放電對(duì)甚高頻無線電干擾分析

安 輝

(民航寧夏空管分局，寧夏 銀川 750009)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，民航飛行量不斷增加，甚高頻(Very High Frequency，VHF)通信設(shè)備也不斷增多。民航VHF臺(tái)站的電磁環(huán)境維護(hù)，一直是相關(guān)維護(hù)部門的重點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來，隨著機(jī)場(chǎng)臺(tái)站周圍的商業(yè)化發(fā)展，各類供電線路、照明設(shè)施和亮化工程等供電設(shè)備的使用也參差不齊，由電磁泄漏造成的干擾也日漸突出，再加上各種無線電通信、移動(dòng)基站和無線廣播的使用，使機(jī)場(chǎng)及VHF臺(tái)站周圍的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，由此導(dǎo)致無線電干擾漸趨日?；Ｔ跓o線通信過程中，VHF電臺(tái)周圍無用高能量信號(hào)通過直接或間接耦合造成的信號(hào)干擾會(huì)導(dǎo)致VHF通信質(zhì)量降低或通信中斷，此類事件直接影響民用航空運(yùn)行保障安全。本文采用間隙放電模型進(jìn)行分析，深入闡述了電暈電火花放電干擾產(chǎn)生機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算給出民航VHF天線接收端允許的最大干擾功率，在最后結(jié)合實(shí)際給出抗干擾緩解措施。

1 民航VHF系統(tǒng)

1.1 VHF系統(tǒng)簡(jiǎn)介

VHF通信作為飛機(jī)與飛機(jī)、飛機(jī)與管制之間的雙向話音和數(shù)據(jù)通信手段，其頻率范圍是118.000～136.975 MHz。采用調(diào)幅工作方式，其頻道間隔25 kHz。飛行員通過VHF通信系統(tǒng)中某個(gè)指定頻率，即可進(jìn)行地空端接收和發(fā)射。由于VHF系統(tǒng)使用VHF無線電波，故為視距傳播，有效作用范圍較短，在高度為300 m時(shí)距離為74 km，作用距離隨高度變化。目前在民航通信中，VHF作為主要通信手段用于飛機(jī)起飛、降落以及巡航階段，機(jī)組人員和地面管制人員的雙向語音通信[1]。在飛機(jī)起飛和降落時(shí)期是問題最繁忙時(shí)期，也是最容易在整個(gè)飛行過程中發(fā)生事故的階段，因此必須保證VHF通信的可靠性和穩(wěn)定性，所以民航飛機(jī)上一般都裝有一套主用、一套備用和一套應(yīng)急系統(tǒng)。

VHF通信系統(tǒng)的基本組成模塊包括：收發(fā)信機(jī)、控制盒和天線。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生基準(zhǔn)載波信號(hào)，并將語音調(diào)制到載波上，通過天線發(fā)射。接收機(jī)通過天饋系統(tǒng)接收信號(hào)，并經(jīng)過放大—檢波—濾波處理，獲取語音信號(hào)，傳輸?shù)焦苤茊T/飛行員耳機(jī)中。天線系統(tǒng)一般架設(shè)在航管樓樓頂或塔臺(tái)頂?shù)容^為空曠的地帶。由于設(shè)置電臺(tái)頻段較多，均采用天線共用系統(tǒng)[2]。

1.2 VHF天線共用系統(tǒng)

VHF天線共用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。相比傳統(tǒng)的單體電臺(tái)，現(xiàn)在規(guī)劃建設(shè)VHF臺(tái)站時(shí)都考慮使用天線共用系統(tǒng)，它采用中饋天線，分別加入帶通濾波器、隔離器等措施，使多個(gè)電臺(tái)在共用天線過程中相互隔離且各自匹配[2]，能明顯減少天線數(shù)量，降低電臺(tái)間干擾的可能，充分發(fā)揮VHF共用系統(tǒng)信道多、容量大和通信質(zhì)量好的優(yōu)勢(shì)，大大提高了VHF系統(tǒng)的通信能力。

圖1 VHF天線共用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of VHF antenna common system

