甚高頻通信系統(tǒng)電磁干擾問題淺析

摘 要:隨著當(dāng)今飛機(jī)電子設(shè)備使用的日趨增多，作為飛機(jī)主要對(duì)外聯(lián)系方式的甚高頻通信系統(tǒng)越來(lái)越容易受到電磁輻射的干擾。針對(duì)飛機(jī)甚高頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的電磁干擾問題進(jìn)行了分析，提出了一些具體的解決措施及步驟。

關(guān)鍵詞:甚高頻通信系統(tǒng) 電磁干擾 分析

中圖分類號(hào):V22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)10(c)-0080-02

在當(dāng)今民用飛機(jī)的技術(shù)革新中，越來(lái)越多的飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)備由原先的機(jī)械式設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮釉O(shè)備，導(dǎo)致機(jī)內(nèi)的電磁干擾。同時(shí)，隨著民用無(wú)線電設(shè)備的增多，機(jī)場(chǎng)附近的通信信號(hào)經(jīng)常遭受有害的電磁波干擾。電磁干擾不僅使飛機(jī)與地面指揮之間通信時(shí)常受到阻礙，而且導(dǎo)致在飛行區(qū)域管制中存在一定的盲區(qū)，對(duì)飛行安全造成極大隱患。針對(duì)上述問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 甚高頻通信系統(tǒng)功能介紹

甚高頻通信系統(tǒng)主要用于提供飛機(jī)與地面臺(tái)站、飛機(jī)與飛機(jī)之間進(jìn)行雙向語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。它由各收發(fā)機(jī)及其配套天線所組成的子系統(tǒng)組成。標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)機(jī)在118.000～136.975MHz的航空通信VHF通訊邊帶內(nèi)進(jìn)行，并以25KHz為單位進(jìn)行頻道分隔。優(yōu)秀的甚高頻收發(fā)機(jī)還應(yīng)有能力支持137.000～151.975MHz、并以25KHz為單位進(jìn)行分隔的的外加頻率的運(yùn)行，這也是今后發(fā)展的方向。

甚高頻收發(fā)機(jī)的發(fā)射電路負(fù)責(zé)將語(yǔ)音音頻調(diào)制成RF載波信號(hào)送往甚高頻天線;接收電路負(fù)責(zé)解調(diào)接收到的RF載波信號(hào)，并從中檢出音頻。檢出的音頻被機(jī)組和其他系統(tǒng)使用。甚高頻天線負(fù)責(zé)發(fā)射和接收RF信號(hào)。

2 機(jī)外電磁干擾問題類型及解決措施

2.1 甚高頻電臺(tái)鄰頻干擾概述及解決措施

當(dāng)飛機(jī)起降密集時(shí)，為更好的相互協(xié)調(diào)，通常塔臺(tái)、進(jìn)近指揮員在起飛線塔臺(tái)共同指揮。當(dāng)塔臺(tái)電臺(tái)發(fā)話時(shí)，進(jìn)近電臺(tái)又正在接收飛機(jī)信號(hào)，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)塔臺(tái)指揮員的話音串入進(jìn)近電臺(tái)接收機(jī)中，使進(jìn)近指揮員聽不清飛行員發(fā)回的指令。電臺(tái)在使用中正常信號(hào)是由接收機(jī)天線耦合電磁波產(chǎn)生高頻電壓(或電流)信號(hào)，經(jīng)接收電路變頻、檢波、放大等技術(shù)處理獲取的信號(hào)。為提高接收機(jī)的接收質(zhì)量，通常把接收機(jī)的工作頻率設(shè)計(jì)在對(duì)應(yīng)的發(fā)射機(jī)的調(diào)諧頻率上，使接收機(jī)對(duì)其他頻段的信號(hào)敏感度很低，基本不響應(yīng)。

