小型飞行器通信系统电磁兼容分析

王 秀，杨 勃，黄战武

(1.中国人民解放军92619部队，广东深圳 518000;2.西安电子科技大学电路CAD研究所，陕西西安 710071)

小型飞行器是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵，执行特定任务的非载人飞行器，因为其机内空间狭小，机载设备安装拥挤，频率覆盖面宽，从直流到几十GHz，造成了飞行器通信系统内复杂的电磁环境，并带来了严重的电磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)问题。为提高小型飞行器通信系统的抗电磁干扰性能，进行电磁兼容性设计是必要的。“兼容性”有两层含义:一是通信系统内各分系统、子系统、设备之间电磁环境的兼容性，二是系统与外部电磁环境的兼容性［1］。

目前EMC已成为电气、电子科学中的一个重要分支，形成一门综合性的边缘学科，EMC设计方法的历史发展需要经历解决法、规范法和系统法3个阶段。

美国从20世纪40年代就开始制定EMC标准，到80年代，军标开始逐步扩大到民品。美国运用这种方法较普及，从60年代一直延续到80年代，因此周期长、投资大，但仍存在“过安全”或“欠安全”的缺点，也就是说已符合EMC标准的设备或系统，在它们构成最终系统时还可能存在不兼容现象或因某些EMC标准过于苛刻而付出过多的代价，随着大规模集成电路的迅猛发展和推广，产品从部件到系统的集成密度越来越高，直接采用测试方法确定大量存在的EMC问题可能性越小。

到目前为止，国内外关于EMC设计的系统法阶段还主要停留在就系统电磁环境效应试验建立的一些标准，美国于2002年发布了MIL－STD－464A“系统电磁环境效应要求［2］”，而我国在2005年也发布了与之对应的GJB1389A －2005“系统电磁兼容性要求［3］”。此两项标准提出的试验内容和试验方法针都是对现场测试，只能用于检验测试系统的电磁兼容性是否合格，导致在传统的飞行器EMC设计过程中难以评估机载电子设备子系统，这种缺陷会导致在子系统应用于飞行器仪器设备时才会暴露出来，如子系统不工作、低效或者损坏，最终导致飞行器电磁兼容性能变差。因此，为解决小型飞行器通信系统前期设计中，各通信模块之间可能存在的电磁兼容性问题，一种系统级仿真模型的建立是必要的。

本文研究了小型飞行器UHF波段通信电台对S波段接收机的干扰作用，通过软件 ADS(Advanced Design System)分析了UHF和S波段接收机的电磁兼容性，建立了小型飞行器中UHF通信电台和S波段接收机之间的电磁兼容仿真模型，对S波段接收机射频前端进行谐波平衡仿真，根据发射机的辐射功率，收发天线间的耦合度和接收机敏感度计算干扰余量，分析发射机的基波干扰和谐波干扰是否对接收机造成干扰［4］。最后通过对S波段接收机和UHF通讯电台的电磁兼容性分析，并与实测数据进行对比，从而验证此建模方法的有效性和准确性［5］。此建模方法对通信设备之间的基波干扰和谐波干扰都进行了仿真比较，为飞行器通信系统的电磁兼容前期优化设计提供了参考。

1 S波段射频前端仿真模型

ADS是由安捷伦公司推出的微波电路和通信系统仿真软件。其功能强大，仿真手段多样［6］。

图1为以ADS仿真软件为平台搭建的S波段接收机射频前端电磁仿真模型。此模型建立的难点在于如何确定进入射频前端的UHF波段干扰信号强度，文中根据UHF电台发射机的辐射功率、收发天线间的耦合度及接收机敏感度干扰余量，计算得出进入S波段射频前端的干扰功率，然后在模型信号输入端，输入S波段基波信号和UHF波段通信电台信号进行谐波平衡仿真，分析组合频率是否进入接收机通带内，即当组合干扰频率落入到接收机带宽内时，该接收机可能被干扰。然后用同样的方法分析UHF波段谐波干扰是否对S波段接收机造成干扰。

图1 S波段接收机射频前端仿真电磁模型

2 仿真分析

2.1 UHF通信电台对接收机的影响

设输入接收机的有用信号频率为2.4 GHz;输入功率为－70 dB;通信电台的载波频率为400 MHz;输出的基波功率为43 dB;收、发天线间的耦合度为－64 dB;则接收机接收的干扰基波信号功率为－21 dB。如图2所示，400 MHz的基波干扰信号在接收机带宽外，被中心频率为2 400 MHz，带宽为120 MHz的滤波器抑制。最终接收机输出的信号只有有用信号，因此干扰电台发出的基波干扰信号对接收机不造成干扰［7］。