2 電暈放電干擾

2.1 無線電干擾原理

無線電干擾信號(hào)主要通過耦合方式進(jìn)入設(shè)備端接收信道。耦合方式分為直接耦合和間接耦合，主要對(duì)有用無線電信號(hào)產(chǎn)生影響，使之性能下降，降低質(zhì)量，信息出現(xiàn)差錯(cuò)或者丟失，甚至中斷通信功能。因此，無線電干擾通常表述為在通信過程中，有用信號(hào)被無用信號(hào)干擾引起的接收質(zhì)量下降或者損害的過程。無線電干擾通常分為同頻率干擾、互調(diào)干擾、交調(diào)干擾和雜散干擾等[3]。

2.2 電暈現(xiàn)象

電暈(放電)是指導(dǎo)線局部高電壓使周圍空氣電離形成的自激導(dǎo)電現(xiàn)象[4]。簡(jiǎn)單來說，電暈現(xiàn)象是由于導(dǎo)體曲率半徑較小，導(dǎo)致對(duì)周邊空氣放電，是一種自持放電形式。通常在輸電線路的選擇和使用過程中，都工作在其最大工作電壓下，但導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電暈的起始場(chǎng)強(qiáng)。然而在線路建設(shè)或使用過程中難免會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷(毛刺、擦傷)、污穢沾染(油滴、灰塵)和空氣濕度較大(水露、霜雪)等，使導(dǎo)線表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，局部電場(chǎng)強(qiáng)度上升，使得在正常供電傳輸過程中，在電壓遠(yuǎn)比自持放電起始電壓低時(shí)發(fā)生電暈放電[5]。電暈放電會(huì)產(chǎn)生光、聲和熱等效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)，帶來許多不利影響。例如，電暈電壓繼續(xù)升高，在電流柱不斷熄滅和重新爆發(fā)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)脈沖放電現(xiàn)象，引起電磁干擾。

2.3 放電產(chǎn)生原理

電暈放電的形成機(jī)制與尖端電極的極性密切相關(guān)，并且因電暈放電時(shí)空間電荷的分布狀況和積累不同而不同，可分為正極性電暈和負(fù)極線電暈。在直流電壓作用下，正/負(fù)極性電暈均可在尖端電極附近聚集起空間電荷[6]。在負(fù)極性電暈中，當(dāng)電子引起碰撞發(fā)生電離后會(huì)形成負(fù)離子，此時(shí)電子被驅(qū)往遠(yuǎn)離尖端電極的地方，正離子則聚集在靠近電極表面的地方。當(dāng)電場(chǎng)持續(xù)加強(qiáng)時(shí)，正離子逐漸被吸進(jìn)電極，形成脈沖電暈電流，此時(shí)負(fù)離子被擴(kuò)散到間隙空間。重復(fù)上述過程，循環(huán)開始下一個(gè)電離及帶電粒子運(yùn)動(dòng)過程，便會(huì)出現(xiàn)脈沖電暈電流。繼續(xù)升高電壓，電暈電流的脈沖頻率會(huì)增加，幅值也會(huì)增大，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)輝光放電，加速放電發(fā)展，持續(xù)升高放電電壓，將出現(xiàn)負(fù)流注放電(又稱為羽狀放電或刷狀放電)。當(dāng)負(fù)流注放電擊穿整個(gè)間隙，發(fā)展到對(duì)面電極時(shí)，就成為火花放電。工頻交流電在正半周為正電分量，負(fù)半軸為負(fù)電分量，故其產(chǎn)生的放電過程與直流正、負(fù)電暈放電原理基本相同。交流電暈電流與電壓相位同相，能反映出電暈功率的損耗。工程應(yīng)用中的電暈特性常使用外加電壓與電暈電荷量的關(guān)系表示，稱為電暈的伏庫(kù)特性[7]。架空輸電線路導(dǎo)線的電暈起始電場(chǎng)強(qiáng)度Es可表示為：

(1)

式中，δ為空氣相對(duì)密度；m為絞線系數(shù)；R為導(dǎo)線半徑，單位cm。當(dāng)δ=1，m=0.5，R=0.9 cm時(shí)，Es=19.7 kV/cm。但在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)線表面狀況不同(如損傷、雨滴、附著物等)都會(huì)容易產(chǎn)生電暈放電[8]。文中的干擾原因就是繞線接頭松動(dòng)，產(chǎn)生間隙放電而導(dǎo)致的電暈火花放電現(xiàn)象。

