機(jī)載平臺(tái)電磁兼容性預(yù)測與設(shè)計(jì)*

王勝喜，曾小東

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著航空電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載平臺(tái)上集成的射頻傳感器越來越多，如火控雷達(dá)、電子偵察、雷達(dá)告警、通信、導(dǎo)航、識(shí)別等，上述設(shè)備安裝在表面積有限的飛機(jī)上，天線之間的隔離度有限[1]，工作頻帶存在交疊，同時(shí)工作時(shí)必然會(huì)通過天線之間的耦合產(chǎn)生互擾問題[2-4]。機(jī)載平臺(tái)傳感器間的電磁兼容問題已成為影響飛機(jī)作戰(zhàn)效能和自身飛行安全的重大問題，也是目前各國航空電子系統(tǒng)研究關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

本文就機(jī)載平臺(tái)電磁兼容問題進(jìn)行探討，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)載平臺(tái)設(shè)備通過天線耦合產(chǎn)生的電磁干擾問題，通過理論建模分析了電磁干擾形成機(jī)理，并提出了一種用于快速進(jìn)行機(jī)載平臺(tái)電磁兼容問題預(yù)測分析的方法，最后給出了幾種解決機(jī)載設(shè)備電磁兼容問題的思路和方法，為優(yōu)化和提高機(jī)載平臺(tái)傳感器同時(shí)工作、協(xié)同工作能力，提升機(jī)載平臺(tái)武器作戰(zhàn)效能提供參考。

1 干擾機(jī)理分析

任何復(fù)雜的航空電子系統(tǒng)，從系統(tǒng)電磁干擾機(jī)理角度考慮，都可歸結(jié)為輻射源、耦合路徑和接收機(jī)3個(gè)基本要素[5-6]。輻射源作為干擾源，接收機(jī)作為敏感設(shè)備，電磁波從輻射源發(fā)射后到達(dá)接收機(jī)的傳播路徑作為耦合路徑。電磁兼容預(yù)測分析的基本思想是用數(shù)學(xué)模型定量描述上述三要素，根據(jù)理論推導(dǎo)和工程經(jīng)驗(yàn)，首先建立基于輻射源、耦合途徑和接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型，接著通過電磁干擾預(yù)測方程以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正，獲得各種潛在系統(tǒng)電磁干擾的計(jì)算結(jié)果[7]，最后定量給出發(fā)射—敏感設(shè)備組合之間的干擾信號(hào)功率，并判斷發(fā)射機(jī)發(fā)射的射頻信號(hào)能否影響接收機(jī)，并給出敏感設(shè)備工作性能下降情況。

機(jī)載設(shè)備接收機(jī)設(shè)計(jì)是根據(jù)信噪比S/N要求，確立的信號(hào)檢測門限[8]，但在實(shí)際工作環(huán)境中，接收機(jī)是按照S/(N+I)運(yùn)行的[9]，S/(N+I)可表示為

(1)

式中：S為信號(hào)功率；N為接收機(jī)噪聲功率；I為干擾源耦合到敏感設(shè)備的干擾信號(hào)功率。

可以看到式(1)分為2部分，S/N是信噪比，是接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的；I/N是干噪比，是電磁兼容設(shè)計(jì)需考慮的。

I/N表示通過接收設(shè)備輸入端的有效干擾功率與接收機(jī)噪聲功率比值，可視為相對(duì)于接收機(jī)噪聲的干擾余量為

I/N=IM(f)=Pr(f)-N(f),

(2)

式中：IM(f)為電磁干擾余量(dB)；Pr(f)為敏感設(shè)備處接收到的干擾信號(hào)輸入功率(dBm)；N(f)為敏感設(shè)備的接收機(jī)噪聲功率(dBm)。當(dāng)IM≤-6 dB時(shí)，式(1)為

(3)

此時(shí)干擾信號(hào)遠(yuǎn)低于接收機(jī)噪聲，基本不影響接收機(jī)檢測信噪比。

當(dāng)IM=0 dB時(shí)，式(1)可表示為

(4)

此時(shí)干擾信號(hào)使接收機(jī)檢測信噪比惡化3 dB。

當(dāng)IM≥ 6 dB時(shí)，式(1)可表示為

(5)

