被動(dòng)接收機(jī)應(yīng)對民用基站干擾的對策

朱利超,陸建亞，呂　建

(1.海軍裝備采購中心,北京100071;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

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被動(dòng)接收機(jī)應(yīng)對民用基站干擾的對策

朱利超1,陸建亞2，呂建2

(1.海軍裝備采購中心,北京100071;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京211153)

摘要:2015年手機(jī)用戶已經(jīng)超過20億,民用通訊基站密布,污染著電磁環(huán)境。分析了民用基站的信號特點(diǎn)。從硬件設(shè)計(jì)的角度,對被動(dòng)接收機(jī)造成的干擾提出了被動(dòng)接收機(jī)的應(yīng)對辦法和采取的具體措施,可有效提高被動(dòng)接收機(jī)對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞:雷達(dá);被動(dòng)接收機(jī);基站干擾;對策

0引言

被動(dòng)接收機(jī)通常為超寬帶形式的接收機(jī),多倍頻程覆蓋,頻率寬開,可以接收并分選來自P到X頻段以上的各種輻射源信號,但也容易受到來自近程大功率輻射源的干擾,尤其是鄰近的民用通訊基站的干擾。所以,被動(dòng)接收機(jī)通常要求數(shù)公里內(nèi)無大功率輻射源。然而,民用通訊的普及使得民用通訊基站無處不在,要求無干擾的理想環(huán)境是不現(xiàn)實(shí)的。因此,有必要考慮被動(dòng)接收機(jī)自身對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性。

1基站信號現(xiàn)狀

1.1頻率覆蓋

目前,國內(nèi)民用通訊主要有3家運(yùn)行商:移動(dòng)、聯(lián)通和電信,頻率覆蓋825~960 MHz、1710~2655 MHz,見表1[1]。

1.2功率電平

GSM手機(jī)的最大輸出功率為2 W,CDMA手機(jī)最大輸出功率為200 mW(23 dBm,CDMAIS-95A規(guī)范要求為23~30 dBm),TD-LTE手機(jī)最大輸出功率為200 mW(TS36.101規(guī)范)。

基站的功率設(shè)置與基站的分布密度有關(guān),郊區(qū)基站通常設(shè)置為40 W標(biāo)準(zhǔn)功率,偏遠(yuǎn)地區(qū)可能會(huì)3倍以上,而海面基站可能會(huì)達(dá)到200 W以上。

郊區(qū)基站通常設(shè)置為40 W標(biāo)準(zhǔn)功率,基站天線增益通常為12 dBi、15 dBi、17 dBi。

除了基站的強(qiáng)輻射,手機(jī)的輻射也不可忽視,因?yàn)槭謾C(jī)的距離更近。在一些情況下,為了能保證通信質(zhì)量,手機(jī)發(fā)射功率會(huì)自動(dòng)調(diào)整到大的功率狀態(tài),例如手機(jī)在基站覆蓋的遠(yuǎn)端、手機(jī)被遮擋處在無線陰影區(qū)內(nèi)、手機(jī)處在干擾較大的環(huán)境下。

表1

2對被動(dòng)接收機(jī)的影響

考慮40 W標(biāo)準(zhǔn)基站,基站天線增益15 dBi,遠(yuǎn)離基站1 km處的被動(dòng)接收機(jī),基站信號到達(dá)被動(dòng)接收機(jī)端口的大小估算[2]:

(1)

Lfs=32.45+20log10d(km)+20log10f(MHz)

(2)

式中,Vr為基站發(fā)射機(jī)輸出功率(dBm),Gr為基站天線增益(dBi),Lfs為自由空間傳播路徑損耗(dB),Gin為接收天線增益(dBi),d為被動(dòng)接收機(jī)到基站的距離(km),f為基站信號頻率(MHz),Vin為到達(dá)被動(dòng)接收機(jī)端口的信號強(qiáng)度(dBm)。

設(shè)Vr=46dBm(40W),Gr=15dBi,Gin=20dBi,則可計(jì)算出Vin=-10.5349dBm。

從上面分析得出的Vin值是比較保守的估算,實(shí)際到達(dá)被動(dòng)接收機(jī)端口的干擾通常功率會(huì)高于此值。因?yàn)楸粍?dòng)接收機(jī)面臨的通常是偏遠(yuǎn)地區(qū)的或海面的基站,發(fā)射功率較大,沒有空間遮擋。圖1為室內(nèi)測得的手機(jī)信號頻譜特性。圖1(a)為CDMA信號;圖1(b)中,左邊為CDMA信號,右邊為GSM信號,帶有連續(xù)波的特性。

