“动中通”卫星通信系统与同址电台干扰问题研究*

马 谢，赵治国，周万宁，刘海峰，VLADIMIR·MORDACHEV

（1.中国电子科技网络信息安全有限公司，四川 成都 610045；2.中国人民解放军第91977部队，北京 100000；3.白俄罗斯国立信息与无线电大学，白俄罗斯 明斯克 220071）

0 引 言

由于“动中通”卫星通信系统与固定式的系统工作环境不同，需适应承载平台在行进中可能遇到的各种状况，包括振动冲击、颠簸摇晃以及信道遮挡等，对星伺服机构的控制更加复杂、电磁频谱更加丰富，产生的电磁能量可能对同址其他通信系统造成干扰[2]。本文采用传输线理论对伺服系统进行分析，通过对线缆建模，并仿真分析其不同构造和布设方式的电磁干扰情况，研究了线缆及布线对系统电磁兼容性的影响。

1 问题描述

某通信车集成多种通信手段，在其“动中通”卫星通信系统启动并处于工作状态时，工作于VHF频段的同车超短波电台（以下简称VHF）出现话音被淹没、数据传输成功率下降的现象。

经排查，当卫星通信系统的天线控制单元（Antenna Control Unit，ACU）开机后，超短波电台天线在30～88 MHz接收到的背景噪声大幅提高。将超短波天线直接接入频谱分析仪，得到ACU开启前后的背景噪声分别如图1和图2所示。

图1 ACU开启前的VHF背景噪声

图2 ACU开启后的VHF背景噪声

可以看出，除35 MHz以下为已知的外部民用无线电信号外，ACU的工作造成VHF天线的底噪提高近20 dB，尤其是以40～60 MHz频段最严重。明显的干扰包络处于45～56 MHz，最大增长幅度达到14 dB。而在60～65 MHz和76～88 MHz的两个包络干扰幅度则较小，平均约为3 dB，最大5 dB。由此可知，影响超短波电台的通信质量的干扰来源为以ACU为控制核心的卫星天线伺服系统。

2 干扰诊断与仿真分析

2.1 卫星天线伺服系统工作原理

在“动中通”卫星通信系统中，使卫星天线指向目标的方法主要有两种：一种是通过天线馈源网络和接收机提供的角差信号，从而控制天线指向目标的自跟踪方式；另一种是通过捷联式惯导（Inertial Measurement Unit，IMU）提供的载体姿态信息，解算天线指向的引导方式。

通常，“动中通”卫星通信系统的伺服系统由A-E式两轴座架、天线及其馈源网络、天线驱动单元、天线控制单元、极化控制器、陀螺调节器、轴角编码器、GPS和自跟踪接收机等组成。当系统工作在数字引导状态时，载体平台的姿态信息由IMU或惯性导航系统提供[3]。典型的具有数字引导和自跟踪功能的车载“动中通”卫星天线伺服系统的工作原理如图3所示。

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图3 卫星天线伺服系统工作原理

2.2 干扰诊断过程

在对伺服系统的电磁干扰进行诊断时，先分析卫星通信系统的天线分系统，梳理其组成和互联关系，进而分别对可能存在的干扰途径进行诊断定位。该卫通系统的天线分系统如图4所示。

图4 卫星通信系统天线分系统组成

具体的干扰诊断排查过程如图5所示。

图5 电磁干扰排查实验过程

通过上述排除法、逐项加电实验排查法等，经由频谱仪直连超短波天线、卫通天线单独供电等实验，可以确认干扰途径并非线缆传导而是辐射发射。其中，伺服盒中驱动板属于干扰的信号源，且干扰以辐射发射为途径。而伺服盒外部的电源线作为信号源的输入输出线缆，天线效应明显，是电磁干扰向外传播的主要载体。

2.3 线-天线耦合仿真分析

利用MoM矩量法，结合TLM传输线法和SPICE网络分析等方法混合应用的EMC Studio工具软件，建立线-天线的耦合仿真模型[4]。

当工作频率较低时，系统中的线缆长度远远小于波长，此时的系统电路为电小尺寸，可采用Lumped集总参数电路进行建模和干扰分析。当工作频率较高时，线缆长度大于1/10波长时，低频耦合分析的网格数量巨大导致效率低下且精度不高，应采用基于分布参数的传输线理论进行分析计算。

由于本文涉及的卫星天线伺服系统内线缆种类多样，工作频率各不相同，最高频率对应的波长远小于系统内的线缆布设长度，因此必须采用基于分布参数的传输线分析法进行仿真计算[5]。

传输线模型由电容C和电感L所构成的分布参数电路组成。理论计算时，将传输线的参数设定为均匀分布，因此取一个线元∆z进行分析，如图6所示。

图6 实际传输线系统

用集总参数电路表示平行双导线的线元∆z，并将其进行等效，得到如图7所示的等效电路。

图7 传输线等效电路

其中，单位长度的传输线的电阻为R，电感为L，电容为C，电导为G。它们的数值由传输线的导体材料、形状、尺寸以及外部介质决定。

参考图7的等效电路，应用Kirchhoff Voltage Law基尔霍夫电压定律，得出传输线方程的一般形式为：

对式（1）和式（2）分别对z和t取偏微分，得到：

假设传输线损耗为0，电阻R和电导G的值极小，忽略不计，可简化表达为：

对于系统中的屏蔽线缆，采用基于标准Rao-Wilton-Glisson形式的矩量法（Method of Moments，MoM）进行计算[6]。考虑到线缆屏蔽层的表面导电有限，根据电场边界条件将标准电场积分方程（Electric Field Integral Equations，EFIE）进行修正，得到：

其中，ZS是导电层厚为l时的表面阻抗，其可描述为：

因此，利用EMC Studio建模后，对天线罩内伺服盒电源线在不同布设方式下超短波天线的耦合电压进行仿真[7]，结果如图8所示。

可以看出，当伺服系统电源线在离地高度20 cm时，VHF天线耦合电压最高达到12.5 mV。而同一线缆不改变其他物理属性，仅将其布设高度降低至离地1 cm时，VHF天线的耦合电压则降至3.8 mV以下。这说明通过改变线缆布设高度，能够明显改善线缆对天线的电磁耦合强度。

图8 卫通伺服系统电源线悬空20 cm时VHF天线的耦合电压

图9 卫通伺服系统电源线离车顶高度1 cm时VHF天线的耦合电压

3 优化改进及回归测试

在实际整改过程中，对卫通系统的伺服盒的输入输出线缆进行了规范布设，实施内容主要为所有线缆紧贴车顶面，并每隔20 cm固定。

频谱仪按照整改前的配置进行了回归测试，测试结果如图10所示。

可以看出，仅通过规范布设卫通系统的车顶布线，同车VHF天线的底噪得到了大幅降低，超短波电台亦未再出现话音淹没、数据传输成功率下降的现象。

图10 线缆规范布设后ACU开启时的VHF背景噪声

4 结 语

卫通系统伺服盒及其线缆对同址工作的超短波天线的底噪能够造成严重影响，其中输入输出线缆至关重要。本文通过建立线缆的电磁模型，仿真分析线-天线的耦合，找出了“动中通”卫通系统对同址超短波电台产生干扰的主要耦合途径和优化方案，为“动中通”卫星通信系统集成的整体性能设计提供了参考。