抗干擾無(wú)線通信技術(shù)在核應(yīng)急信息管理中的應(yīng)用

朱曉榮 張文賢 汪建業(yè)

摘? 要：Wi-Fi（2 401～2 483 MHz）濾波器在移動(dòng)通信中具有廣泛的應(yīng)用，文章描述了在加速器環(huán)境下的核應(yīng)急信息管理中抗干擾無(wú)線通信技術(shù)的性能指標(biāo)。經(jīng)過(guò)仿真及測(cè)試結(jié)果的分析表明，在有加速器環(huán)境的核應(yīng)急情況下Wi-Fi濾波器可以滿足無(wú)線通信的暢通。測(cè)試結(jié)果表明該濾波器具有低的通帶插入損耗（小于2.5 dB）、高的帶外抑制（大于30 dB）和較大的帶寬（82 MHz）。

關(guān)鍵詞：核應(yīng)急;濾波器;插入損耗;帶外抑制

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）04-0081-04

Application of Anti-interference Wireless Communication Technology in Nuclear Emergency Information Management

ZHU Xiaorong1，2， ZHANG Wenxian3， WANG Jianye1

（1.Hefei Institutes of Physical Science， Chinese Academy of Sciences， Hefei? 230031， China; 2.University of Science and Technology of China， Hefei? 230026， China; 3.The Fourth Construction Co.， Ltd. of China Electronics System Engineering， Beijing? 100000， China）

Abstract： Wi-Fi （2 401～2 483 MHz） filters are widely used in mobile communications. This paper describes the performance index of anti-interference wireless communication technology in nuclear emergency information management in accelerator environment. The analysis of simulation and test results show that the Wi-Fi filter can meet the smooth of wireless communication in the nuclear emergency with accelerator environment. The test results show that the filter has low pass band insertion loss （less than 2.5 dB）， high out-of-band rejection （greater than 30 dB） and larger bandwidth （82 MHz）.

Keywords： nuclear emergency; filter; insertion loss; out-of-band rejection

0? 引? 言

加速器在核能研究中發(fā)揮著重要作用，如輻射醫(yī)學(xué)物理、神經(jīng)元物理、輻射屏蔽、高性能材料檢測(cè)以及其他核安全技術(shù)的應(yīng)用中。加速器一般工作在超高壓、高功率、強(qiáng)輻射的條件下運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境中的復(fù)雜電磁噪聲和干擾信號(hào)會(huì)對(duì)發(fā)生核安全事故時(shí)信號(hào)傳遞產(chǎn)生極大的干擾從而在一定程度上阻礙核應(yīng)急方案[1]。往往在核事故發(fā)生時(shí)，地面及地下的通信系統(tǒng)將受到毀滅性的打擊，容易出現(xiàn)通信癱瘓的現(xiàn)象從而導(dǎo)致預(yù)警信號(hào)不能有效的傳播給工作人員造成人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。因此核電站加速器系統(tǒng)中的通信安全問(wèn)題是核電站正常以及應(yīng)急工況下通信傳遞的關(guān)鍵一環(huán)。

由于關(guān)系到核安全，核電站以及加速器環(huán)境下對(duì)通信的穩(wěn)定性、可靠性要求是極為嚴(yán)格的[2，3]。目前國(guó)內(nèi)核電廠的主要通信手段還是采用有線的方式，核設(shè)備如：加速器系統(tǒng)的調(diào)試、檢修的過(guò)程中依舊無(wú)法擺脫固定電話電纜的束縛，在一定程度上制約了核電環(huán)境下的工作的高效性和及時(shí)性。在通信領(lǐng)域的過(guò)去幾十年時(shí)間里，開(kāi)發(fā)出了許多可共存的通信系統(tǒng)，包括多波段或小型化天線設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)、雙模式或多模式的共存問(wèn)題[4-6]。然而，現(xiàn)階段所考慮的大多是基于戶外的無(wú)線通信模式，且其中的干擾信號(hào)主要來(lái)自另一個(gè)通信系統(tǒng)。比如說(shuō)，在5G通信頻段解決4G頻段的干擾和在4G通信頻段解決3G帶來(lái)的干擾問(wèn)題，這些工作都沒(méi)有注意到特定的通信場(chǎng)景——在加速器環(huán)境中，設(shè)備運(yùn)行中及產(chǎn)生的高密度的輻射噪聲和干擾信號(hào)的通信問(wèn)題。