此時(shí)干擾信號(hào)遠(yuǎn)超過接收機(jī)噪聲，干擾信號(hào)起主導(dǎo)作用，使接收機(jī)信噪比變成信干比，影響信號(hào)。

基于式(2)，(3)，電磁干擾余量(IM)與信噪比關(guān)系如圖1所示。

圖1 IM與S/N關(guān)系示意圖Fig.1 Relation between IM and S/N

根據(jù)機(jī)載設(shè)備工作特性，同時(shí)考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包含的不確定因素和硬件實(shí)現(xiàn)誤差等因素，可將IM=-6 dB定義為干擾安全系數(shù)。如圖2所示，機(jī)載平臺(tái)電磁干擾預(yù)測分析時(shí)，若IM≤-6 dB，則干擾信號(hào)不會(huì)對(duì)敏感設(shè)備接收性能造成影響；若IM>-6 dB，則需要根據(jù)IM評(píng)估S/N惡化情況，分析干擾信號(hào)對(duì)敏感設(shè)備性能的影響。

圖2 干擾判別示意圖Fig.2 Identification of interference

2 機(jī)載平臺(tái)電磁兼容預(yù)測分析

電磁兼容預(yù)測分析是機(jī)載航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，它是在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的電磁兼容問題[10]，并通過進(jìn)行系統(tǒng)兼容設(shè)計(jì)解決電磁干擾問題，使得原來在飛行試驗(yàn)過程中或使用過程中才會(huì)暴露的系統(tǒng)電磁兼容問題隨飛機(jī)設(shè)計(jì)一并考慮，避免研制時(shí)間和費(fèi)用的雙重浪費(fèi)。

航空電子系統(tǒng)集成有雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航、識(shí)別等多個(gè)射頻收發(fā)設(shè)備，機(jī)載平臺(tái)電磁兼容預(yù)測分析主要集中在上述設(shè)備之間的電磁干擾。由于1個(gè)輻射源通過天線輻射可能通過天線耦合對(duì)多個(gè)接收設(shè)備產(chǎn)生射頻干擾[11-12]，這樣就會(huì)有十幾對(duì)甚至幾十對(duì)發(fā)射-敏感設(shè)備組合，要采用1個(gè)模型去預(yù)測整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性，不是精度不夠，就是耗費(fèi)時(shí)間過長。針對(duì)機(jī)載平臺(tái)設(shè)備多、電磁耦合關(guān)系復(fù)雜特點(diǎn)，提出一種優(yōu)化的級(jí)篩選預(yù)測模型，分4個(gè)階段進(jìn)行篩選，如下圖3所示，從而使問題范圍和復(fù)雜度大為簡化。

4級(jí)篩選預(yù)測方法進(jìn)行系統(tǒng)電磁兼容預(yù)測分析時(shí)，每次選擇1對(duì)發(fā)射-敏感設(shè)備組合，預(yù)測通常分為4個(gè)步驟：頻率篩選預(yù)測、時(shí)間篩選預(yù)測、幅度篩選預(yù)測和性能預(yù)測。第1步為頻率篩選，根據(jù)每對(duì)發(fā)射機(jī)-接收機(jī)組合的頻率區(qū)間篩選出基波干擾、諧雜波干擾和噪聲干擾等需要考慮的發(fā)射-響應(yīng)特性，同時(shí)對(duì)發(fā)射設(shè)備可能產(chǎn)生的交互調(diào)信號(hào)頻率進(jìn)行分析，評(píng)估是否存在頻率沖突；第2步為時(shí)間篩選，考慮發(fā)射設(shè)備與接收機(jī)在作戰(zhàn)使用階段工作時(shí)間上是否存在沖突，若2個(gè)功能頻率上存在沖突，但是在不同作戰(zhàn)任務(wù)階段分時(shí)使用，則可任務(wù)相互之間不影響。這一步的篩選函數(shù)要盡可能地與設(shè)備實(shí)際作戰(zhàn)使用一致，這樣有利于快速區(qū)分干擾組合，縮短預(yù)測時(shí)間及后續(xù)步驟的復(fù)雜度。第3步為幅度篩選，考慮發(fā)射及接收機(jī)響應(yīng)的幅度特性，粗略判斷分析頻率和路徑損耗等方面的影響，確定射頻干擾能量大小。第4步性能預(yù)測主要完成干擾源對(duì)接收設(shè)備的影響分析，確定發(fā)射設(shè)備對(duì)接收設(shè)備的性能影響程度。

