机载射频收发系统电磁兼容性预测分析方法研究

王 涛 白天明 李 威 王 磊

(91655部队 北京 100039)

1 引言

在信息时代，随着科学技术的飞速发展，大量的电子、电气设备被装载于空间相对有限的飞机上，这就带来了严重的电磁干扰问题。众多的机载电子、电气设备由于其较高敏感性，成为了电磁干扰的重灾区。为了解决机载通信系统电磁兼容性问题，进行电磁兼容性预测分析和频谱管理是至关重要的一项工作。

电磁干扰的形成必须同时具备以下三个要素[1]:

a.电磁干扰源:指产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统、系统或者自然现象。

b.敏感设备:指电磁干扰发生响应的设备。

c.耦合通道:指把能量从干扰源耦合(或者转播)到敏感设备上，并使该设备产生响应的通路或者媒介。

通常将这三个要素称为电磁干扰三要素，如图1所示。

图1 电磁干扰三要素

由电磁干扰源出发的能量，经过某种耦合通道传输至敏感设备，导致敏感设备出现某种形式的响应并产生效果。这一作用过程及其效果，称为电磁干扰效应。

为了说明电磁干扰源是否对敏感设备造成干扰，从而产生电磁干扰效应，引入电磁干扰安全裕度SI，它定义为敏感度门限电平S与出现在关键试验点或者信号线上干扰电平I之比值，即

当SI＜1，即S＜I时，表示存在干扰效应;

当SI＞1，即 S＞I时，表示无干扰效应，电磁兼容;

当SI=1，即S=I时，表示处于临界兼容状态。

在机载射频收发系统电磁兼容性预测分析中，干扰源是发射机，敏感设备是接收机，耦合通道是电磁波从发射机发射后到达接收机的通道。发射机、接收机和耦合通道是机载射频收发系统间电磁兼容分析的三要素。

2 电磁干扰预测方程

基于电磁干扰预测方程对飞机电子、电气设备进行了电磁兼容性预测分析。

潜在干扰问题的严重程度可由有效功率与敏感度阈值之差来指示，此数值称为干扰余量IM，即[2]如果IM为正，则存在潜在干扰问题，如果为负，则几乎没有可能产生干扰。

对于接收机来说，PR即为灵敏度，通常用内部噪声N表征，所示式(1)的IM表示调谐时在接收机输入端的干扰——噪声比，如果将PA与PR的表达式展开，且收发频率有一间隔Δf时，则式(1)变为[2]

式中:PT(fE)在发射频率 fE时的发射功率(dBm)，GT(fE，t，d，p)发射天线在发射频率 fE时在接收天线方向的增益(dB)，L(fE，t，d，p)收发天线间在频率 fE时的传播损失(dB)，GR(fE，t，d，p)在发射天线方向，在频率fE时接收天线增益(dB)，PR(fR)在响应频率fE时的接收机敏感度阈值(dBm)，CF(BT，BT，Δf)计入发射机和接收机带宽 BT、BR及发射机发射频率fE与接收机响应频率fR之间的频率间隔的系数(dB)。

干扰分析余量包括以下四种:

FIM(基波干扰余量):发射机基波发射与接收机基波响应;

TIM(发射机干扰余量):发射机基波发射与接收机乱真响应;

RIM(接收机干扰余量):发射机乱真发射与接收机基波响应;

SIM(杂波干扰余量):发射机乱真发射与接收机乱真响应。

根据谐波发射幅度模型[2]及乱真响应敏感度阈值模型[2]，分别见(3)、(4)式:

可推导出干扰与量计算公式如下。

FIM干扰余量计算公式:RIM干扰余量计算公式:

TIM干扰余量计算公式:

SIM干扰余量计算公式:

根据发射－响应关系确定干扰余量计算公式，如果IM＜－10dB则不可能产生干扰，如果IM＞－10dB则产生干扰。

飞机上超短波电台接收机灵敏度比较高，所处的电磁环境非常恶劣，特别是在机上其他设备的对外辐射较强时，接收机更容易受到许多设备的干扰，下面将以机载短波发射机5次谐波干扰超短波接收机为例，说明其受扰程度，并运用理论计算和场路结合的方法进行电磁干扰预测分析。

3 理论计算方法

首先以基于电磁干扰预测方程的方法进行干扰预测分析。根据某型飞机上通信电台使用情况，设机上短波发射机功率为100W(50dBm)、工作频率为25MHz、发射天线增益为0dB，超短波接收机灵敏度为－113dBm、工作频率为125MHz、接收天线增益为0dB。由此可见，短波发射基波为25MHz其5次谐波与超短波基波频率相同，对超短波接收机造成干扰。根据判定依据[2]:

可知(125MHz－25MHz)＞25MHz，由于是短波电台5次谐波对超短波电台的影响，所以只需考虑RIM干扰余量。

根据公式(6)，其中A、B的取值见表1。

表1 有现成数据的统计综合得到的发射机谐波模型常数

经计算可得:

IM=50－49－20－38.9+113=55.1dB ＞ －10dB说明短波电台发射机对超短波电台接收机产生了严重的电磁干扰。

从干扰余量计算公式中可以看到，涉及电路分析的衰减因子计算为谐波相对于接收机主谱上的衰减，这可以直接由设计指标得到一些信息，在精度要求不高、粗略估计干扰余量的情况下可以使用，当精度要求较高，需细估余量时，则可以依据实际电路进行行为级仿真模型和天线模型计算较精确的带外误差。