(a) (b)

功率為-10dBm的輸入信號已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了接收機(jī)的輸入飽和電平,可以造成被動(dòng)接收機(jī)如下危害:

(1) 阻塞干擾

阻塞與基站信號頻率重疊的信道,有用信號與干擾在一個(gè)中頻信道。由于接收機(jī)的信號分選通常為時(shí)域算法。在時(shí)域上,有用信號被完全淹沒,信號無法分選。圖1(b)顯示了有用的840.64MHz信號受干擾的情況。

(2) 交調(diào)干擾

大功率寬帶的干擾信號(頻率范圍f1～f2)與有用信號f3混頻產(chǎn)生嚴(yán)重的交調(diào)干擾m ×(f1～f2)±n × f3,造成大量虛假信號進(jìn)入接收機(jī)原本干凈的通道,使原本沒有目標(biāo)的通道看起來有目標(biāo)存在。

(3) 諧波干擾

大功率的干擾信號會(huì)使放大器由于自身壓縮點(diǎn)的限制而產(chǎn)生豐富的諧波信號。這些諧波會(huì)落入高頻段通道,使高頻段通道產(chǎn)生虛假信號,并影響高頻段信號的正常接收。

3基站干擾解決辦法

被動(dòng)接收機(jī)安裝位置通常受到特定頻率區(qū)間的基站信號干擾,需要進(jìn)行針對性考慮。

3.1阻塞干擾的解決途徑

針對阻塞干擾的情況,有以下4種辦法可以解決:

(1) 接收機(jī)前端加可調(diào)諧式的低插損濾波器,用掃頻接收方式得到有用的信號。這是一種有用的方法,缺點(diǎn)是濾波器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度較大。

(2) 接收機(jī)前端加一個(gè)低插損帶阻濾波器,直接挖掉干擾。這種方法對于干擾頻率固定、干擾源單一時(shí)比較有用并容易實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是同時(shí)也會(huì)阻塞有用信號。

(3) 接收機(jī)前端加開關(guān)濾波器組,選通無干擾頻段,避開干擾頻率。這種方法對存在多個(gè)干擾源時(shí)有用,缺點(diǎn)是濾波器的插損指標(biāo)難以控制。

(4) 接收機(jī)后端中頻部分加一個(gè)窄帶的帶通濾波器,頻域上直接套取有用的信號。這是信號落在干擾區(qū)但又不能丟棄時(shí)的最方便的選擇。此時(shí)盡管信號與干擾在時(shí)域上交疊,頻域上還是可以分開。用固定頻率和帶寬的中頻濾波器可以抑制掉固定的組合干擾頻率,留下有用的信號成分。

3.2交調(diào)干擾的解決途徑

針對交調(diào)干擾的情況,可以采用3.1(1)~(3)的方法,3.1(2)在前端加一個(gè)低插損帶阻濾波器,是比較容易實(shí)現(xiàn)低成本解決方法,可以實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)干擾源的抑制。

濾波器必須加在射頻前端的輸入端口,場放之前。如果加在場放后,會(huì)由于場放對大信號的非線性效應(yīng)而發(fā)生一定程度的阻塞、或者產(chǎn)生新的頻率分量——諧波,使濾波器無法正常濾除。

濾波器的損耗越小越好,通常小于1dB,否則影響對小信號的接收靈敏度。

3.3諧波干擾的解決途徑

針對諧波干擾的情況,主要是解決基站信號的諧波干擾。諧波是由于基站信號進(jìn)入前端場放產(chǎn)生,可以在接收機(jī)前端加高通濾波器解決問題,當(dāng)然一個(gè)超寬帶多倍頻程的帶通濾波器也會(huì)有同樣的效果。通常被動(dòng)接收機(jī)的天線是分頻段的,基站信號通常落在低頻段,這是不考慮用帶阻濾波器的原因之一。

3.4濾波器的選擇

濾波器是被動(dòng)接收機(jī)應(yīng)對基站干擾的首選器材,濾波器的選擇主要考慮如下幾點(diǎn):

(1) 優(yōu)先考慮前置濾波器,如果濾波器放在后端,把干擾放進(jìn)來,會(huì)產(chǎn)生新的干擾分量(放大器的諧波、混頻器的交調(diào));