性能預(yù)測是機(jī)載平臺(tái)電磁兼容預(yù)測分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，詳細(xì)分析了干擾信號(hào)耦合到敏感接收機(jī)的信號(hào)功率，給出干擾信號(hào)與接收機(jī)噪聲以及有用信號(hào)之間的關(guān)系，可以用來評(píng)估干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)的影響，是機(jī)載設(shè)備開展電磁兼容設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)影響如表1所示。

圖3 預(yù)測篩選流程Fig.3 Process of prediction selection

表1 干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)的影響Table 1 Influence of interference on receiver

表1中PA為接收機(jī)抗燒毀功率，單位dBm；P-1為接收機(jī)飽和功率，單位dBm；I為接收機(jī)干擾信號(hào)功率，單位dBm；Smin為接收機(jī)靈敏度，單位dBm；S為有用信號(hào)，單位dBm；Noise為接收機(jī)噪聲功率，單位dBm；IM為電磁干擾余量，單位dB。

不同強(qiáng)度干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)的影響存在較大差異，干擾信號(hào)功率與接收機(jī)受影響分析結(jié)論如下：

(1) 當(dāng)I≥PA時(shí)，會(huì)造成接收機(jī)期間損毀，干擾信號(hào)會(huì)造成接收機(jī)器件損毀，需要在接收機(jī)前端加裝限幅器，提升接收機(jī)抗燒毀能力。

(2) 當(dāng)P-1≤I

(3) 當(dāng)Noise≤I

(4) 當(dāng)-6 dB≤IM≤0時(shí)，有用信號(hào)在接收機(jī)靈敏度附近時(shí)，有用信號(hào)檢測受干擾，誤碼率會(huì)增加；當(dāng)有用信號(hào)高于接收機(jī)靈敏度3 dB以上時(shí)，干擾信號(hào)不會(huì)對(duì)有用信號(hào)的檢測產(chǎn)生干擾。

(5)當(dāng)IM<-6 dB時(shí)，干擾信號(hào)基本不會(huì)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。

3 電磁兼容解決措施

機(jī)載平臺(tái)電磁兼容設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的工程體系，必須從飛機(jī)設(shè)計(jì)之初就開始進(jìn)行，將全機(jī)設(shè)備作為一個(gè)整體，統(tǒng)一考慮其電磁兼容設(shè)計(jì)，并確定各分系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容技術(shù)要求。機(jī)載平臺(tái)設(shè)備只有在時(shí)、空、頻、能同時(shí)存在重疊時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生射頻干擾。因此，針對(duì)機(jī)載平臺(tái)設(shè)備經(jīng)天線輻射和接收產(chǎn)生的電磁兼容問題，可以從時(shí)、空、頻、能等角度出發(fā)，對(duì)機(jī)載設(shè)備工作頻率、工作時(shí)間、輻射功率、輻射空域等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃與管理，避免機(jī)載平臺(tái)設(shè)備時(shí)、空、頻、能重疊，消除射頻沖突。時(shí)域處理有微時(shí)序分配，空域處理有天線合理布局，頻域處理有頻譜規(guī)劃管理和實(shí)時(shí)避讓，能量域處理有信號(hào)剔除。

3.1 微時(shí)序分配

機(jī)載平臺(tái)部分設(shè)備發(fā)射占空比很小，且工作頻率和空域存在重疊，無法從頻域或空域進(jìn)行沖突避讓，只能從時(shí)域開展兼容設(shè)計(jì)。微時(shí)序工作基本原理是將存在電磁干擾設(shè)備的發(fā)射時(shí)間與接收時(shí)間分成多個(gè)時(shí)間片，當(dāng)干擾設(shè)備處于發(fā)射時(shí)間片時(shí)，控制敏感設(shè)備不接收，在干擾設(shè)備處于接收狀態(tài)時(shí)，敏感設(shè)備正常接收，這樣就避免了干擾設(shè)備發(fā)射對(duì)敏感設(shè)備的影響[13-15]，而從整體使用效能來看，干擾設(shè)備和接收設(shè)備均可正常使用。

