Third Edition.Beijing:Posts and Telecommunications Press，2003:93 －96.