(2) 前置濾波器直接與天線相連,必須有耐功率要求,不能因?yàn)榕紶柍霈F(xiàn)的大功率信號而損壞濾波器,通常要求濾波器能夠承受5W以上功率的連續(xù)波不損壞;

(3) 前置濾波器的損耗直接影響接收機(jī)的靈敏度,所以濾波器的插入損耗越小越好,至少不應(yīng)大于1dB;

(4) 陡峭的矩形系數(shù),可以減少由于濾波器過渡帶引起的頻帶資源的損失;

(5) 綜合(2)、(3)、(4)點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先考慮采用腔體結(jié)構(gòu)的濾波器,腔體濾波器整體為金屬腔結(jié)構(gòu),有很好的耐受功率;同時(shí)腔體濾波器有很高的Q值,可以做到低插損和陡峭的矩形系數(shù),所以在不考慮體積的情況下,腔體濾波器是最好的選擇。

3.5濾波器的推薦

結(jié)合實(shí)際使用效果情況,推薦以下幾款可用于解決基站干擾問題的濾波器:

圖2為700~1250MHz可調(diào)諧濾波器,耐功率50W,損耗1dB左右。該濾波器可連續(xù)調(diào)諧,調(diào)諧速度為800ms,可用于靈活選擇有用的窄帶信號區(qū)間,從而避開復(fù)雜的干擾區(qū)域。

圖3為2GHz高通濾波器,帶100mm電纜的損耗<1dB,尺寸為33mm×37mm,微帶線結(jié)構(gòu),耐功率2W。該濾波器適合加裝在限幅器與低噪放之間,用于防止低頻段基站信號進(jìn)入場放,避免由于低噪放非線性效應(yīng)而產(chǎn)生諧波,對高頻段的信號分選產(chǎn)生影響。對于不是特別大功率的干擾源,可將濾波器直接加在限幅器前。

圖4(a)、(b)均為帶阻濾波器,帶400mm電纜的損耗<1dB,尺寸為,231mm×54mm,腔體結(jié)構(gòu),耐功率50W。該濾波器適合加裝在天線與接收機(jī)前端之間,左邊40dB阻帶350MHz,矩形系數(shù)1.3,右邊40dB阻帶63MHz,矩形系數(shù)1.9,分別用于抑制寬帶的基站干擾和窄帶的基站干擾。

圖2　可調(diào)諧濾波器

圖3　高通濾波器

(a)　　　　　　　 (b)

4結(jié)束語

民用通訊從2G到3G,再到4G,占有了更高的頻段和更寬的絕對帶寬,對被動(dòng)接收機(jī)的電磁環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求,我們也希望獲得性能更好的濾波器。例如，研制滿足耐功率和低插損要求的高選擇性的可調(diào)諧濾波器，滿足同樣要求的開關(guān)濾波器組，以及滿足成本和體積要求的極低損耗和極陡矩形系數(shù)的超導(dǎo)濾波器,滿足適應(yīng)未來民用基站造成的復(fù)雜的電磁環(huán)境的需要。

參考文獻(xiàn):

[1]朱里奇.基站與無線覆蓋技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011：11-12.

[2]J E斯蒂芬.接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].康士棣,等譯.北京:宇航出版社,1991：20-21.

Countermeasures against interference from civilian base stations for passive receivers

ZHU Li-chao1, LU Jian-ya2, LYU Jian2

(1. Naval Armament Procurement Center, Beijing 100071;2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:By the end of 2015, the total number of mobile phone users has exceeded 2 billion. The densely distributed civilian communication base stations have been polluting the electromagnetic environment. The signal characteristics of the civilian base stations are analyzed. From the perspective of hardware design, the solutions and specific countermeasures adopted by the passive receivers are presented to resist the interference from the civilian base stations, which can effectively improve the ability of the passive receivers to adapt to the complex electromagnetic environment.

Keywords:radar; passive receiver; base station interference; countermeasure

中圖分類號:TN95

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)01-0052-04

作者簡介:朱利超(1979-),男,工程師,碩士,研究方向:裝備采購及技術(shù);陸建亞(1960-),男,工程碩士,研究員,研究方向:雷達(dá)接收及總體技術(shù)；呂建(1961-)，男，技師，研究方向：高頻元件、薄壁件、鈦合金等難切削材料的精密加工。

收稿日期:2015-11-02;修回日期:2015-11-20