基于FEKO的超短波通信對抗系統(tǒng)電磁兼容性仿真分析

2012-10-13 08:00:38丁亞非張傳勇吳微露

艦船電子對抗 2012年1期

丁亞非，張傳勇，吳微露

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

0 引言

超短波通信對抗系統(tǒng)是電子對抗裝備的主要組成部分，是奪取制電磁權(quán)的重要力量。超短波通信對抗系統(tǒng)由偵察站、干擾站組成，為了將多個(gè)站連成系統(tǒng)，在偵察站和干擾站中一般配備站間通信設(shè)備。假設(shè)超短波通信干擾站干擾天線采用對數(shù)周期偶極子天線（LPDA）。該天線是一種性能較好的非頻變天線，具有高增益、寬頻帶、強(qiáng)方向性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)存在發(fā)射功率大、副瓣抑制能力弱的問題，對己方導(dǎo)航、雷達(dá)、制導(dǎo)等設(shè)備會產(chǎn)生干擾，也會對通信對抗系統(tǒng)內(nèi)的站間通信設(shè)備形成干擾。因此，在運(yùn)用超短波通信對抗系統(tǒng)時(shí)，除了要考慮偵察站、干擾站與目標(biāo)之間的相對位置關(guān)系外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)內(nèi)各站之間的電磁兼容問題，即研究超短波通信干擾站的干擾發(fā)射對偵察站中站間通信接收機(jī)的電磁干擾等問題。

下面依據(jù)電磁干擾余量方程建立站間電磁兼容最小部署距離模型，采用FEKO軟件仿真了超短波通信干擾系統(tǒng)干擾天線（對數(shù)周期偶極子天線）的方向特性，仿真分析站間通信設(shè)備不受干擾時(shí)的最小配置距離。

1 站間最小電磁兼容部署距離計(jì)算模型

通信對抗系統(tǒng)中，被干擾設(shè)備輸入端口的干擾電平Pr（f，t，d，p）的數(shù)學(xué)模型為：

在通信對抗系統(tǒng)內(nèi)部，干擾與接收（如站間通信設(shè)備的接收機(jī)）間的電磁干擾余量模型［1］為：

式中：I（f，t，d，p）為干擾余量（dB）；Pt（f，t）為干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)在發(fā)射頻率f下的發(fā)射功率（dBm）；Gt（f，t，d，p）為干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的發(fā)射天線在發(fā)射頻率f對應(yīng)接收天線方向的增益（dB）；L（f，t，d，p）為干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)之間的電波傳播損耗（dB）；Gr（f，t，d，p）為被干擾系統(tǒng)接收機(jī)的接收天線對應(yīng)發(fā)射天線方向的增益（dB）；Ps（f，t）為被干擾系統(tǒng)的敏感度門限值（dBm）；CF（Bt，Br，Δf）為計(jì)入發(fā)射機(jī)和接收機(jī)帶寬Bt、Br及發(fā)射機(jī)發(fā)射與接收機(jī)響應(yīng)之間的頻率間隔Δf的校正系數(shù)（dB）。

在發(fā)射機(jī)調(diào)諧且Br＞Bt時(shí)，發(fā)射機(jī)功率完全被接收，不需校正；在發(fā)射機(jī)調(diào)諧且Br＜Bt時(shí)，僅接收部分發(fā) 射功率，其校正系數(shù) 為 CF（Bt，Br，Δf）＝10lg（Br／Bt）；在發(fā)射機(jī)失諧情況下，校正系數(shù)為CF（Bt，Br，Δf）＝20lg（Br／Bt）。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于敏感設(shè)備經(jīng)常受到n個(gè)干擾源的共同作用，則此時(shí)電磁干擾余量模型為：

若I＞0，則表示通信對抗系統(tǒng)中的干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)存在潛在干擾；

若I＝0，則表示通信對抗系統(tǒng)中的干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)處在臨界狀態(tài)；

若I＜0，則表示通信對抗系統(tǒng)中的干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)能兼容工作；

若干擾頻率不在被干擾系統(tǒng)的頻帶內(nèi)，一般認(rèn)為干擾余量I≥60dB時(shí)，存在潛在干擾。

依據(jù)電磁干擾余量模型，要保證站間通信等設(shè)備不受超短波通信干擾站發(fā)射的影響，被干擾接收機(jī)的敏感度門限值Ps（f，t）應(yīng)滿足：

當(dāng)Ps（f，t）＝Pr（f，t，d，p）時(shí)，表示此時(shí)通信干擾系統(tǒng)發(fā)射的干擾功率剛好達(dá)到接收機(jī)的敏感度閾值，對應(yīng)的放置距離為電磁兼容最小部署距離rmin，要保證站間通信等設(shè)備不受干擾的影響，則放置距離r應(yīng)滿足：