針對(duì)上述問題，比較易執(zhí)行的方法是增加兩電臺(tái)天線之間的間隔距離，消除接收機(jī)臨近頻道響應(yīng)。由于兩部電臺(tái)都是在民航甚高頻地空通信頻段(118～136MHz)上，當(dāng)其中一部接收機(jī)有信號(hào)靜噪門打開時(shí)，另一部發(fā)射機(jī)發(fā)出的強(qiáng)信號(hào)，將對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生鄰頻響應(yīng)，使接收機(jī)前端電路抑制不住造成的。接收機(jī)本身的性能指標(biāo)對(duì)一般強(qiáng)信號(hào)的帶外抑制是可以滿足的，只有在很強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)下，才能使接收機(jī)電路抑制不住，這樣強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)作用區(qū)域是很有限的，增加兩電臺(tái)天線之間的間隔，來(lái)減弱臨近頻道干擾信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)目的。起飛線塔臺(tái)使用的發(fā)射機(jī)輸出功率對(duì)于塔臺(tái)、進(jìn)近等作用距離較近的通信，無(wú)論是信號(hào)質(zhì)量還是覆蓋范圍，都能滿足使用要求，因此增加天線之間的間隔距離增長(zhǎng)同軸饋線后對(duì)功率損耗暫可不考慮，只考慮饋線與天線匹配問題。將塔臺(tái)、進(jìn)近電臺(tái)的天線間隔調(diào)整到20～20m，對(duì)天線匹配功率衰減都能滿足要求，此時(shí)接收機(jī)的臨近頻道干擾場(chǎng)強(qiáng)就大大減弱，接收機(jī)本身的性能指標(biāo)就能對(duì)這種一般較強(qiáng)的帶外信號(hào)抑制掉，達(dá)到消除干擾目的。

除此以外，還可以在電臺(tái)輸出端加裝帶通濾波器，衰減鄰近頻道的信號(hào)干擾。接收機(jī)從天線接收到的射頻輸入信號(hào)一般是經(jīng)過(guò)雙向限幅器和低通濾波器后直接進(jìn)入射頻放大器。通過(guò)接收機(jī)內(nèi)低通濾波器對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行衰減是有限的，特別是在機(jī)場(chǎng)，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，同一頻段在塔臺(tái)樓頂上小范圍內(nèi)設(shè)置的電臺(tái)之間干擾不可避免。使用帶通濾波器對(duì)中心頻率以外的信號(hào)進(jìn)行有效衰減后，上述問題基本可以避免，但容易造成有用信息亦被衰減，因此不推薦使用。

2.2 民用大功率電臺(tái)干擾

隨著民用無(wú)線電的大力發(fā)展，出現(xiàn)了很多大功率無(wú)線電臺(tái)，導(dǎo)致甚高頻電臺(tái)受到嚴(yán)重干擾，嚴(yán)重影響對(duì)空指揮通信質(zhì)量。

對(duì)于無(wú)規(guī)律話音干擾信號(hào)，應(yīng)主動(dòng)進(jìn)行監(jiān)聽分析，最好進(jìn)行錄音給無(wú)線電管理部門提供準(zhǔn)確可靠的信息，縮短排除周期。對(duì)于有規(guī)律的干擾信號(hào)為“嘟?嘟?”的數(shù)據(jù)傳輸聲音，這種情況就無(wú)法通過(guò)監(jiān)聽來(lái)排除，應(yīng)該進(jìn)行分析和測(cè)向?qū)Ω蓴_源進(jìn)行定位。通常產(chǎn)生的干擾有鏡像干擾、互調(diào)干擾、雜波干擾以及多種干擾的組合。

3 機(jī)內(nèi)電磁干擾問題類型及解決措施

甚高頻通信電磁干擾問題的主要類型如圖1所示。

外部干擾問題在第1章已進(jìn)行了相關(guān)分析，現(xiàn)就機(jī)內(nèi)電磁干擾情況進(jìn)行逐項(xiàng)分析。

3.1 甚高頻收發(fā)機(jī)本機(jī)故障及解決措施

該故障為航空公司故障類型中出現(xiàn)最多的情況。針對(duì)該情況，最快速的解決方法是直接更換收發(fā)機(jī)，并在更換收發(fā)機(jī)后，檢查故障是否復(fù)現(xiàn)。如未復(fù)現(xiàn)，則可判定為收發(fā)機(jī)本身故障。值得注意的是，有許多深層次問題會(huì)以該種故障形式表現(xiàn)出來(lái)。因此航空公司及設(shè)備供應(yīng)商均應(yīng)重視該類問題的故障現(xiàn)象細(xì)節(jié)并進(jìn)行詳細(xì)的備案記錄。

3.2 機(jī)內(nèi)其它設(shè)備干擾故障及解決措施

由于目前飛機(jī)航電設(shè)備日趨增多，上述原因?qū)е碌墓收险谌遮呍龆唷Ｔ跈C(jī)內(nèi)干擾中，主要可能由于開關(guān)穩(wěn)壓器、數(shù)字交換、耦合、電纜敷設(shè)以及屏蔽不當(dāng)造成干擾。下文對(duì)這幾種干擾方式進(jìn)行了說(shuō)明，并給出了解決措施。

