直升機高度表電磁兼容問題分析研究

周文兵，陳志君

(1.中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001;2.總參陸航研究所，北京 101121)

0 引言

隨著對直升機功能和性能要求的日益提高，現代直升機對機載電子設備的依賴顯著加強。然而，眾多電子設備安裝在直升機狹小的空間內，經常造成設備工作不正常或系統性能降級，設備或系統間的不兼容現象日益引起設計者的高度關注，對整機電磁兼容性的考核業已成為直升機驗收的重要程序。

某直升機出現的高度表測高數據顯示紊亂即為機上無線電高度表系統與尾梁下超短波天線間的電磁兼容問題引起的，嚴重影響飛行任務，亟待解決。

無線電高度表系統作為現代直升機中重要的自備式電子設備，其主要作用是測量直升機與地面間的實際距離，是大氣數據系統和自動駕駛儀的重要輸入參數。在直升機的起飛或進近著陸階段要提供精確的高度數據，所以高度表系統工作的穩定性及輸出實際高度的準確性對于直升機的飛行和著陸安全至關重要。

1 無線電高度表顯示紊亂故障分析

無線電高度表測高系統一般由發射天線、接收天線、收發機和顯示器等組成，基本原理為通過分析接收天線接收到的由發射天線輻射經地面反射回來的回波信號來解算直升機的真實飛行高度。為避免因接收天線接收到的直射波信號(未經地面反射的信號)過大而加大無線電高度表的測高誤差，甚至無法正常工作。收/發機之間的隔離度一般要求不小于75dB，通常發射天線和接收天線間的安裝距離要求不小于0.9m，部分微帶型天線間安裝距離要求必須不小于0.6m。

造成無線電高度表系統工作不正常或測高數據不準確的原因主要有:

1)無線電高度表系統自身故障和設計缺陷，如系統解算或顯示故障，設備數據傳輸紊亂，天線指標不滿足裝機要求等。

2)無線電高度表系統裝機后受干擾。

①高度表天線在機上的布局不合理，高度表天線受其他設備的干擾，接收到的信號不穩定或過大，超出收發機解算能力而造成輸出數據紊亂。

②該系統的各個組成單元或互聯電纜在系統運行過程中受機內電磁輻射或其他與其平行布線的大功率線纜耦合干擾而造成輸入出信號不穩定。

1.1 高度表系統核查

由于該系統地面功能聯試階段順利通過，說明系統自身運行正常，不存在系統自身解算或數據傳輸紊亂的問題，需重點核查功能聯試中不能檢測到的天線的指標。

該高度表天線采用微帶型高度表天線，工作頻段4.2GHz～4.4GHz，要求其增益不小于 7dB，為滿足直升機俯仰和橫滾飛行姿態下的測高要求，要求主瓣寬度俯仰面能達到90度、橫滾面達到60度。根據其天線結構形式仿真出典型工作頻點處輻射方向圖如圖1。

從FEKO仿真結果可知，無線電高度表天線的增益和主瓣寬度滿足設計要求。

1.2 高度表系統裝機干擾分析

檢查高度表系統各設備的機上安裝位置和電纜布線圖發現符合設備安裝和電纜布線要求;由于高度表天線工作在微波波段，如果和該工作頻段相近或更高的外部輻射信號通過線纜接收進行耦合，其在線纜中的傳輸衰減很大，對信號傳輸影響較小。

圖1 電高度表方向圖

高度表天線對間的安裝距離為680mm，滿足要求，其布局如圖2。

由天線布局發現，高度表天線安裝距離雖然滿足要求，但天線對之間還安裝有超短波天線，可能由于天線間的串擾或超短波天線的反射等因素影響高度表天線間的隔離度，從而壓制了接收天線的有用信號，使之不能正常工作。

圖2 高度表天線原天線布局情況

通過試驗室模擬，高度表天線在按實際安裝距離680mm安裝時，對以下五種不同天線布局狀態下高度表天線對間的隔離度進行了摸底測試:

1)機上超短波天線(帶頂天線)按真實情況安裝;

2)去除機載超短波天線，但保留安裝支架;

3)去除機載超短波天線和安裝支架;

4)換裝平板型天線，使用原安裝支架;

5)只換裝平板型天線。

其中:

狀態1的目的為模擬機上實際天線布局狀態，確定高度表天線對間隔離度大小;

狀態2和狀態3為摸清超短波天線及其安裝支架對高度表天線對間隔離度的影響程度;

狀態4和狀態5為探索在不改變機上原有天線布局的狀態下，通過換裝或修改超短波天線徹底解決該問題的可能性。

各狀態下高度表天線對間的隔離度(包括裝機電纜損耗)測試結果如圖3所示。

圖3 高度表天線隔離度試驗室測試結果

實測結果表明:高度表天線間安裝超短波天線(無論是帶頂或平板天線)使其隔離度大幅度降低，減小至75dB以下，狀態1、4和狀態5不滿足高度表天線安裝要求;去掉中間的天線，如狀態2和狀態3滿足高度表天線安裝要求。

2 超短波天線和高度表天線電磁兼容問題研究

根據試驗結果可知，在保持原有天線布局的情況下，換裝天線的解決方式不可行。要最終解決高度表受干擾的問題，還需要合理安排超短波天線和高度表天線對的布局。

在重新考慮天線布局時，必須保證:

1)高度表天線對的隔離度能滿足其正常工作的要求;

2)高度表天線的裝機方向圖(如主瓣寬度、后瓣和波瓣傾角等)和增益應滿足直升機俯仰45度或橫滾30度飛行姿態下的測高要求;

3)超短波天線的裝機方向圖滿足裝機要求;

4)超短波天線和高度表天線在新的布局位置不對機上其他系統產生新的干擾。

最終使超短波天線和高度表天線都能正常工作，并不影響機上其他已正常工作的系統，實現機上系統間的電磁兼容設計目標。

根據該直升機外部特征以及機載天線布局情況，以滿足上述系統間電磁兼容的要求為目標，在盡量保持原有機上狀態的指導方向下，提出如下三種解決思路，如圖4。

圖4 三種解決思路圖示

方案A:超短波天線不動、重新對高度表天線對進行布局。

方案B:超短波天線前移至少400mm、高度表天線對不動或后移。

方案C:超短波天線后移約1000mm、高度表天線對不動或前移(尾部安裝有著陸燈)。

以下是通過FEKO軟件對上述不同解決措施進行的分析仿真。

2.1 隔離度的計算理論依據

天線隔離度是衡量天線電磁兼容性的重要指標，一般定義為接收天線所接收的功率Pr與發射天線的發射功率Pt的比值，如式(1)。

對于高度表天線，其相互影響為輻射場。若發射天線的發射功率為Pt，增益為Gt，接收天線的接收功率為Pt，增益為Gt;接收天線與發射天線間的距離為r，收發天線外形尺寸與r相比很小，則隔離度如式(2)。

其中:Ft(θ，φ)與Fr(θ，φ)為其歸一化方向性函數;(θt，φt)是發射天線坐標系中接收點指向角;(θr，

2.2 高度表隔離度計算結果

機載超短波天線分別安裝在原天線布局位置(方案A)，前移400mm(方案B)和后移1000mm(方案C)時，高度表天線對之間的隔離度仿真結果如圖5所示。φr)是接收天線坐標系中發射點的指向角。

