外场条件下机载通信系统的电磁环境分析*

2016-04-08韩海舰李文海

舰船电子工程 2016年1期

关键词：电磁干扰

韩海舰　李文海

(1.海军航空工程学院研究生管理大队　烟台　264001)(2.海军航空工程学院科研部ATE研究所　烟台　264001)

外场条件下机载通信系统的电磁环境分析*

韩海舰1李文海2

(1.海军航空工程学院研究生管理大队烟台264001)(2.海军航空工程学院科研部ATE研究所烟台264001)

摘要基于当前遇到的复杂电磁环境对机载通信系统性能的影响,通过对影响机载通信系统电磁兼容性的主要干扰源及干扰传播途径的探讨,较为详细地分析了机载通信系统所面临的复杂电磁环境,对于改进机载通信系统的电磁兼容性设计具有一定的指导意义。

关键词机载通信系统; 电磁环境; 电磁干扰; 干扰途径

Electromagnetic Environment Analysis of Airborne Communications Systems under the Condition of Outdoor Space

HAN Haijian1LI Wenhai2

(1. Graduate Students’ Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001) (2. ATE Research Institute of Research Department, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractConsidering the influence of the complex electromagnetic environment on the airborne communication system, the complex electromagnetic environment of airborne communications systems is analyzed in detail through the electromagnetic interference sources and transmissions. It has certain guiding significance to improve the electromagnetic compatibility design.

Key Wordsairborne communications systems, electromagnetic environment, electromagnetic interference, interference path

Class NumberTM15

1引言

随着现代信息技术及微电子技术的高速发展和广泛应用,大量的、型号不一的通信电子设备或系统以及其它的电子、电气设备越来越密集,高密度、宽频谱的电磁信号充满着整个人类生存空间,从而构成了外场条件下极其复杂的电磁环境。

对于军用飞机来讲,出于使命任务的需要,在相对狭小的设备舱内,往往安装了多部不同频段和功能的电台,以及雷达、电抗、高度表、惯导等各种机载设备,因此,必然存在着多种导致系统电磁兼容性能恶化的因素,如:有限频带内密集的工作频率;单位体积内较大的电磁功率密度;高低电平器件或装置的混合使用;多类天线引起的时域和频域的串扰;设备通过供电系统、接地系统、信号交联以及空间辐射产生的电磁干扰耦合等。这一切使得机载平台内的电磁环境更加恶化,而机载通信系统又属于高灵敏度设备,致使其更容易受到这些干扰的影响,造成工作性能下降或损坏。

近年来,通过研究发现机载通信系统空中故障较多,经检测维修,故障均不能复现。大规模的论证分析和实验验证表明,该类问题的出现主要是由于通信系统工作的电磁环境恶化所引起的。这些故障的出现严重影响了飞机的飞行训练与安全,有时甚至会造成不堪设想的后果。因此,有必要对外场条件下机载通信系统的电磁环境进行分析,进而改进电磁兼容性设计,满足电磁兼容性指标,达到改善内部环境、规避外界干扰,保证通信畅通的目的。

2机载通信系统电磁环境分析

机载通信系统从设计、开发、生产、使用和维护的整个生命周期将面临复杂多样的电磁环境。电磁环境[1～2]是指设备、分系统或系统在执行规定任务时,可能遇到的辐射或传导发射电平在不同频率范围内功率和时间上的分布。电磁环境是提出和确定设备、分系统或系统电磁兼容性要求的依据。电磁环境往往是由大量的、不同特性的干扰源产生的。因此,要想搞清机载通信系统所面临的电磁环境,就必须对可能影响其通信效能发挥的干扰源及其传播途径进行详细的分析。

2.1干扰源

飞机所处的电磁环境主要取决于外部空间的电磁环境和机内设备所形成的机内电磁环境[3],因此,可以将可能影响机载通信系统的干扰源分为平台内的干扰源和平台外的干扰源两大类。

2.1.1平台内主要干扰源分析

机载平台内的干扰主要是平台内的设备所产生,可以归类为以下几个方面:

1) 无线电设备干扰

除了通信系统外,飞机上大都还安装了雷达、惯导、电抗、高度表等无线电设备,数量和种类多,频谱覆盖范围广,信号复杂多样且强度差别大。无线电干扰信号[4]会通过直接耦合或间接耦合的方式进入接收设备或系统,对无线电通信所需接收信号的接收产生影响,导致性能下降,质量恶化,信号码字误差或丢失,甚至阻断通信的进行。对于机载通信系统而言,存在的主要干扰类型有:同频干扰、邻频干扰、互调干扰等。

2) 脉冲数字电路和开关电路干扰[5～6]

随着大量先进电子设备和高性能计算机等机载设备的不断增多,大量设备采用数字电路且工作于开关状态,由于数字脉冲电流和电压波形的上升沿很陡,其中包含着丰富的高次谐波分量,它们不仅传导进入电源线中,而且还向周围空间辐射,这是一种频谱较宽的干扰源。另外,机载计算机中的时钟振荡器、数据总线以及各种门电路、触发器等都会产生辐射干扰。

