機載射頻收發系統電磁兼容性預測分析方法研究

王 濤 白天明 李 威 王 磊

(91655部隊 北京 100039)

1 引言

在信息時代，隨著科學技術的飛速發展，大量的電子、電氣設備被裝載于空間相對有限的飛機上，這就帶來了嚴重的電磁干擾問題。眾多的機載電子、電氣設備由于其較高敏感性，成為了電磁干擾的重災區。為了解決機載通信系統電磁兼容性問題，進行電磁兼容性預測分析和頻譜管理是至關重要的一項工作。

電磁干擾的形成必須同時具備以下三個要素[1]:

a.電磁干擾源:指產生電磁干擾的元件、器件、設備、分系統、系統或者自然現象。

b.敏感設備:指電磁干擾發生響應的設備。

c.耦合通道:指把能量從干擾源耦合(或者轉播)到敏感設備上，并使該設備產生響應的通路或者媒介。

通常將這三個要素稱為電磁干擾三要素，如圖1所示。

圖1 電磁干擾三要素

由電磁干擾源出發的能量，經過某種耦合通道傳輸至敏感設備，導致敏感設備出現某種形式的響應并產生效果。這一作用過程及其效果，稱為電磁干擾效應。

為了說明電磁干擾源是否對敏感設備造成干擾，從而產生電磁干擾效應，引入電磁干擾安全裕度SI，它定義為敏感度門限電平S與出現在關鍵試驗點或者信號線上干擾電平I之比值，即

當SI＜1，即S＜I時，表示存在干擾效應;

當SI＞1，即 S＞I時，表示無干擾效應，電磁兼容;

當SI=1，即S=I時，表示處于臨界兼容狀態。

在機載射頻收發系統電磁兼容性預測分析中，干擾源是發射機，敏感設備是接收機，耦合通道是電磁波從發射機發射后到達接收機的通道。發射機、接收機和耦合通道是機載射頻收發系統間電磁兼容分析的三要素。

2 電磁干擾預測方程

基于電磁干擾預測方程對飛機電子、電氣設備進行了電磁兼容性預測分析。

潛在干擾問題的嚴重程度可由有效功率與敏感度閾值之差來指示，此數值稱為干擾余量IM，即[2]如果IM為正，則存在潛在干擾問題，如果為負，則幾乎沒有可能產生干擾。

對于接收機來說，PR即為靈敏度，通常用內部噪聲N表征，所示式(1)的IM表示調諧時在接收機輸入端的干擾——噪聲比，如果將PA與PR的表達式展開，且收發頻率有一間隔Δf時，則式(1)變為[2]

式中:PT(fE)在發射頻率 fE時的發射功率(dBm)，GT(fE，t，d，p)發射天線在發射頻率 fE時在接收天線方向的增益(dB)，L(fE，t，d，p)收發天線間在頻率 fE時的傳播損失(dB)，GR(fE，t，d，p)在發射天線方向，在頻率fE時接收天線增益(dB)，PR(fR)在響應頻率fE時的接收機敏感度閾值(dBm)，CF(BT，BT，Δf)計入發射機和接收機帶寬 BT、BR及發射機發射頻率fE與接收機響應頻率fR之間的頻率間隔的系數(dB)。

干擾分析余量包括以下四種:

FIM(基波干擾余量):發射機基波發射與接收機基波響應;

TIM(發射機干擾余量):發射機基波發射與接收機亂真響應;

RIM(接收機干擾余量):發射機亂真發射與接收機基波響應;

SIM(雜波干擾余量):發射機亂真發射與接收機亂真響應。

根據諧波發射幅度模型[2]及亂真響應敏感度閾值模型[2]，分別見(3)、(4)式:

可推導出干擾與量計算公式如下。

FIM干擾余量計算公式:RIM干擾余量計算公式:

TIM干擾余量計算公式:

SIM干擾余量計算公式:

根據發射－響應關系確定干擾余量計算公式，如果IM＜－10dB則不可能產生干擾，如果IM＞－10dB則產生干擾。

飛機上超短波電臺接收機靈敏度比較高，所處的電磁環境非常惡劣，特別是在機上其他設備的對外輻射較強時，接收機更容易受到許多設備的干擾，下面將以機載短波發射機5次諧波干擾超短波接收機為例，說明其受擾程度，并運用理論計算和場路結合的方法進行電磁干擾預測分析。

3 理論計算方法

首先以基于電磁干擾預測方程的方法進行干擾預測分析。根據某型飛機上通信電臺使用情況，設機上短波發射機功率為100W(50dBm)、工作頻率為25MHz、發射天線增益為0dB，超短波接收機靈敏度為－113dBm、工作頻率為125MHz、接收天線增益為0dB。由此可見，短波發射基波為25MHz其5次諧波與超短波基波頻率相同，對超短波接收機造成干擾。根據判定依據[2]:

可知(125MHz－25MHz)＞25MHz，由于是短波電臺5次諧波對超短波電臺的影響，所以只需考慮RIM干擾余量。

根據公式(6)，其中A、B的取值見表1。

表1 有現成數據的統計綜合得到的發射機諧波模型常數

經計算可得:

IM=50－49－20－38.9+113=55.1dB ＞ －10dB說明短波電臺發射機對超短波電臺接收機產生了嚴重的電磁干擾。

從干擾余量計算公式中可以看到，涉及電路分析的衰減因子計算為諧波相對于接收機主譜上的衰減，這可以直接由設計指標得到一些信息，在精度要求不高、粗略估計干擾余量的情況下可以使用，當精度要求較高，需細估余量時，則可以依據實際電路進行行為級仿真模型和天線模型計算較精確的帶外誤差。