3.2 天線合理布局

機(jī)載平臺(tái)天線數(shù)量眾多，天線裝機(jī)空間有限，在設(shè)計(jì)天線布局時(shí)，需綜合考慮各功能對(duì)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，對(duì)全機(jī)天線進(jìn)行一體化布局設(shè)計(jì)，最大程度地減少各類天線/天線陣之間的耦合，減少各設(shè)備之間相互干擾，改善系統(tǒng)電磁兼容性能[16-17]。在同一機(jī)載系統(tǒng)中，如果2種功能工作頻段相同或相近(如TCAS功能與ATC功能)，可結(jié)合天線工作方式，采取收/發(fā)天線分開和天線共用的實(shí)現(xiàn)方式；如果2種功能工作頻段相差較遠(yuǎn)、工作模式差別較大的情況，可將2種天線在物理上做到一起，以節(jié)省安裝空間。

3.3 頻譜規(guī)劃管理

頻譜規(guī)劃管理是根據(jù)頻率使用的各項(xiàng)規(guī)定、機(jī)載設(shè)備配置情況和頻率特性、機(jī)載平臺(tái)電磁兼容性等信息，對(duì)機(jī)載設(shè)備使用頻率進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，確保機(jī)載設(shè)備同時(shí)使用不產(chǎn)生射頻干擾。如機(jī)載平臺(tái)超短波話音與超短波數(shù)據(jù)共址兼容工作，地面任務(wù)規(guī)劃時(shí)需根據(jù)超短波話音和超短波數(shù)據(jù)頻率間隔使用要求，規(guī)劃并加載超短波話音和超短波數(shù)據(jù)工作波道，避免兩者之間相互干擾[18]。

機(jī)載設(shè)備頻譜規(guī)劃管理應(yīng)遵循頻段分開、頻率錯(cuò)開的原則。頻域上可分成許多頻段，規(guī)定不同用途的電磁波和在同一空域同時(shí)工作的不同設(shè)備只能在分配給自己的頻段內(nèi)工作，這可從根本上消除有意發(fā)射電磁波的干擾。2個(gè)天線相近的設(shè)備，其工作頻段最好是不相同的，如果頻段相同，則其工作頻率應(yīng)該相互錯(cuò)開，這樣才能避免機(jī)載設(shè)備之間的電磁互擾。

3.4 頻率實(shí)時(shí)避讓

頻率實(shí)時(shí)避讓是指2個(gè)設(shè)備工作頻率存在重疊或沖突時(shí)，其中一方主動(dòng)改變工作頻率，避免頻率沖突，實(shí)現(xiàn)2個(gè)設(shè)備的兼容工作。頻率實(shí)時(shí)避讓方多為頻率可自主變化的設(shè)備，如機(jī)載雷達(dá)、電子對(duì)抗設(shè)備等。頻率實(shí)時(shí)避讓工作示意圖如圖4所示。設(shè)備1工作在頻率f1，其輻射信號(hào)經(jīng)空間耦合到設(shè)備2，超過設(shè)備2接收靈敏度，會(huì)對(duì)設(shè)備2產(chǎn)生干擾；設(shè)備2主動(dòng)避開設(shè)備1工作頻率f1，切換到工作頻率f2，此時(shí)設(shè)備1輻射信號(hào)經(jīng)空間耦合不再對(duì)設(shè)備2產(chǎn)生干擾。

3.5 信號(hào)匹配剔除

機(jī)載平臺(tái)大多裝有電子偵察設(shè)備，主要用于戰(zhàn)場電磁態(tài)勢感知、輻射源識(shí)別、輻射源威脅分析和定位。電子偵察設(shè)備在接收戰(zhàn)場環(huán)境中電磁信號(hào)的同時(shí)，會(huì)受到同平臺(tái)雷達(dá)等發(fā)射設(shè)備輻射信號(hào)干擾，造成電子偵察設(shè)備對(duì)本平臺(tái)輻射信號(hào)產(chǎn)生虛假告警，影響飛行員正確判斷戰(zhàn)場威脅。

傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)同平臺(tái)發(fā)射設(shè)備與電子偵察設(shè)備兼容工作方法有射頻濾波、時(shí)域閉鎖等。射頻濾波是電子偵察設(shè)備對(duì)指定頻段信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)本平臺(tái)輻射信號(hào)的濾波抑制，避免干擾；時(shí)域閉鎖是在發(fā)射設(shè)備輻射信號(hào)時(shí)閉鎖電子偵察設(shè)備接收，使發(fā)射設(shè)備與電子偵察設(shè)備分時(shí)工作。上述2種方法雖然都能解決同平臺(tái)發(fā)射設(shè)備與電子偵察設(shè)備的射頻兼容問題，但會(huì)造成電子偵察設(shè)備偵收時(shí)間和頻域損失，降低對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境電磁信號(hào)截獲概率，給機(jī)載平臺(tái)的生存能力帶來威脅[19-20]。

信號(hào)匹配剔除是電子偵察設(shè)備根據(jù)同平臺(tái)輻射信號(hào)波形特征、輻射時(shí)間和頻率等參數(shù)，在接收的眾多電磁信號(hào)中識(shí)別出本平臺(tái)輻射信號(hào)，并將其剔除，確保不對(duì)同平臺(tái)輻射信號(hào)產(chǎn)生告警，同時(shí)對(duì)外部戰(zhàn)場環(huán)境電磁信號(hào)正常告警。信號(hào)匹配剔除方法能夠有效解決同平臺(tái)發(fā)射設(shè)備輻射與電子偵察設(shè)備電磁兼容問題，同時(shí)避免了由于兼容處理給電子偵察設(shè)備帶來的偵收性能損失。

3.6 一體化兼容管理

隨著機(jī)載平臺(tái)配備的射頻傳感器越來越多，射頻傳感器之間的電磁干擾越來越復(fù)雜，單個(gè)設(shè)備發(fā)射可能對(duì)多個(gè)設(shè)備存在電磁干擾，傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)已不能適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜的電磁干擾場景，這就迫切的需要一個(gè)統(tǒng)一的電磁兼容管控中心對(duì)全機(jī)雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航、識(shí)別等設(shè)備電磁兼容進(jìn)行一體化管理。電磁兼容管控中心根據(jù)設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)、工作頻率和覆蓋空域等參數(shù)，實(shí)時(shí)分析設(shè)備之間電磁干擾情況，并統(tǒng)一控制機(jī)載設(shè)備采取相適應(yīng)的兼容管控措施，進(jìn)行時(shí)域、頻域、空域或能量域的沖突避讓，改善機(jī)載設(shè)備間的電磁兼容性，大幅提升戰(zhàn)機(jī)的整體作戰(zhàn)能力。機(jī)載平臺(tái)一體化兼容管理已成為各國航空電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，目前該技術(shù)已在多款先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上得到了應(yīng)用，并經(jīng)實(shí)際使用證明，機(jī)載平臺(tái)設(shè)備電磁兼容性良好。

圖4 頻率實(shí)時(shí)避讓圖Fig.4 Real-time avoidance of frequency

4 結(jié)束語

機(jī)載平臺(tái)電磁兼容設(shè)計(jì)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文討論了機(jī)載平臺(tái)電磁兼容預(yù)測分析基本原理和方法，并針對(duì)當(dāng)前工程型號(hào)研制過程中出現(xiàn)的電磁兼容問題提出了具體解決方法，目前頻譜規(guī)劃管理、頻率實(shí)時(shí)避讓、信號(hào)剔除、一體化兼容管理等電磁兼容解決措施已應(yīng)用到電子偵察飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)等平臺(tái)，解決了上述機(jī)載平臺(tái)設(shè)備同時(shí)使用存在的雷達(dá)探測性能下降、雷達(dá)告警產(chǎn)生虛假告警、通信距離下降等電磁兼容問題。本文中涉及的電磁兼容解決措施可為機(jī)載平臺(tái)航空電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)對(duì)解決其他平臺(tái)電磁兼容問題具有借鑒意義。