1)開關(guān)穩(wěn)壓器造成的干擾

由于開關(guān)穩(wěn)壓器的基頻低于30MHz并告訴通斷大電流，所以它們可以引起傳導(dǎo)和輻射。為避免上述干擾，需仔細(xì)檢查機(jī)內(nèi)各設(shè)備，以確保開關(guān)穩(wěn)壓器不會(huì)以噪聲污染接地平面。

2)數(shù)字交換

有數(shù)種數(shù)字網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加EMI。數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傾向于使許多線路同時(shí)通斷。線路上電流包含相位，增加了輻射。另外，由于互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體數(shù)字電路提高時(shí)鐘頻率，所以它們需要更多的電流驅(qū)動(dòng)其載荷。電流和頻率的提高將通過(guò)從ICD至地面的感應(yīng)連接產(chǎn)生更多的噪聲。數(shù)字波型快速轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了超過(guò)振蕩器基頻數(shù)十倍的諧波。需說(shuō)明的是，即使輸出表現(xiàn)為方波，偶次和奇次諧波也均存在。為避免該故障，需在設(shè)備設(shè)計(jì)階段就對(duì)EMI進(jìn)行細(xì)致確認(rèn)，并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行審核。即便如此，也需對(duì)設(shè)備進(jìn)行細(xì)致的屏蔽。

3)耦合

任何電感器均是潛在的耦合和輻射源。電纜的作用類似極長(zhǎng)的耦合回路，它可以降信號(hào)或電源噪聲分布于整個(gè)設(shè)備并輸出至外部空間。從根本上說(shuō)金屬線輻射電場(chǎng)，金屬環(huán)輻射磁場(chǎng)。該問題基本很難避免，需要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

4)電纜敷設(shè)

電纜形成輻射成為磁化率的源，通常同軸電纜的屏蔽信號(hào)或雙股線鞏膜信號(hào)產(chǎn)生大多數(shù)的輻射，但即使優(yōu)秀同軸電纜也將通過(guò)其屏蔽泄露有限量的信號(hào)。為避免上述情況，最穩(wěn)妥的方式是采用多編織層、整件外導(dǎo)體甚至填有焊料的編織同軸電纜來(lái)提高屏蔽作用。雙絞線電纜利用絞合取消差模的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，但雙絞線作用隨著頻率的提高而下降。

5)屏蔽不當(dāng)

屏蔽是EMC工作的基本方法。它可將不需要的信號(hào)排斥在外，包容潛在的EMI源。通常無(wú)縫活無(wú)孔的厚金屬盒是最有效的屏蔽。但由于在實(shí)際設(shè)計(jì)中不可能實(shí)現(xiàn)完美的金屬盒且為了保證設(shè)備重量，經(jīng)常采用銅帶覆蓋縫隙的薄鋁盒進(jìn)行代替。同時(shí)，為了保證設(shè)備內(nèi)部的溫度不至于過(guò)熱，在某些部位也需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧艨滓员ＷC設(shè)備散熱。這些都可能導(dǎo)致信號(hào)輻射至外部或外部輻射干擾設(shè)備內(nèi)部。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障來(lái)源于這類問題時(shí)，可考慮在干擾源方向增加屏蔽擋板對(duì)干擾進(jìn)行屏蔽，或?qū)椛湓赐獠考悠帘螌右越档推漭椛渲笜?biāo)。

4 案例分析

4.1 故障現(xiàn)象

某型號(hào)飛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)VHF-1系統(tǒng)在某特定頻道上接收通信后，有噪聲現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)按壓發(fā)話開關(guān)后，噪聲消失。在相隔較遠(yuǎn)的頻道上進(jìn)行通話，無(wú)噪聲現(xiàn)象。飛機(jī)落地后，進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象消失。

4.1 飛機(jī)外部干擾及設(shè)備本身故障排除

故障發(fā)生后，工程人員對(duì)飛機(jī)進(jìn)行了檢查，并檢查了當(dāng)時(shí)空域中其它飛機(jī)的飛行情況，發(fā)現(xiàn)在故障發(fā)生時(shí)，使用相同頻率的其它飛機(jī)并沒有相同的問題，且機(jī)場(chǎng)附近當(dāng)天并沒有相關(guān)頻道上的強(qiáng)干擾。因此，判定為飛機(jī)內(nèi)部干擾問題，并以此為方向進(jìn)行排故。將出現(xiàn)故障的收發(fā)機(jī)與正常收發(fā)機(jī)進(jìn)行對(duì)調(diào)，檢查故障是否隨收發(fā)機(jī)轉(zhuǎn)移。經(jīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)故障仍發(fā)生在故障收發(fā)機(jī)側(cè)，排除收發(fā)機(jī)本身故障的可能性。將故障可能性縮小為飛機(jī)內(nèi)部其它系統(tǒng)干擾。