在超短波頻段，當(dāng)接收天線架高大于10m，電波傳播損耗可用下列egli模型［2］描述：

式中：f為發(fā)射機(jī)工作頻率（MHz）；r為收發(fā)天線間的距離（km）；ht為發(fā)射天線架高（m）；hr為接收天線架高（m）。

電磁兼容最小部署距離rmin可以認(rèn)為是一個(gè)臨界距離，此時(shí)有干擾余量I＝0，依據(jù)電磁干擾余量模型2，這時(shí)的電波傳播損耗L是一個(gè)確定的值：

結(jié)合電波傳播損耗模型，得出電磁兼容最小部署距離rmin計(jì)算公式：

2 對數(shù)周期偶極子天線結(jié)構(gòu)

對數(shù)周期偶極子天線結(jié)構(gòu)見圖1。它由N根平行排列的對稱陣子組成，天線用均勻雙線饋電［3］。

圖1 對數(shù)周期偶極子天線示意圖

所有振子尺寸以及振子之間的距離等都有確定的比例關(guān)系。若用τ來表示該比例系數(shù)并稱為比例因子，則有：

式中：Ln和an為第n個(gè)對稱振子的全長及半徑；Rn為第n個(gè)對稱振子到天線頂點(diǎn)o的距離；dn為相鄰振子之間的距離；n為對稱振子的序列編號，從離開饋電點(diǎn)最遠(yuǎn)的振子（即最長的振子）算起。

3 對數(shù)周期偶極子天線建模與仿真分析

假定超短波通信干擾系統(tǒng)所用對數(shù)周期偶極子天線的工作頻率范圍為20～150MHz，采用FEKO軟件建立天線模型并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果可用于通信對抗系統(tǒng)的電磁兼容性分析。

在遠(yuǎn)場分析中選擇40MHz、60MHz 2個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行仿真，遠(yuǎn)場分析方向圖如圖2所示。

假定超短波通信干擾站的工作頻段為20～150MHz，干擾功率為400W，對數(shù)周期天線（干擾用）的主瓣增益為6dB，副瓣增益約為0dB，天線零點(diǎn)處的增益約為－10dB（從圖2近似得到），天線架高為10m；站間通信設(shè)備的工作頻段為180～250MHz，通信天線也采用對數(shù)周期天線，偵察站通信天線方向?qū)χ蓴_站，其主瓣增益為6dB，天線架高為10m。

圖2 對數(shù)周期偶極子天線遠(yuǎn)場分析方向圖

下面按2種情況進(jìn)行仿真分析：一是假設(shè)干擾天線的某個(gè)副瓣朝向偵察站，得到的仿真結(jié)果如圖3所示；二是假設(shè)干擾天線的某個(gè)零點(diǎn)朝向偵察站，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 仿真結(jié)果1

圖4 仿真結(jié)果2

站間通信設(shè)備接收機(jī)的靈敏度大約為－90～－110dBm［4］，那么，可以設(shè)通信接收機(jī)帶內(nèi)敏感度閾值為－100dBm，帶外敏感度閾值為－40dBm。由于通信干擾站工作頻段與站間通信設(shè)備工作頻段不重合，故通信接收機(jī)采用帶外干擾敏感度閾值。所以，只有當(dāng)通信偵察站中的通信接收機(jī)收到的干擾功率小于－40dBm時(shí)，才能保證超短波通信對抗系統(tǒng)內(nèi)各站間的電磁兼容。分析圖3和圖4的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)干擾天線的某個(gè)副瓣朝向偵察站時(shí)，從圖3可知，隨著干擾頻率的降低，通信干擾站與偵察站之間的最小電磁兼容配置距離逐漸增大，當(dāng)干擾頻率為20MHz時(shí)，配置距離達(dá)到4.0km。

（2）當(dāng)干擾天線的某個(gè)副瓣朝向偵察站時(shí)，從圖3可知：通信干擾站與偵察站之間的最小電磁兼容配置距離約為4.0km；當(dāng)干擾天線的某個(gè)零點(diǎn)朝向偵察站時(shí)，從圖4可知，通信干擾站與偵察站之間的最小電磁兼容配置距離約為1.2km。綜合起來看，配置距離應(yīng)大于等于4.0km。

4 結(jié)束語

超短波通信對抗偵察站和超短波通信對抗干擾站的配置距離直接影響到超短波通信對抗系統(tǒng)的電磁兼容性。本文通過建模仿真的方法分析了超短波通信對抗系統(tǒng)的電磁兼容性問題，得出了站間通信設(shè)備不受干擾時(shí)的最小配置距離，這對實(shí)際應(yīng)用超短波通信對抗系統(tǒng)有一定參考意義。下一步需要開展的工作是：通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或修正本文仿真所得的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

［1］王定華，趙家升.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，1995.

［2］石昭祥.通信對抗系統(tǒng)仿真［M］.北京：解放軍出版社，2000.

［3］宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.