机载设备中还有一种工作于“通—断”状态的开关电路,如电源调压器、逆变器等。由于开关变换使电流急剧变化,产生频谱较宽的干扰,其幅度和频谱随着开关电流和电压的变化频率升高而增大。

3) 带有控制开关的电感性电气设备干扰[5～6]

在飞机上存在着许多电感性的电气元件,如风扇电机、液压电泵、舵面和副翼操纵的电动舵机、起落架收放驱动电机等,它们都是含有铁芯线圈的电感性负载,当采用开关按钮或继电器触点来控制通/断转换时,就会在电路中产生前沿很陡的瞬变电压干扰,一般上升时间在微秒至纳秒之间,电压峰值可达到600V,持续时间长达1ms,振荡频率为1MHz～10MHz。

发动机点火系统也是一个阻尼振荡瞬变电压干扰源,火花放电器的电流峰值高达几千安,振荡频率为20kHz～1MHz,连同其谐波分量,干扰频谱可延伸到几百兆赫。

4) 设备线缆间干扰

机载平台内部系统之间、系统内设备之间都需要使用电缆进行互连,互连电缆有时多达上千条,有资料表明,一架“台风”战斗机的电缆总长度为30km,而一架波音747大型客机的电缆总长度达到274km。随着传输信号频率的提高和电源设备功率的增加,在机载平台狭小的空间内电缆线束造成的电磁干扰问题变得更加突出,具体表现在以下几个方面[7]:

(1)机内电气电子设备产生的有意或无意的电磁干扰会通过互连线缆直接侵入敏感设备,或者通过耦合进入控制线和信号线,如果耦合干扰电压幅值过大或持续时间过长,则会对飞机内设备的正常工作产生影响。

(2)对于特定频段的电磁波,互连线缆可以看作效率很高的接收天线,空间的电磁干扰通过电缆接收,进入敏感设备,对有用信号造成干扰。

(3)同理,互连电缆也可以成为效率很高的辐射天线,尤其是飞机内部分电缆传输的信号功率大、频率高,电缆产生的电磁辐射可能对相邻设备产生影响。

(4)电缆线束作为电气电子设备的互连媒介,当设备被屏蔽起来后,电缆是导致设备或系统不能满足有关电磁干扰限值要求的主要原因。

2.1.2外场空间主要干扰源分析

1) 典型飞行环境下无线电设施的射频干扰

飞机在进行正常的飞行训练和执行任务的过程中,或在未来的信息化战场上将会经历各种各样的复杂电磁环境,势必会受到各种各样的电磁干扰。对于机载通信系统来说,航空地面(舰载)设备、机场无线电设施以及其它飞机、舰船无线电设备都可能对飞机辐射电磁波,从而构成对机载通信系统的干扰。此外,地面广播电视的高频、甚高频发射以及地面高压输电线的电场和瞬态短路引起的电磁发射都会成为机载通信系统外部空间的主要干扰源。

2) 静电和雷电干扰

在飞机处于高速飞行状态时,飞机外壳金属蒙皮会和大气中的云层、灰尘、水滴、雪或冰晶等之间相互摩擦,进而会在机身表面积累大量静电。随着静电电荷的不断积累,机体表面和周围大气之间的电压会逐渐升高,当达到一定程度时,大气被击穿,形成一种电晕放电。这种放电会对无线电接收机形成宽带噪声干扰,从而影响接收机对于有用信号的接收能力,对于电台典型的现象是耳机中出现比较强的噪声[8]。雷电干扰主要是由夏季本地雷电和冬季热带地区雷电放电所产生。地球上平均每秒钟发生100次左右的雷击放电。雷电是一连串的干扰脉冲,其电磁发射借助电离层的传输可传播到几千公里以外的地方。雷电干扰的频谱在50MHz以下都有分布,主要能量分布在100kHz左右,对地球上20MHz以下的无线电通信影响较大。

3) 太阳和宇宙噪声干扰

宇宙干扰是来自太阳系、银河系及河外星系的电磁骚扰,主要包括太空背景噪声和太阳、月亮、木星等发射的无线电噪声。太阳噪声则随着太阳的活动性明显变化,太阳活动高年无线电噪声显著增加。太阳的干扰频率从10MHz到几十GHz。银河系的干扰峰值出现在频段100MHz～200MHz。宇宙干扰影响最大的频段是20MHz～500MHz。太阳和宇宙空间辐射的干扰噪声对机载通信系统具有明显的影响,特别是在接收机天线方向图主瓣正对准太阳的情况下干扰尤为严重。