4.2 飛機(jī)干擾源定位

為確認(rèn)干擾源，決定當(dāng)噪聲出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)頻譜儀檢測(cè)飛機(jī)內(nèi)外部輻射功率，確認(rèn)噪聲干擾源。確認(rèn)步驟如下:

1)通過(guò)VHF-1系統(tǒng)在故障頻道上與塔臺(tái)通話，確認(rèn)存在噪聲干擾故障。

2)使用頻譜儀，分別測(cè)試飛機(jī)外部、飛機(jī)客艙、飛機(jī)駕駛艙及飛機(jī)E/E艙中的輻射功率。如發(fā)現(xiàn)強(qiáng)干擾，則仔細(xì)檢查該區(qū)域設(shè)備，確認(rèn)干擾源。

3)用銅箔分別包裹干擾源系統(tǒng)線路和干擾源系統(tǒng)設(shè)備，同時(shí)檢測(cè)場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境，確認(rèn)具體干擾源。

經(jīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果如下:

1)通過(guò)VHF-1系統(tǒng)在故障頻道上與塔臺(tái)進(jìn)行通話，出現(xiàn)噪聲干擾。檢查其它頻道通話情況，發(fā)現(xiàn)在鄰近頻道上也存在干擾現(xiàn)象，其它頻道均無(wú)干擾。

2)使用頻譜儀檢查飛機(jī)外部場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境，在飛機(jī)外部測(cè)得輻射功率大致穩(wěn)定在-100dBm附近。

3)測(cè)試飛機(jī)客艙內(nèi)部環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)急燈插座上存在一個(gè)以124.988MHz頻點(diǎn)為中心，頻寬約20KHz，強(qiáng)度約-89dBm的干擾信號(hào)。其它區(qū)域輻射功率大致穩(wěn)定在-100dBm附近。由于應(yīng)急燈插座當(dāng)時(shí)并未工作，處于無(wú)源狀態(tài)，所以判定該處干擾是由干擾源傳導(dǎo)至此所引起的。

4)測(cè)試飛機(jī)駕駛艙場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境，測(cè)得輻射功率大致穩(wěn)定在-95dBm附近。

5)測(cè)試飛機(jī)E/E艙輻射功率，發(fā)現(xiàn)在FCC-1附近干擾較大，最大處為FCC-1正對(duì)VHF-1面的FCC機(jī)殼附近，達(dá)-60dBm。

6)用銅箔分別包裹FCC系統(tǒng)線路，發(fā)現(xiàn)包裹前數(shù)值比包裹后強(qiáng)大約5dBm。當(dāng)將FCC設(shè)備正面右側(cè)邊緣縫隙用銅箔包裹后，發(fā)現(xiàn)FCC1與VHF1之間的輻射功率前后相差達(dá)14dBm。

4.3 干擾途徑確認(rèn)

通過(guò)此試驗(yàn)，確認(rèn)干擾源通過(guò)何途徑進(jìn)入VHF系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，干擾信號(hào)可通過(guò)兩種途徑進(jìn)入VHF系統(tǒng):

1)通過(guò)導(dǎo)線進(jìn)入。2)直接通過(guò)設(shè)備進(jìn)入

導(dǎo)線方面，由于VHF系統(tǒng)設(shè)備中的大多數(shù)導(dǎo)線傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，僅天線至VHF收發(fā)機(jī)段的同軸電纜傳輸載波信號(hào)，ACP段輸出基帶音頻信號(hào)。通過(guò)之前的試驗(yàn)，可以排除ACP段干擾的可能性。因此，需通過(guò)本次試驗(yàn)確認(rèn)干擾信號(hào)能否經(jīng)同軸電纜進(jìn)入VHF系統(tǒng)。

設(shè)備方面，干擾信號(hào)可能通過(guò)接地線路進(jìn)入VHF收發(fā)機(jī)。

為確認(rèn)干擾路徑，進(jìn)行如下試驗(yàn):

