機載WIFI信號對DME導航設(shè)備電磁干擾研究

（上海工程技術(shù)大學航空運輸學院 上海 201620）

無線WIFI接入網(wǎng)絡(luò)應用日益廣泛，已成為人們上網(wǎng)的重要途徑之一。然而，大多數(shù)航空公司禁止使用手機或開啟WIFI，對乘客帶來諸多不便以及不太好的飛行體驗。通過機載WIFI設(shè)備為乘客提供的寬帶上網(wǎng)信息服務(wù)，會大大提升乘客的舒適度及服務(wù)體驗。然而無線WIFI信號會耦合到機載通信、導航系統(tǒng)的線纜或天線，產(chǎn)生交調(diào)、互調(diào)等干擾，甚至形成帶外雜散輻射，進而可能會影響機載設(shè)備對正常通信導航信號的處理，威脅飛行安全[1－2]。目前大多數(shù)航空公司禁止在飛機上使用手機無線電子設(shè)備，以保證機載電子設(shè)備的正常運行。然而，通過加裝機載WIFI接入系統(tǒng)來為乘客提供飛行中的寬帶上網(wǎng)，是提高乘客飛行體驗的重要需求。迫切的市場需求與實際的安全威脅相矛盾，本文以A320為例，利用CST軟件探討WIFI信號對機載導航系統(tǒng)DME接收天線的干擾問題。

1 電磁干擾概述

無線電通信或?qū)Ш较到y(tǒng)向空間輻射一定頻率的電磁波信號，經(jīng)過空間傳播后再由相應接收設(shè)備通過天線感應接收信號。但對于其他無線電子設(shè)備而言便造成了電磁干擾。電磁干擾問題可以總結(jié)為三個要素，即電磁干擾源、耦合路徑以及敏感設(shè)備。

電磁干擾信號由干擾源傳輸?shù)矫舾薪邮諜C的耦合路徑主要有輻射和傳導兩種方式。假設(shè)干擾信號源的發(fā)射信號功率為PT，傳輸路徑的功率損耗為PL，敏感接收機接收的干擾信號功率為PR，則：PR＝PT－PL

為衡量電磁敏感設(shè)備是否能夠正常工作，有學者提出采用干擾裕量IM（Interference Margin）作為電磁兼容性的評判標準[3]。該數(shù)值可用敏感接收設(shè)備接收功率PR與該設(shè)備的接收門限值PS的差值來表示：IM＝PT－PL－PS。

通過IM值可以判斷出整個系統(tǒng)的電磁兼容狀態(tài)。當IM＞0時，敏感接收機被電磁干擾無法正常工作；當IM≤0時，敏感接收機可以正常工作。IM值越小，無線系統(tǒng)運行就越可靠穩(wěn)定。

2 飛機電磁干擾分析

飛機上易受電磁干擾的無線電接收設(shè)備包括通信、導航和監(jiān)視系統(tǒng)。其中，機載通信系統(tǒng)主要包括甚高頻通信系統(tǒng)VHF、高頻通信系統(tǒng)HF等，機載導航系統(tǒng)主要有ILS系統(tǒng)、甚高頻全向信標系統(tǒng)VOR、測距機DME等，機載監(jiān)視系統(tǒng)主要有空中交通管制ATC、自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)ADS等。

當無線電子設(shè)備的數(shù)量較大時，電磁輻射總量將大大增加，不同頻率的電磁信號之間還會存在交調(diào)及互調(diào)，其中電磁信號間的互調(diào)干擾對電子設(shè)備的干擾最為嚴重。由于電子元器件器件的非線性特點，多個信號通過天線或線纜耦合進入電子設(shè)備后，信號間發(fā)生混頻而產(chǎn)生的新頻率的信號，新頻率如果接近接收設(shè)備的調(diào)制解調(diào)頻率時，就有可能被濾波器選通，進而被后續(xù)放大電路進一步放大，從而干擾機載設(shè)備正常工作。

3 傳輸路徑損耗分析

不同的電磁環(huán)境下干擾信號的傳輸路徑多種多樣，針對不同的信號干擾，需要建立不同的數(shù)學模型[4]。從電磁干擾三要素的角度分析，通過分析WIFI干擾信號從源端到DME接收端的路徑損耗可以了解該場景下無線信號衰落情況，從而計算出發(fā)射功率、接收功率等參數(shù)，所以建立傳輸路徑模型的重點是計算IPL。