4) 敌方电子对抗设备的干扰

在现代信息化战争中,掌握“制电磁权”就等于掌握了赢得战争的主动权,因此,近些年来电子对抗技术在军事装备领域的运用越来越得到重视和加强,高功率微波武器等定向能武器和电磁脉冲弹以及超宽带、强电磁辐射干扰机等不断出现,为了达到截断我方通信或对我方机群进行打击,掌握战争主动权的目的,敌方常常会施放电子对抗设备进行干扰。对于机载通信系统来说,此类干扰会严重影响平台间的沟通互联以及任务指令的上传下达,甚至会阻断通信的进行,造成严重的后果。

表1总结列出了机载通信系统所会面临的主要干扰源的分类及干扰源名称。

表1　主要干扰源分类及名称

2.2干扰途径

电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径[9],一般认为电磁干扰的传输途径有两种形式:传导和辐射。因此,从以上对主要干扰源的分析来看,主要干扰耦合形式有: 1) 传导耦合方式; 2) 高频耦合方式; 3) 辐射耦合方式。

2.2.1传导耦合

传导[10]是干扰源与敏感设备之间的主要干扰耦合途径之一。传导干扰主要通过电源线、信号线、互联线、接地导体等进行耦合。在音频和低频时,由于电源线、接地导体、电缆的屏蔽层等呈现低阻抗,因此电流进入这些导体时易于传播,当传导到敏感系统时,就造成了传导干扰。一般有两种属性的传导耦合:电容性耦合和电感性耦合。

1) 电容性耦合。当传输线之间存在寄生电容时,传输线中的能量可以发生耦合,此时就产生电容性耦合。在机载通信系统中发生电容性耦合的主要形式有:(1)平行电力传输线;(2)同轴电缆;(3)分组平行传输线;(4)长导线与同轴线或机壳。当对传输线进行屏蔽接地处理后,可以极大地减小耦合电容,降低电容性耦合干扰。

2) 电感性耦合。电感性耦合是由传输线上的电流变化导致的磁场变化,进而影响其他传输线产生感应电动势,此时传输线的信号就耦合到了其他传输线或导体。在机载通信系统中,发生电感性耦合的主要形式是传输电力线和信号线对设备机壳的耦合。当采用屏蔽体阻止电感性耦合干扰时,需要根据屏蔽材料的截止频率与传输信号频率的值选择不同的接地方式。当传输信号的频率大于五倍的屏蔽材料截止频率时,采用屏蔽体两端接地方式;否则,采取屏蔽体一端接地,一端连接负载方式。

3) 电容、电感综合耦合。在实际应用环境中,电容和电感耦合是同时存在的,可以通过分离分析后再综合计算耦合干扰,此时需要考虑导体的长度和截面积,在机载通信系统中,综合耦合干扰的形式与电容耦合形式是一样的。综合考虑耦合后,在干扰源的近端,电容性耦合与电感性耦合干扰电压是叠加的,干扰源的远端,总干扰电压等于电容性耦合电压减去电感性耦合电压。

2.2.2高频耦合

前面所述的传导耦合属于低频情况下的耦合,即导线长度远小于波长的情况。而在高频时,导体本身的电容和电感就不能忽视,此时,电抗随频率发生变化,感抗随频率增加而增加,容抗随频率增加而减小。

在无线电频率范围内,许多系统中的驻波现象均有明显的干扰耦合作用。当传输导线长度等于或大于1/4波长时,对于电路的分析需要使用参数电路理论,求解线上的电流波与电压波来计算传输线间的干扰耦合。

2.2.3辐射耦合

辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合有三种: 1) 甲天线发射的电磁波被乙天线意外接收,称为天线对天线的耦合; 2) 空间电磁场经导线感应而耦合,称为场对线的耦合; 3) 两根平行导线之间的高频信号感应,称为线对线的感应耦合。

辐射耦合干扰的传输路径可以从无限小到无限大,在近距离时可以看作是近场耦合模式,此时的阻抗为虚数,电场和磁场相位相差90°,并且存在能量交换。当距离较远时可以看作远场耦合模式,电场和磁场在空间上相互垂直,且在同一平面上,在时间上同相位,耦合的能量随着距离的增加而减小。

在实际的机载通信系统中,设备之间发生干扰通常包含着多种途径的耦合。正是因为多种途径的耦合同时存在,反复交叉耦合,共同产生干扰,才使得电磁干扰变得难以控制。

3结语

机载通信系统作为现代飞机航空电子系统的重要组成部分,其所面临的电磁环境不断恶化,尤其是在未来高技术战场条件下电磁环境将更加复杂多变,将严重影响其通信效能的发挥。因此,本文较为详细地对机载通信系统的电磁环境进行了分析,希望以此作为对机载通信系统电磁兼容研究和设计的参考依据。

参考文献

[1] 王天顺,雷虹.飞机电磁兼容性分析[J].飞机设计,2003(12):39-44.

[2] 钟科.复杂电磁场对机载设备的干扰研究[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2012.