在本文的工作中，我們研究了上述具體的加速器環(huán)境下核應(yīng)急反應(yīng)的通信問(wèn)題?？紤]到在無(wú)線信號(hào)在信息傳播中更容易有效地避免信號(hào)失真，因此本文以Wi-Fi（2 401～2 483 MHz）為例，解決了無(wú)線通信系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸問(wèn)題。

1? 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比

Wi-Fi是將移動(dòng)終端設(shè)備或PC終端以無(wú)線方式互聯(lián)的技術(shù)，其在加速器環(huán)境下的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于：Wi-Fi通帶分布在2.4 GHz的開(kāi)放頻段，且不需要許可證;處于4G頻段電磁強(qiáng)度弱，符合核電環(huán)境下的中長(zhǎng)距離傳播需求，適合大規(guī)模使用的通信技術(shù);系統(tǒng)開(kāi)放具有一定的擴(kuò)展性，支持核應(yīng)急通信、無(wú)線監(jiān)控等多種業(yè)務(wù)[7-10]。

典型的4G手機(jī)需要支持約40個(gè)頻段，其中Wi-Fi 2.4G就是其中非常關(guān)鍵的一個(gè)頻段，在有速器環(huán)境中的核應(yīng)急信息管理下Wi-Fi 2.4G信號(hào)帶寬80 MHz具有傳播速度快、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)[11-15]。如表1所示。

在一個(gè)通信系統(tǒng)中，我們需要保留特定頻段內(nèi)的信號(hào)，將該頻段以外的信號(hào)濾除，從而提高信號(hào)的抗干擾性及信噪比。射頻濾波器芯片的作用就是保留Wi-Fi頻段（2 403～2 483 MHz）的信號(hào)而過(guò)濾掉以外的所有頻段的干擾信息。在整個(gè)通信系統(tǒng)中濾波器的作用是必不可少的一環(huán)，如圖1所示，表示為移動(dòng)終端的通信系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無(wú)線信號(hào)可以通過(guò)基帶芯片發(fā)射經(jīng)接收器進(jìn)入低噪聲放大器再進(jìn)入濾波器，經(jīng)濾波器濾波后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)功率放大器經(jīng)天線發(fā)出。

2? 建模與分析

檢驗(yàn)加速器環(huán)境下Wi-Fi濾波器芯片是否能起通信穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的能力，主要是通過(guò)測(cè)試其S參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[16-18]。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種兩端口的S_Param模型來(lái)測(cè)試小信號(hào)輸入的線性或者非線性網(wǎng)絡(luò)，選擇100 MHz到6 GHz幾乎涵蓋了現(xiàn)階段所有頻段的信號(hào)分布。我們?cè)跍y(cè)試所選用的Wi-Fi射頻濾波器時(shí)，其主要目的是為了檢驗(yàn)是否能過(guò)濾掉通帶以外的所有頻段的干擾信號(hào)。本文所采用的檢測(cè)模型包括經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電纜輸入端、加有EVB板的Wi-Fi濾波器及信號(hào)接收裝置，一個(gè)理想匹配下的二端口的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，如圖2和圖3所示。

針對(duì)上圖二端口網(wǎng)絡(luò)，可給出S參數(shù)矩陣方程[19-21]：

（1）

其中ak是端口k上的入射波，bk是端口k上的反射波，一般規(guī)定ak和bk與功率的平方根有關(guān)，因此二者與波電壓有關(guān)，定義如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