3 電暈電火花放電干擾實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為探索電暈及電火花放電頻譜特性，采用如圖2所示的電路進(jìn)行模擬間隙放電實(shí)驗(yàn)。將測(cè)量天線放置在離放電回路一定距離處，使用頻譜儀對(duì)天線所接收到的電磁波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[9]。

圖2 間隙放電電路Fig.2 Circuit diagram of gap discharge

局部放電試驗(yàn)裝置電源產(chǎn)生器如圖3所示。將220 V交流電輸入后經(jīng)自耦調(diào)壓器和隔離變壓器施加到升壓變壓器，其中隔離變壓器的作用為抑制電源中含有的高次諧波，并能阻止經(jīng)地線竄入測(cè)量系統(tǒng)的高次諧波。采用半波整流電路(由硅堆構(gòu)成，硅堆最高承受電壓為200 kV)對(duì)電容器充電實(shí)現(xiàn)脈沖放電工作模式[10]。要實(shí)現(xiàn)交流放電工作模式可短接硅堆并斷開電容器。去離子水制成的水阻起到保護(hù)電阻作用，阻值取值范圍為0.5～1.5 MΩ，主要作用是限制變壓器負(fù)載短路電流，以免由于電容器初始充電電流過高或?qū)嶒?yàn)時(shí)擊穿而燒壞變壓器，同時(shí)也能改善變壓器繞組上的電位分布，避免損壞變壓器。電容器選用脈沖電容器，其容量為300 pF，耐壓50 kV。

圖3 放電實(shí)驗(yàn)電源Fig.3 Power supply of discharge experiment

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置主要由寬帶天線構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)和頻譜儀(E7404A)相連組成[10]。由于火花放電頻譜范圍較寬，本實(shí)驗(yàn)裝置主要測(cè)量高頻及高頻段頻率范圍內(nèi)電磁能量分布情況。實(shí)驗(yàn)將頻譜儀測(cè)量頻率范圍調(diào)至50 MHz～1 GHz。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行高壓交流放電時(shí)，接通電源回路，閉合開關(guān)，逐漸升高電源電壓，直到放電間隙出現(xiàn)放電情況，讀取頻譜儀。針-板放電試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，對(duì)應(yīng)放電電壓幅值約為7 kV[10]。

圖4 放電頻譜儀測(cè)量頻譜Fig.4 Measured spectrum of discharge spectrum analyzer

由圖4可以看出，去掉背景低頻信號(hào)的干擾后，頻譜儀測(cè)得了輻射能量較強(qiáng)的頻率信號(hào)，且該信號(hào)連續(xù)分布在測(cè)試的整個(gè)頻段(包括超高頻段0.5～1 GHz)；其中在70～150 MHz之間有較高幅值信號(hào)，200～800 MHz之間幅值有所降低較為平緩，800 MHz～1 GHz又有所增加，在400 MHz左右有明顯尖峰幅值信號(hào)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后，從頻譜儀記錄情況可分析出，在間隙放電未產(chǎn)生火花之前的電暈干擾，其幅值隨頻率升高而衰減。當(dāng)頻率低于1 MHz時(shí)，衰減微弱；當(dāng)頻率高于1 MHz時(shí)，急劇衰減，電暈放電干擾對(duì)VHF系統(tǒng)影響不大。當(dāng)間隙開始放電產(chǎn)生火花時(shí)，在頻譜儀上容易測(cè)量出很寬頻率范圍的火花放電干擾，在50 MHz～1 GHz的頻率的電磁波輻值比較大。

VHF(30～300 MHz)通信正好處于干擾區(qū)間范圍內(nèi)?！睹裼脵C(jī)場(chǎng)與地面航空無線電臺(tái)(站)電磁環(huán)境測(cè)試規(guī)范》AP-118-TM-2013-01中明確規(guī)定，對(duì)于VHF周圍最大允許干擾場(chǎng)強(qiáng)為9 dBμV/m[11]。電磁環(huán)境測(cè)試規(guī)范中對(duì)VHF的要求是以電場(chǎng)強(qiáng)度的形式給出的，所以將場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)化為功率以便直觀判定。首先通過式(2)和式(3)算出場(chǎng)強(qiáng)功率密度：