4 場路結合的建模仿真方法

根據對RIM干擾余量計算公式的分析可知，式中 PT、GTR、GRT、PR均為不變的值，而式中可變的值為Alg(fOT/fOR)、B、L，其中 A、B均為根據不同型號發射機測量數據統計綜合得到的值，L也是由計算公式計算得到粗略值，所以我們針對公式中 Alg(fOT/fOR)+B可以運用路的方法也就是ADS仿真軟件計算帶外抑制，針對L可以運用場的方法也就是HFSS仿真軟件計算天線間隔離度，來降低干擾，優化天線布局。

4.1 建立行為級模型

圖2為短波發信機干擾超短波收信機的收發信機行為級模型。其中Sig－in為超短波信號輸入端，Sig－in－1為短波干擾信號輸入端，Sig－out為超短波接收機接收有用信號輸出端，Sig－out－2為短波干擾信號與超短波有用信號疊加后輸出端。

圖2 電路系統級模型

圖3是正常信號輸出端輸出的頻譜圖，圖4為干擾信號和有用信號疊加后輸出的頻譜圖，可由圖4 中 Sig－out、Sig－out－2 輸出端可以看出，在干擾信號的作用下，接收端有用信號輸出頻譜較正常解調頻譜產生了明顯降低，而且干擾信號也被接收機解調出來，并且具有一定幅度，未加干擾時輸出信號幅度為44.497dBm，疊加干擾信號后輸出信號幅度為38.677dBm，下降了5.82dBm，解調出的干擾信號幅度為1.153dBm，由此可說明短波25MHz產生的5次諧波分量干擾了接收機的正常接收。

圖5為疊加信號的時域波形，從時域波形也可看出藍色代表原有用信號的輸出波形，紅色為疊加了干擾信號以后的輸出波形，可看出，疊加干擾信號后，在干擾信號的作用下，有用信號幅度產生了明顯降低。

由圖6可見，25MHz基波分量幅度為28.059dBm，所產生的5次諧波125MHz分量幅度為－34.755dBm，幅度差為:－34.755－28.059=－62.814dB。

圖7為對電路中的非線性參數進行調整后發射機的基波分量和5次諧波分量的頻譜圖。

由圖7所示頻譜圖可見，基波與5次諧波幅度差為－79.271－18.057=－97.328dB，與調整前相比降低了34.514dB。

圖7 發射機輸出頻譜

由以上仿真結果可知ADS建模仿真得到的分析結果與理論計算值－69dbm相比基本一致，首先證明了建模仿真方法的可行性，其次說明通過對帶外信號進行抑制后，可進一步降低幅度差，達到對五次諧波的抑制作用。

4.2 建立HFSS模型

HFSS13.0仿真軟件是以有限元方法為主，對結構精密、電尺寸較小的天線結構仿真計算上有較高精度和準確性，比較適合本文短波超短波天線的仿真。所以，通過HFSS對飛機超短波天線、短波天線等進行仿真，得到天線隔離度，將以上場路仿真得到的結果帶入電磁干擾預測方程得到干擾余量。

首先在HFSS環境下建立簡化飛機模型、短波天線模型及超短波天線模型。

圖8、圖9為短波天線和超短波天線垂直面方向圖。

圖8 短波天線方向圖

飛機簡易模型和短波天線在正常工作時在機身輻射的場強分布圖如圖10、圖11所示。

從場強分布圖可以看出，短波天線在正常工作時其輻射場覆蓋了超短波天線所在的機身表面，由于天線間的耦合作用，短波發射天線對超短波天線的正常接收會造成一定影響。

經過軟件計算得到S11、S12、S21、及S22參數，由下式可計算天線間隔離度:

通過計算得出短波天線相對超短波天線的隔離度為44.9dB，與理論計算公式中的空間衰減量38.9dB相比有所提高，說明運用場仿真的方法計算隔離度可使干擾余量降低，并且可以通過優化天線布局來進一步提高天線間隔離度，來達到降低干擾余量的目的。

5 結論

本文主要做了兩方面的工作。首先，運用基于電磁干擾預測方程的理論計算方法計算了干擾余量，得到了一個粗略的值，然后運用ADS軟件分別搭建了短波、超短波的發射機和接收機行為級模型，從而計算其間帶外干擾抑制的幅度，再運用HFSS軟件對機載短波天線和超短波天線進行天線間隔離度的仿真，通過軟件計算得到其S參數，再通過天線隔離度計算公式計算得到天線間隔離度。最后，將運用兩個軟件仿真得到的結果代入到理論計算公式中，可以得比較精確的電磁干擾余量值，即可精確計算干擾余量。通過以上兩種方法對飛機電磁兼容預測分析的結果進行比較可知，首先通過改變ADS模型中收發信機非線性器件參數，可提高帶外抑制，其次改變天線布局可提高天線間隔離度，最終達到了降低干擾余量的作用。由于篇幅有限，本文只以短波諧波干擾發射超短波接收為例計算了RIM類型干擾余量，可依據本文的方法也可對FIM、TIM和SIM類型余量進行精確計算。

本文的分析可以有效解決飛機系統級電磁兼容的問題，改善了機載設備間產生的電磁干擾對設備正常工作的影響，使系統之間相互兼容、協調工作，提高了工作效率和作戰效能，保證飛機能夠適應未來一體化作戰模式。對頻譜管理和設備研制亦可提供技術支撐。

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