機艙環(huán)境下，IPL是指艙內(nèi)PED干擾信號與艙外機載設(shè)備天線間輻射場耦合的路徑損耗。機艙內(nèi)常見的干擾信號傳輸途徑是艙內(nèi)PED干擾源通過艙門縫隙和舷窗耦合到艙外機載設(shè)備天線，本文使用高頻仿真軟件CSTMWS計算IPL。

路徑損耗可表示為機載天線接收到的干擾信號功率與PED輻射功率之差[5]：IPL＝PR－PT

4 仿真軟件建模

4．1 仿真環(huán)境

本文利用CATIA軟件建立的飛機模型，導入CSTMWS軟件仿真機艙內(nèi)的WIFI電磁波信號對機載DME設(shè)備接收端外部天線的影響。

CSTMWS是采用時域的有限積分算法（Finite Integration Technique，F(xiàn)IT）的高頻三維電磁場仿真軟件，包含時域、頻域以及本征模三個求解器，廣泛應用于無線通信、電磁兼容、諧振腔等領(lǐng)域。

4．2 飛機建模

利用CATIA進行空客A320建模，A320機身長度為 37．57 m，翼展寬度 34．1m，客艙長度 27．74m，寬度3．7m，高2．25m。此外機翼、尾翼、起落架等外部設(shè)施對WIFI信號損耗的計算結(jié)果影響較小，因此在建立飛機模型時可將這些結(jié)構(gòu)省去以簡化模型，減少了建模時間以及網(wǎng)格劃分的數(shù)量。此外，為了便于仿真分析，駕駛艙室在建模過程中也不再考慮，進一步降低建模的復雜度以提高了仿真效率。

4．3 參數(shù)設(shè)置

CSTMWS是基于時域FIT的電磁仿真軟件，仿真設(shè)置時需考慮網(wǎng)格密度與計算精度、計算時間的關(guān)系，確保在有限的時間內(nèi)獲得足夠的計算精度。參考Armstrong早期進行的一項研究[6]，用中心位置安裝有1／4波長單極子天線的金屬圓柱體簡化模型，得出在不同網(wǎng)格設(shè)置下E面的歸一化功率密度分布的差異，以檢測不同網(wǎng)格設(shè)置對于準確度的影響。網(wǎng)格劃分越密，仿真精度越高，仿真計算時間越長，最終綜合仿真效率與結(jié)果精度兩方面，將網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置為10。

機艙通過一個柱狀諧振腔來模擬，諧振結(jié)構(gòu)的仿真計算精度不僅與網(wǎng)格劃分有關(guān)，還與其仿真時間步數(shù)有關(guān)，在 CST中通過 MNP（max number of pulses）選項來改變電磁波衰減精度。選擇建立諧振腔孔縫模型和帶有孔縫的長方體諧振腔模型，通過計算其屏蔽效能來驗證參數(shù)[7]，最終確定MNP值為200，計算所花費時長在可接受范圍內(nèi)。

5 仿真與結(jié)果分析

利用一個單極子天線模擬 WIFI無線熱點（Hotspot）的輻射源信號，將WIFI天線設(shè)置在機艙頂部不同位置，將DME設(shè)備接收天線設(shè)置，利用仿真軟件計算WIFI天線與DME天線之間的干擾路徑損耗。

仿真實驗設(shè)置WIFI天線分別位于機艙前后不同位置，分析其余DME天線之間干擾路徑損耗的仿真頻譜圖，如圖1和圖2所示。

由圖可以看出，機載WIFI天線與機載導航設(shè)備DME天線之間的干擾路徑損耗一般小于80dB，將WIFI天線安裝在機艙內(nèi)的位置越靠后，則IPL越小，說明WIFI天線與DME天線間的IPL與距離有相關(guān)性。

6 結(jié)語

本文對機載WIFI與機載DME導航設(shè)備之間的電磁干擾進行了分析研究。利用CATIA建立空客A320飛機模型，采用 CST MWS仿真軟件對WIFI天線與機載導航設(shè)備DME天線之間的電磁干擾進行仿真，分析WIFI信號對機載導航設(shè)備接收端外部天線的影響。

仿真表明，WIFI接入點的位置越靠后，與機載設(shè)備接收天線的距離越遠，IPL就越大，機載設(shè)備接收到的干擾信號越小；在靠近緊急艙門的窗口，IPL迅速下降；靠近機頭的窗口位置IPL較小，WIFI天線與機載接收天線間的IPL與距離有密切關(guān)系。