插入損耗（Insertion Loss，IL）以及帶外抑制是衡量一個(gè)通信系統(tǒng)的濾波器效果的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。具有較低的插入損耗代表在濾波器芯片植入移動(dòng)終端設(shè)備后，該無(wú)源器件本身所帶來(lái)的信號(hào)傳遞的能量干擾小，一般情況下在信號(hào)傳輸過(guò)程中，輸入信號(hào)強(qiáng)度在進(jìn)入移動(dòng)終端設(shè)備后信號(hào)強(qiáng)度難免會(huì)有所減小，信號(hào)強(qiáng)度每減小3 dB代表功率衰減到二分之一。因此在通信設(shè)備中對(duì)濾波器芯片的插入損耗的要求是要小于3 dB才能保證信號(hào)的有效傳輸。在隔離干擾信號(hào)的具體要求為隔離度大于20 dB，在通帶（2 401～2 483 MHz）以外的所有頻段均被定義外帶外抑制選擇頻道，因此在設(shè)計(jì)Wi-Fi濾波器芯片時(shí)我們需要考慮到3G、4G、5G現(xiàn)存頻段中所有頻段的抑制情況。如圖4所示，為Wi-Fi濾波器雙端口S參數(shù)的仿真和測(cè)試結(jié)果。圖4中S21和S34分別為插入損耗的實(shí)驗(yàn)值和仿真值，如圖5所示，從兩幅圖中可以看出實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以表明，Wi-Fi濾波器具有很好的通帶插入損耗和阻帶抑制特性。測(cè)試的通帶2 401～2 483 MHz的插入損耗小于2.5 dB;帶外抑制在相鄰波段B40波段（2 300～2 400 MHz）的衰減大于28 dB、5G頻段B41（2 496～2 690 MHz）處的帶外抑制衰減值大于35 dB，在加速器環(huán)境下考慮所有能覆蓋的干擾信號(hào)的頻率分布在最低點(diǎn)的衰減大于25 dB。上述數(shù)據(jù)表明，該Wi-Fi濾波器可以很好地滿足在核應(yīng)急系統(tǒng)中的無(wú)線通信的需求。

濾波器在輸入、輸出信號(hào)的選頻功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，具有良好的駐波比VSWR（Voltage Standing Wave Ration）代表所設(shè)計(jì)的濾波器芯片在Wi-Fi 4G（2 401～2 483 MHz）通帶的饋線和天線端的阻抗達(dá)到完全匹配。當(dāng)VSWR的值接近1時(shí)，此時(shí)高頻能量將全部被天線輻射出去，沒(méi)有能量的反射損耗。因此VSWR的值也是濾波器性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，如圖5（a）和圖5（b）所示，駐波比在兩個(gè)端口的反射損耗均接近1.8，可見(jiàn)所設(shè)計(jì)的濾波器芯片的性能滿足核應(yīng)急情況下的能量輸出。

我們分別對(duì)該濾波器芯片的輸入、輸出端的回波損耗進(jìn)行分析，對(duì)回波損耗的分析中利用史密斯圓圖法可以更加直觀地看到濾波器芯片兩端自身由于信號(hào)的輸入、輸出過(guò)程中端口本身所帶來(lái)的雜散波的干擾。如圖6（a）和圖6（b）所示，為回波損耗的實(shí)測(cè)結(jié)果，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示在輸入輸出端口的回波損耗在斯密斯原圖的結(jié)果也比較理想。

本文所設(shè)計(jì)的Wi-Fi濾波器具有大帶寬、高增益、低插入損耗、高帶外抑制的特點(diǎn)，在核應(yīng)急信息管理中滿足了當(dāng)核事故發(fā)生前、發(fā)生中及發(fā)生后的信息傳遞的及時(shí)性及可靠性。在帶寬為80 MHz的大帶寬的情況下，核應(yīng)急發(fā)生時(shí)可以通過(guò)語(yǔ)音、圖片、視頻等方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)急信號(hào)的快速傳遞，從而有效地避免人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

3? 結(jié)? 論

本文描述了一種可用于加速器環(huán)境下核應(yīng)急信息管理中的抗干擾無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用，并對(duì)所設(shè)計(jì)無(wú)線濾波器的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。全文通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的Wi-Fi 4G濾波器在移動(dòng)終端表現(xiàn)的插入損耗、帶外抑制、駐波比、回波損耗等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)果表明這一抗干擾無(wú)線通信技術(shù)可以用于復(fù)雜環(huán)境下的加速器系統(tǒng)，并對(duì)核應(yīng)急情況下的緊急通信具有一定的指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：朱曉榮（1990—），女，漢族，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：核應(yīng)急工程管理;通訊作者：張文賢（1979—），男，漢族，江蘇蘇州人，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：環(huán)境工程自動(dòng)化。