2.2 通信电台高次谐波对接收机干扰影响

图2 400 MHz干扰信号谐波平衡仿真结果

当通讯电台为6次谐波干扰发射时，其6次谐波信号频率为2 400 MHz，与接收机的中心频率相同。因此，此6次谐波干扰信号进入接收机后不会被滤除，可能会对接收机造成干扰，需要对其进一步进行幅度预测。根据文献［7］可知，6次谐波抑制比为80 dB;已知收、发天线间的耦合度为－52.5 dB;由此可得进入接收机输入端的6次谐波干扰功率为－90 dB。设接收机输入的有用信号频率为2 390 MHz;输入功率为－70 dB。如图3所示，仿真得出60 MHz和70 MHz频率点的输出功率较接近，所以此6次谐波信号对接收机造成较大干扰，影响了小型飞行器的飞行和系统正常工作。因此，必须对通讯电台的频谱重新进行分配，以保证接收机不受干扰能正常工作。

图3 2390 MHz有用信号谐波平衡仿真结果

2.3 电台载波频率对输入接收机干扰影响

将通讯电台的基波频率设为395 MHz，分析其是否对接收机造成干扰可知395 MHz的基波信号不在接收机带宽内，将被抑制，不会对接收机造成影响。图4为6次谐波信号在ADS中进行谐波平衡仿真的仿真结果，通讯电台发射的6次谐波信号频率为2 370 MHz，进入接收机的6次谐波信号功率为－92 dB。此6次谐波信号进入接收机，通过中心频率为2 400 MHz，带宽为120 MHz的腔体滤波器，经过放大，进入混频器与本振信号作用产生频率为310 MHz的信号。由于接收机一级中频选择滤波器的中心频率为340 MHz，带宽为13 MHz，所以频率为310 MHz的信号不在中频选择滤波器通带内，并且被此中频滤波器抑制。因此，此6次谐波信号对接收机不造成干扰。综上可知，为保证兼容性，当通讯电台的基波信号频率为395 MHz时，对接收机不造成干扰。

3 接收机电磁兼容性测试与结果分析

依据上述S波段接收系统对UHF电台的兼容性分析，图5建立了S波段接收机射频电磁兼容性的测试平台。此测试系统由信号源、功率合成器、干扰源、频谱仪和接收机组成。在测试系统中接入S波段接收机。

首先在没有干扰信号的情况下，对接收机射频前端进行测试。设接收机的有用信号频率为2 400 MHz，输入功率为－70 dB。有用信号进入接收机后经过滤波、放大、一次混频、一次中频选择滤波、二次混频和二次中频选择后最终输出频率70 MHz，功率为3.1 dB的中频信号，其测试结果如图6所示。

图4 2 370 MHz干扰信号谐波平衡仿真结果

图5 接收机电磁兼容性测试系统

图6 没有干扰信号的测试结果

然后在接收机输入端口中另外输入通讯电台的6次谐波信号，其频率为2 370 MHz，功率为－92 dB。测试结果如图7所示，输出信号仍然为频率70 MHz，功率3.1 dB“干净”的中频信号，即此6次谐波信号对接收机不造成干扰。

图7 加入干扰信号的测试结果

分析上述测试结果可知，UHF波段通信电台对S波段接收机的干扰作用与仿真结果基本吻合，说明建立的射频仿真模型适用于小型飞行器机载通信设备间射频电磁兼容预测［8］。

4 结束语

采用ADS射频仿真平台建立了S波段接收机射频前端的电磁仿真模型，对小型飞行器S波段接收机射频前端进行了系统级仿真［9－10］，并通过对UHF波段通信电台载波频率进行优化，较好地抑制了电台高次谐波干扰。通过实验室搭建了S波段接收机射频前端并进行测试，得出通信电台对S波段接收机的干扰作用与仿真结果相符，证明本文提出的电磁建模以及优化仿真方法适用于机载通信设备间射频电磁兼容预测。

［1］李勃，黄大庆.一种新的无人机系统级电磁兼容测试法［J］.中国电子科学研究院学报，2009，42(2):31－35.

［2］美国国防部.MIL－STD－464A系统电磁环境效应要求［S］.华盛顿:美国国防部，2002.

［3］宋海峰，苏庆福.信息系统电磁环境效应(E^3)评估研究［J］.中国电子科学研究学报，2008(4):364 －369.

［4］陈芳，许家栋，张利.基于ADS的脉冲压缩雷达系统仿真与性能分析［J］.计算机测量与控制，2009(6):1166－1184.

［5］杨万海.雷达系统建模与仿真［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2007.

［6］徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［7］徐喜安.单脉冲雷达系统的建模与仿真研究［D］.成都:电子科技大学，2006.

［8］国防科学技术工业委员会.GJB151A－1997军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求［S］.北京:国防科学技术工业委员会，1997.

［9］ZHU L X，WU B，ZHAO J.Modeling and simulation of pulse compression of hybrid－modulated signal based on Simulink［J］.Modern Radar，2007，29(4):46 －48.

［10］SALEMIAN S，KEIVANI H，MAHDIYAR O.Comparison of radar pulse compression techniques［C］.Microwave，Antenna，Propagation and EMCTechnologies for Wireless Communications，IEEE International Symposium，2005:1076－1079.