當收發天線之間的極化不完全匹配時，還要增加極化失配帶來的隔離度LP，即總的天線隔離度滿足式(3)。

圖5 高度表天線對間各方案下的隔離度

說明:仿真結果只為高度表天線之間的隔離度，收/發機隔離度至少還需包含高度表收、發天線射頻電纜的損耗(每根約為5dB)。

仿真結果與試驗室測試結果比較吻合，方案A隔離度較低，不能滿足要求;方案B和方案C高度表隔離度都能滿足高度表工作要求。

2.3 高度表裝機方向圖

上述三個方案，高度表天線典型頻點的裝機方向圖仿真結果如圖6。

圖6 高度表天線XZ面和YZ面的裝機方向圖

由仿真結果可知，高度表天線的增益在各方案較其在自由空間的輻射都有幾乎相同幅度的減少，但主瓣寬度仍能滿足要求。

方案A下，由于超短波天線的反射及串擾，XZ面主瓣方向產生明顯的振蕩，可能造成高度表系統工作的不穩定;

在方案B，裝機方向圖產生較大的后瓣，容易對其他設備產生電磁干擾;

對于方案C，主瓣寬度滿足要求，且圓滑度很好，后瓣及旁瓣壓制得很低。

2.4 超短波天線3的裝機方向圖

超短波天線在上述三個方案下典型工作頻點處(108MHz、174MHz、225MHz和 400MHz)的裝機方向圖如圖7。

圖7 超短波天線3 XY面裝機方向圖

通過各狀態下仿真結果的比較可知:

在VHF(甚高頻)頻段，由于天線工作波長相對較長，各方案下，機身對于超短波裝機方向圖全向性的影響差別不大;

而在UHF(特高頻)頻段，由于機身遮擋，超短波天線在越接近后艙門的安裝位置，輻射盲區越大。方案B與方案A相比，在輻射增益上有平均約3dB的提高，對該方向上的通信距離提高有所幫助，通信覆蓋范圍幾乎相同;方案C與方案A相比，增益有平均約2dB的提高，但通信覆蓋范圍增加近60度，能比其他兩種方案更好地滿足超短波天線通信全向性的要求。

2.5 解決方案確定

由GJB 2746－96《機載天線通用規范》關于機載天線方向圖、增益和后瓣等裝機后畸變限值的要求，根據該直升機高度表天線對裝機隔離度和主瓣寬度的實際需要，綜合考慮高度表天線對裝機隔離度和方向圖、超短波天線的裝機方向圖等方面的仿真結果，在滿足全機系統電磁兼容設計目標要求的前提下，以盡量保持機上原有狀態為指導思想，選擇解決方案C，即高度表天線安裝位置不變、超短波天線后移至離高度表后天線約1000mm處，其最終安裝位置可根據機上實際情況進行微調。

該解決方案被采用后，經試飛驗證，高度表工作正常。該EMI問題的解決為微帶型無線電高度表天線布局提供了重要的指導。

3 結束語

整機電磁兼容設計隨著直升機對電子設備依賴的加強而逐步受到型號設計者的重視，并且會隨著電子系統在機上的重要性的增強以及直升機特別是軍用直升機在未來電磁戰的使用而變成迫切的需要。現代直升機功能與性能對于電子電氣系統的嚴重依賴，已經使得電磁兼容問題成為制約直升機發展的關鍵因素。

本文根據對直升機無線電高度表顯示紊亂故障的分析，在滿足機載天線裝機規范和實際需求的前提下，以全機電磁兼容設計要求為目標，提出了多種解決方案，并通過使用電磁理論、軟件仿真和試驗相結合的方法對各方案進行了預估，選取了最優方案，為微帶型無線電高度表在直升機上的天線布局提供了重要的指導，也為解決直升機上的此類電磁兼容問題探索出了一種快速、高效的方法。

［1］GJB 2746－96，機載天線通用規范［S］.

［2］GJB 5035－2001，甚高頻機載通信系統設備天線分系統通用規范［S］.

［3］陳窮.電磁兼容性工程設計手冊［M］.北京:國防工業出版社，1993.

［4］朱啟明.雷達高度表設計理論基礎［M］.北京:國防工業出版社，1992.

［5］李春生.小型模塊化無線電高度表［J］.上海:制導與引信，2002(7).

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［7］李萍等.側向隔離微帶天線的研究［J］.西安:西安電子科技大學學報，2001(8).