直升机高度表电磁兼容问题分析研究

周文兵，陈志君

(1.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001;2.总参陆航研究所，北京 101121)

0 引言

随着对直升机功能和性能要求的日益提高，现代直升机对机载电子设备的依赖显著加强。然而，众多电子设备安装在直升机狭小的空间内，经常造成设备工作不正常或系统性能降级，设备或系统间的不兼容现象日益引起设计者的高度关注，对整机电磁兼容性的考核业已成为直升机验收的重要程序。

某直升机出现的高度表测高数据显示紊乱即为机上无线电高度表系统与尾梁下超短波天线间的电磁兼容问题引起的，严重影响飞行任务，亟待解决。

无线电高度表系统作为现代直升机中重要的自备式电子设备，其主要作用是测量直升机与地面间的实际距离，是大气数据系统和自动驾驶仪的重要输入参数。在直升机的起飞或进近着陆阶段要提供精确的高度数据，所以高度表系统工作的稳定性及输出实际高度的准确性对于直升机的飞行和着陆安全至关重要。

1 无线电高度表显示紊乱故障分析

无线电高度表测高系统一般由发射天线、接收天线、收发机和显示器等组成，基本原理为通过分析接收天线接收到的由发射天线辐射经地面反射回来的回波信号来解算直升机的真实飞行高度。为避免因接收天线接收到的直射波信号(未经地面反射的信号)过大而加大无线电高度表的测高误差，甚至无法正常工作。收/发机之间的隔离度一般要求不小于75dB，通常发射天线和接收天线间的安装距离要求不小于0.9m，部分微带型天线间安装距离要求必须不小于0.6m。

造成无线电高度表系统工作不正常或测高数据不准确的原因主要有:

1)无线电高度表系统自身故障和设计缺陷，如系统解算或显示故障，设备数据传输紊乱，天线指标不满足装机要求等。

2)无线电高度表系统装机后受干扰。

①高度表天线在机上的布局不合理，高度表天线受其他设备的干扰，接收到的信号不稳定或过大，超出收发机解算能力而造成输出数据紊乱。

②该系统的各个组成单元或互联电缆在系统运行过程中受机内电磁辐射或其他与其平行布线的大功率线缆耦合干扰而造成输入出信号不稳定。

1.1 高度表系统核查

由于该系统地面功能联试阶段顺利通过，说明系统自身运行正常，不存在系统自身解算或数据传输紊乱的问题，需重点核查功能联试中不能检测到的天线的指标。

该高度表天线采用微带型高度表天线，工作频段4.2GHz～4.4GHz，要求其增益不小于 7dB，为满足直升机俯仰和横滚飞行姿态下的测高要求，要求主瓣宽度俯仰面能达到90度、横滚面达到60度。根据其天线结构形式仿真出典型工作频点处辐射方向图如图1。

从FEKO仿真结果可知，无线电高度表天线的增益和主瓣宽度满足设计要求。

1.2 高度表系统装机干扰分析

检查高度表系统各设备的机上安装位置和电缆布线图发现符合设备安装和电缆布线要求;由于高度表天线工作在微波波段，如果和该工作频段相近或更高的外部辐射信号通过线缆接收进行耦合，其在线缆中的传输衰减很大，对信号传输影响较小。

图1 电高度表方向图

高度表天线对间的安装距离为680mm，满足要求，其布局如图2。

由天线布局发现，高度表天线安装距离虽然满足要求，但天线对之间还安装有超短波天线，可能由于天线间的串扰或超短波天线的反射等因素影响高度表天线间的隔离度，从而压制了接收天线的有用信号，使之不能正常工作。

图2 高度表天线原天线布局情况

通过试验室模拟，高度表天线在按实际安装距离680mm安装时，对以下五种不同天线布局状态下高度表天线对间的隔离度进行了摸底测试:

1)机上超短波天线(带顶天线)按真实情况安装;

2)去除机载超短波天线，但保留安装支架;

3)去除机载超短波天线和安装支架;

4)换装平板型天线，使用原安装支架;

5)只换装平板型天线。

其中:

状态1的目的为模拟机上实际天线布局状态，确定高度表天线对间隔离度大小;

状态2和状态3为摸清超短波天线及其安装支架对高度表天线对间隔离度的影响程度;

状态4和状态5为探索在不改变机上原有天线布局的状态下，通过换装或修改超短波天线彻底解决该问题的可能性。

各状态下高度表天线对间的隔离度(包括装机电缆损耗)测试结果如图3所示。

图3 高度表天线隔离度试验室测试结果

实测结果表明:高度表天线间安装超短波天线(无论是带顶或平板天线)使其隔离度大幅度降低，减小至75dB以下，状态1、4和状态5不满足高度表天线安装要求;去掉中间的天线，如状态2和状态3满足高度表天线安装要求。

2 超短波天线和高度表天线电磁兼容问题研究

根据试验结果可知，在保持原有天线布局的情况下，换装天线的解决方式不可行。要最终解决高度表受干扰的问题，还需要合理安排超短波天线和高度表天线对的布局。

在重新考虑天线布局时，必须保证:

1)高度表天线对的隔离度能满足其正常工作的要求;

2)高度表天线的装机方向图(如主瓣宽度、后瓣和波瓣倾角等)和增益应满足直升机俯仰45度或横滚30度飞行姿态下的测高要求;

3)超短波天线的装机方向图满足装机要求;