4 场路结合的建模仿真方法

根据对RIM干扰余量计算公式的分析可知，式中 PT、GTR、GRT、PR均为不变的值，而式中可变的值为Alg(fOT/fOR)、B、L，其中 A、B均为根据不同型号发射机测量数据统计综合得到的值，L也是由计算公式计算得到粗略值，所以我们针对公式中 Alg(fOT/fOR)+B可以运用路的方法也就是ADS仿真软件计算带外抑制，针对L可以运用场的方法也就是HFSS仿真软件计算天线间隔离度，来降低干扰，优化天线布局。

4.1 建立行为级模型

图2为短波发信机干扰超短波收信机的收发信机行为级模型。其中Sig－in为超短波信号输入端，Sig－in－1为短波干扰信号输入端，Sig－out为超短波接收机接收有用信号输出端，Sig－out－2为短波干扰信号与超短波有用信号叠加后输出端。

图2 电路系统级模型

图3是正常信号输出端输出的频谱图，图4为干扰信号和有用信号叠加后输出的频谱图，可由图4 中 Sig－out、Sig－out－2 输出端可以看出，在干扰信号的作用下，接收端有用信号输出频谱较正常解调频谱产生了明显降低，而且干扰信号也被接收机解调出来，并且具有一定幅度，未加干扰时输出信号幅度为44.497dBm，叠加干扰信号后输出信号幅度为38.677dBm，下降了5.82dBm，解调出的干扰信号幅度为1.153dBm，由此可说明短波25MHz产生的5次谐波分量干扰了接收机的正常接收。

图5为叠加信号的时域波形，从时域波形也可看出蓝色代表原有用信号的输出波形，红色为叠加了干扰信号以后的输出波形，可看出，叠加干扰信号后，在干扰信号的作用下，有用信号幅度产生了明显降低。

由图6可见，25MHz基波分量幅度为28.059dBm，所产生的5次谐波125MHz分量幅度为－34.755dBm，幅度差为:－34.755－28.059=－62.814dB。

图7为对电路中的非线性参数进行调整后发射机的基波分量和5次谐波分量的频谱图。

由图7所示频谱图可见，基波与5次谐波幅度差为－79.271－18.057=－97.328dB，与调整前相比降低了34.514dB。

图7 发射机输出频谱

由以上仿真结果可知ADS建模仿真得到的分析结果与理论计算值－69dbm相比基本一致，首先证明了建模仿真方法的可行性，其次说明通过对带外信号进行抑制后，可进一步降低幅度差，达到对五次谐波的抑制作用。

4.2 建立HFSS模型

HFSS13.0仿真软件是以有限元方法为主，对结构精密、电尺寸较小的天线结构仿真计算上有较高精度和准确性，比较适合本文短波超短波天线的仿真。所以，通过HFSS对飞机超短波天线、短波天线等进行仿真，得到天线隔离度，将以上场路仿真得到的结果带入电磁干扰预测方程得到干扰余量。

首先在HFSS环境下建立简化飞机模型、短波天线模型及超短波天线模型。

图8、图9为短波天线和超短波天线垂直面方向图。

图8 短波天线方向图

飞机简易模型和短波天线在正常工作时在机身辐射的场强分布图如图10、图11所示。

从场强分布图可以看出，短波天线在正常工作时其辐射场覆盖了超短波天线所在的机身表面，由于天线间的耦合作用，短波发射天线对超短波天线的正常接收会造成一定影响。

经过软件计算得到S11、S12、S21、及S22参数，由下式可计算天线间隔离度:

通过计算得出短波天线相对超短波天线的隔离度为44.9dB，与理论计算公式中的空间衰减量38.9dB相比有所提高，说明运用场仿真的方法计算隔离度可使干扰余量降低，并且可以通过优化天线布局来进一步提高天线间隔离度，来达到降低干扰余量的目的。

5 结论

本文主要做了两方面的工作。首先，运用基于电磁干扰预测方程的理论计算方法计算了干扰余量，得到了一个粗略的值，然后运用ADS软件分别搭建了短波、超短波的发射机和接收机行为级模型，从而计算其间带外干扰抑制的幅度，再运用HFSS软件对机载短波天线和超短波天线进行天线间隔离度的仿真，通过软件计算得到其S参数，再通过天线隔离度计算公式计算得到天线间隔离度。最后，将运用两个软件仿真得到的结果代入到理论计算公式中，可以得比较精确的电磁干扰余量值，即可精确计算干扰余量。通过以上两种方法对飞机电磁兼容预测分析的结果进行比较可知，首先通过改变ADS模型中收发信机非线性器件参数，可提高带外抑制，其次改变天线布局可提高天线间隔离度，最终达到了降低干扰余量的作用。由于篇幅有限，本文只以短波谐波干扰发射超短波接收为例计算了RIM类型干扰余量，可依据本文的方法也可对FIM、TIM和SIM类型余量进行精确计算。

本文的分析可以有效解决飞机系统级电磁兼容的问题，改善了机载设备间产生的电磁干扰对设备正常工作的影响，使系统之间相互兼容、协调工作，提高了工作效率和作战效能，保证飞机能够适应未来一体化作战模式。对频谱管理和设备研制亦可提供技术支撑。

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