U=20·lg(u/u0)，

(2)

p=u2/zc，

(3)

式中，u0=1 μV；Zc的自由空間阻抗為120π=377 Ω，帶入上述最大允許干擾場(chǎng)強(qiáng)，可計(jì)算出場(chǎng)強(qiáng)功率密度p=2.109 3×10-14W。天線輸出端得到的接收功率密度等于最大接收方向的來波功率密度乘以等效面積，而VHF半波天線的等效面積計(jì)算為：

s=λ2×g/(4π)，

(4)

p1=p×s，

(5)

式中，λ為天線工作波長(zhǎng)，按頻率127 MHz設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)λ=300/127=2.36 m[12]；g為偶極子天線增益，0 dBd=2.15 dBi=1.64；所以計(jì)算得出等效面積s=0.726 m2。天線端得到功率密度p1=1.531 4×10-14W。按照?qǐng)鰪?qiáng)功率計(jì)算：

P=10·lg(p1/p0)，

(6)

式中，p0=1 mW。將上述計(jì)算結(jié)果帶入，得出VHF天線端最大允許干擾場(chǎng)強(qiáng)為-108.15 dBm。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，火花放電在VHF(118～136.975 MHz)段內(nèi)輻射功率在-70～-30 dBm之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于VHF天線端最大允許干擾場(chǎng)強(qiáng)，所以會(huì)造成共用天線系統(tǒng)內(nèi)全頻段干擾，影響VHF臺(tái)站運(yùn)行。

4 干擾緩解措施

4.1 輸電線路與無線電設(shè)備距離

通過對(duì)現(xiàn)運(yùn)行供電線路的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，無線電干擾水平和傳輸距離有著密切關(guān)系，隨著輸電線路與電臺(tái)的橫向距離的增大而急速減弱[13]；一般情況下，當(dāng)距離達(dá)到150 m時(shí)，放電干擾信號(hào)將降低到很弱的程度，而在1 km以外就可忽略。

在無線電通信的收信基站中心，按傳統(tǒng)規(guī)定輸電線路直線距離應(yīng)該大于2 km。但由于民航各類導(dǎo)航臺(tái)所使用的頻率，均屬高頻或以上，對(duì)這樣高的頻率，輸電線路所產(chǎn)生的電暈干擾將很快衰減到背景水平(5 dB)，要求距離大于400 m?！逗娇諢o線電導(dǎo)航臺(tái)和空中交通管制雷達(dá)站設(shè)置場(chǎng)地規(guī)范》明確要求，在進(jìn)入導(dǎo)航臺(tái)200 m以外處的電纜必須進(jìn)行地埋[14]。

4.2 供電線路維護(hù)

對(duì)民航VHF臺(tái)站附近高壓線路除了按以上規(guī)定建設(shè)外，供電部門應(yīng)定期對(duì)其維護(hù)。除正常維護(hù)項(xiàng)目外，可采用紅外探溫器對(duì)線路電纜的運(yùn)行溫度進(jìn)行記錄，著重對(duì)各終端桿、轉(zhuǎn)角桿處有接頭的地方進(jìn)行檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)運(yùn)行隱患，杜絕由于松動(dòng)所致的火花放電現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 結(jié)束語

通過介紹和分析可以得出，電暈及電火花放電是一種供電線路特有的放電形式，但在電磁環(huán)境日益復(fù)雜的今天，這種放電形式所產(chǎn)生的電磁干擾也是今后工作中必須重視的一個(gè)方面。本文通過間隙放電實(shí)驗(yàn)測(cè)出火花放電對(duì)外輻射出的電磁強(qiáng)度，再將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換計(jì)算出VHF天線端最大允許干擾場(chǎng)強(qiáng)，并將二者數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得出火花放電對(duì)VHF全頻段得干擾強(qiáng)度。最后給出有效措施，降低或消除其對(duì)民航VHF無線電的干擾，對(duì)今后VHF臺(tái)站建設(shè)和運(yùn)行方面具有指導(dǎo)意義。