4)超短波天线和高度表天线在新的布局位置不对机上其他系统产生新的干扰。

最终使超短波天线和高度表天线都能正常工作，并不影响机上其他已正常工作的系统，实现机上系统间的电磁兼容设计目标。

根据该直升机外部特征以及机载天线布局情况，以满足上述系统间电磁兼容的要求为目标，在尽量保持原有机上状态的指导方向下，提出如下三种解决思路，如图4。

图4 三种解决思路图示

方案A:超短波天线不动、重新对高度表天线对进行布局。

方案B:超短波天线前移至少400mm、高度表天线对不动或后移。

方案C:超短波天线后移约1000mm、高度表天线对不动或前移(尾部安装有着陆灯)。

以下是通过FEKO软件对上述不同解决措施进行的分析仿真。

2.1 隔离度的计算理论依据

天线隔离度是衡量天线电磁兼容性的重要指标，一般定义为接收天线所接收的功率Pr与发射天线的发射功率Pt的比值，如式(1)。

对于高度表天线，其相互影响为辐射场。若发射天线的发射功率为Pt，增益为Gt，接收天线的接收功率为Pt，增益为Gt;接收天线与发射天线间的距离为r，收发天线外形尺寸与r相比很小，则隔离度如式(2)。

其中:Ft(θ，φ)与Fr(θ，φ)为其归一化方向性函数;(θt，φt)是发射天线坐标系中接收点指向角;(θr，

2.2 高度表隔离度计算结果

机载超短波天线分别安装在原天线布局位置(方案A)，前移400mm(方案B)和后移1000mm(方案C)时，高度表天线对之间的隔离度仿真结果如图5所示。φr)是接收天线坐标系中发射点的指向角。

当收发天线之间的极化不完全匹配时，还要增加极化失配带来的隔离度LP，即总的天线隔离度满足式(3)。

图5 高度表天线对间各方案下的隔离度

说明:仿真结果只为高度表天线之间的隔离度，收/发机隔离度至少还需包含高度表收、发天线射频电缆的损耗(每根约为5dB)。

仿真结果与试验室测试结果比较吻合，方案A隔离度较低，不能满足要求;方案B和方案C高度表隔离度都能满足高度表工作要求。

2.3 高度表装机方向图

上述三个方案，高度表天线典型频点的装机方向图仿真结果如图6。

图6 高度表天线XZ面和YZ面的装机方向图

由仿真结果可知，高度表天线的增益在各方案较其在自由空间的辐射都有几乎相同幅度的减少，但主瓣宽度仍能满足要求。

方案A下，由于超短波天线的反射及串扰，XZ面主瓣方向产生明显的振荡，可能造成高度表系统工作的不稳定;

在方案B，装机方向图产生较大的后瓣，容易对其他设备产生电磁干扰;

对于方案C，主瓣宽度满足要求，且圆滑度很好，后瓣及旁瓣压制得很低。

2.4 超短波天线3的装机方向图

超短波天线在上述三个方案下典型工作频点处(108MHz、174MHz、225MHz和 400MHz)的装机方向图如图7。

图7 超短波天线3 XY面装机方向图

通过各状态下仿真结果的比较可知:

在VHF(甚高频)频段，由于天线工作波长相对较长，各方案下，机身对于超短波装机方向图全向性的影响差别不大;

而在UHF(特高频)频段，由于机身遮挡，超短波天线在越接近后舱门的安装位置，辐射盲区越大。方案B与方案A相比，在辐射增益上有平均约3dB的提高，对该方向上的通信距离提高有所帮助，通信覆盖范围几乎相同;方案C与方案A相比，增益有平均约2dB的提高，但通信覆盖范围增加近60度，能比其他两种方案更好地满足超短波天线通信全向性的要求。

2.5 解决方案确定

由GJB 2746－96《机载天线通用规范》关于机载天线方向图、增益和后瓣等装机后畸变限值的要求，根据该直升机高度表天线对装机隔离度和主瓣宽度的实际需要，综合考虑高度表天线对装机隔离度和方向图、超短波天线的装机方向图等方面的仿真结果，在满足全机系统电磁兼容设计目标要求的前提下，以尽量保持机上原有状态为指导思想，选择解决方案C，即高度表天线安装位置不变、超短波天线后移至离高度表后天线约1000mm处，其最终安装位置可根据机上实际情况进行微调。

该解决方案被采用后，经试飞验证，高度表工作正常。该EMI问题的解决为微带型无线电高度表天线布局提供了重要的指导。

3 结束语

整机电磁兼容设计随着直升机对电子设备依赖的加强而逐步受到型号设计者的重视，并且会随着电子系统在机上的重要性的增强以及直升机特别是军用直升机在未来电磁战的使用而变成迫切的需要。现代直升机功能与性能对于电子电气系统的严重依赖，已经使得电磁兼容问题成为制约直升机发展的关键因素。

本文根据对直升机无线电高度表显示紊乱故障的分析，在满足机载天线装机规范和实际需求的前提下，以全机电磁兼容设计要求为目标，提出了多种解决方案，并通过使用电磁理论、软件仿真和试验相结合的方法对各方案进行了预估，选取了最优方案，为微带型无线电高度表在直升机上的天线布局提供了重要的指导，也为解决直升机上的此类电磁兼容问题探索出了一种快速、高效的方法。

［1］GJB 2746－96，机载天线通用规范［S］.

［2］GJB 5035－2001，甚高频机载通信系统设备天线分系统通用规范［S］.

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