1)拆除VHF-1收發(fā)機(jī)，檢測(cè)FCC關(guān)機(jī)、開機(jī)狀態(tài)下，天線至設(shè)備段的同軸電纜中信號(hào)強(qiáng)度的變化程度。2)測(cè)試FCC1、FCC2、VHF1、VHF2設(shè)備的電搭接情況。

通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在FCC開機(jī)情況下，VHF系統(tǒng)天線至收發(fā)機(jī)段同軸電纜中會(huì)出現(xiàn)干擾信號(hào)。檢測(cè)設(shè)備電搭接，均低于標(biāo)準(zhǔn)值。

4.4 故障定位

通過(guò)上述試驗(yàn)，可確定甚高頻通信噪聲干擾產(chǎn)生的原因。

FCC設(shè)備加電后，會(huì)在124.988MHz中心頻率附近產(chǎn)生干擾。由于FCC設(shè)備與VHF收發(fā)機(jī)距離較近(FCC1設(shè)備緊鄰VHF1收發(fā)機(jī);FCC2設(shè)備位于VHF2收發(fā)機(jī)右下方)，該干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)輻射方式進(jìn)入VHF天線至VHF收發(fā)機(jī)段的同軸電纜中。干擾信號(hào)在穿過(guò)同軸電纜屏蔽層后，其干擾強(qiáng)度會(huì)降至-92dBm左右。甚高頻收發(fā)機(jī)的靜噪門限有兩種設(shè)定模式:噪聲檢測(cè)門限模式(門限值-100dBm)以及載波檢測(cè)門限模式(門限值-87dBm)。當(dāng)VHF收發(fā)機(jī)處于接收機(jī)狀態(tài)且未接收通信時(shí)，靜噪門限模式為載波檢測(cè)門限模式。當(dāng)接收到大于-87dBm的信號(hào)時(shí)，接收機(jī)判定該信號(hào)為通信信號(hào)，此時(shí)靜噪門限模式自動(dòng)切換至噪聲檢測(cè)門限模式。當(dāng)接收信號(hào)低于-100dBm時(shí)，接收機(jī)判定通信結(jié)束，此時(shí)靜噪門限模式自動(dòng)切換至載波檢測(cè)門限模式。當(dāng)按壓PTT開關(guān)時(shí)，VHF收發(fā)機(jī)切換至發(fā)射機(jī)模式，接收機(jī)模式自動(dòng)關(guān)閉。松開PTT開關(guān)后，VHF收發(fā)機(jī)自動(dòng)切換至接收機(jī)模式，此時(shí)的靜噪門限模式為載波檢測(cè)門限模式。

分析故障現(xiàn)象，判定該故障系受干擾源干擾所造成。VHF系統(tǒng)外部存在某個(gè)干擾源，其發(fā)射的干擾信號(hào)進(jìn)入VHF系統(tǒng)后，產(chǎn)生輻射功率強(qiáng)度在-99至-88dBm的干擾信號(hào)。在未接收通信時(shí)，由于該干擾信號(hào)低于載波檢測(cè)門限值-87dBm，因此系統(tǒng)無(wú)干擾現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)接收通信時(shí)，噪聲隨通信信號(hào)進(jìn)入收發(fā)機(jī)，但由于通信信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于噪聲信號(hào)，故在通話過(guò)程中無(wú)噪聲干擾現(xiàn)象。當(dāng)通信信號(hào)消失后，由于噪聲信號(hào)高于-100dBm門限，故VHF接收機(jī)將其判定為通信信號(hào)進(jìn)行處理。在此情況下，出現(xiàn)噪聲干擾現(xiàn)象。按壓PTT開關(guān)后，由于接收機(jī)已經(jīng)重置，靜噪門限已變?yōu)?87dBm，故噪聲消失。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著當(dāng)今飛機(jī)電子設(shè)備使用的日趨增多，作為飛機(jī)主要對(duì)外聯(lián)系方式的甚高頻通信系統(tǒng)越來(lái)越容易受到電磁輻射的干擾。為保證飛機(jī)安全，在進(jìn)行甚高頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，確保設(shè)計(jì)出一架技術(shù)先進(jìn)可靠性高的優(yōu)秀機(jī)型。

參考文獻(xiàn)

[1]馬存寶.民機(jī)通信導(dǎo)航與雷達(dá)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[2]蔡成仁.航空無(wú)線電[M].北京:科學(xué)出版社，1992.

[3]曹學(xué)軍.無(wú)線電通信設(shè)備原理與系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.