抗干扰无线通信技术在核应急信息管理中的应用

朱晓荣 张文贤 汪建业

摘  要：Wi-Fi（2 401～2 483 MHz）滤波器在移动通信中具有广泛的应用，文章描述了在加速器环境下的核应急信息管理中抗干扰无线通信技术的性能指标。经过仿真及测试结果的分析表明，在有加速器环境的核应急情况下Wi-Fi滤波器可以满足无线通信的畅通。测试结果表明该滤波器具有低的通带插入损耗（小于2.5 dB）、高的带外抑制（大于30 dB）和较大的带宽（82 MHz）。

关键词：核应急;滤波器;插入损耗;带外抑制

中图分类号：TN929.5          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）04-0081-04

Application of Anti-interference Wireless Communication Technology in Nuclear Emergency Information Management

ZHU Xiaorong1，2， ZHANG Wenxian3， WANG Jianye1

（1.Hefei Institutes of Physical Science， Chinese Academy of Sciences， Hefei  230031， China; 2.University of Science and Technology of China， Hefei  230026， China; 3.The Fourth Construction Co.， Ltd. of China Electronics System Engineering， Beijing  100000， China）

Abstract： Wi-Fi （2 401～2 483 MHz） filters are widely used in mobile communications. This paper describes the performance index of anti-interference wireless communication technology in nuclear emergency information management in accelerator environment. The analysis of simulation and test results show that the Wi-Fi filter can meet the smooth of wireless communication in the nuclear emergency with accelerator environment. The test results show that the filter has low pass band insertion loss （less than 2.5 dB）， high out-of-band rejection （greater than 30 dB） and larger bandwidth （82 MHz）.

Keywords： nuclear emergency; filter; insertion loss; out-of-band rejection

0  引  言

加速器在核能研究中发挥着重要作用，如辐射医学物理、神经元物理、辐射屏蔽、高性能材料检测以及其他核安全技术的应用中。加速器一般工作在超高压、高功率、强辐射的条件下运行，运行环境中的复杂电磁噪声和干扰信号会对发生核安全事故时信号传递产生极大的干扰从而在一定程度上阻碍核应急方案[1]。往往在核事故发生时，地面及地下的通信系统将受到毁灭性的打击，容易出现通信瘫痪的现象从而导致预警信号不能有效的传播给工作人员造成人员伤亡及经济损失。因此核电站加速器系统中的通信安全问题是核电站正常以及应急工况下通信传递的关键一环。

由于关系到核安全，核电站以及加速器环境下对通信的稳定性、可靠性要求是极为严格的[2，3]。目前国内核电厂的主要通信手段还是采用有线的方式，核设备如：加速器系统的调试、检修的过程中依旧无法摆脱固定电话电缆的束缚，在一定程度上制約了核电环境下的工作的高效性和及时性。在通信领域的过去几十年时间里，开发出了许多可共存的通信系统，包括多波段或小型化天线设计的实现、双模式或多模式的共存问题[4-6]。然而，现阶段所考虑的大多是基于户外的无线通信模式，且其中的干扰信号主要来自另一个通信系统。比如说，在5G通信频段解决4G频段的干扰和在4G通信频段解决3G带来的干扰问题，这些工作都没有注意到特定的通信场景——在加速器环境中，设备运行中及产生的高密度的辐射噪声和干扰信号的通信问题。

在本文的工作中，我们研究了上述具体的加速器环境下核应急反应的通信问题。考虑到在无线信号在信息传播中更容易有效地避免信号失真，因此本文以Wi-Fi（2 401～2 483 MHz）为例，解决了无线通信系统中的信号传输问题。

1  无线通信技术对比

Wi-Fi是将移动终端设备或PC终端以无线方式互联的技术，其在加速器环境下的应用优势在于：Wi-Fi通带分布在2.4 GHz的开放频段，且不需要许可证;处于4G频段电磁强度弱，符合核电环境下的中长距离传播需求，适合大规模使用的通信技术;系统开放具有一定的扩展性，支持核应急通信、无线监控等多种业务[7-10]。

典型的4G手机需要支持约40个频段，其中Wi-Fi 2.4G就是其中非常关键的一个频段，在有速器环境中的核应急信息管理下Wi-Fi 2.4G信号带宽80 MHz具有传播速度快、覆盖范围广的特点[11-15]。如表1所示。

在一个通信系统中，我们需要保留特定频段内的信号，将该频段以外的信号滤除，从而提高信号的抗干扰性及信噪比。射频滤波器芯片的作用就是保留Wi-Fi频段（2 403～2 483 MHz）的信号而过滤掉以外的所有频段的干扰信息。在整个通信系统中滤波器的作用是必不可少的一环，如图1所示，表示为移动终端的通信系统的内部结构，无线信号可以通过基带芯片发射经接收器进入低噪声放大器再进入滤波器，经滤波器滤波后的信号再经过功率放大器经天线发出。

2  建模与分析

检验加速器环境下Wi-Fi滤波器芯片是否能起通信稳定、抗干扰能力强的能力，主要是通过测试其S参数来实现的[16-18]。我们设计了一种两端口的S_Param模型来测试小信号输入的线性或者非线性网络，选择100 MHz到6 GHz几乎涵盖了现阶段所有频段的信号分布。我们在测试所选用的Wi-Fi射频滤波器时，其主要目的是为了检验是否能过滤掉通带以外的所有频段的干扰信号。本文所采用的检测模型包括经矢量网络分析仪电缆输入端、加有EVB板的Wi-Fi滤波器及信号接收装置，一个理想匹配下的二端口的测试网络，如图2和图3所示。

针对上图二端口网络，可给出S参数矩阵方程[19-21]：

（1）

其中ak是端口k上的入射波，bk是端口k上的反射波，一般规定ak和bk与功率的平方根有关，因此二者与波电压有关，定义如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

插入损耗（Insertion Loss，IL）以及带外抑制是衡量一个通信系统的滤波器效果的两个关键指标。具有较低的插入损耗代表在滤波器芯片植入移动终端设备后，该无源器件本身所带来的信号传递的能量干扰小，一般情况下在信号传输过程中，输入信号强度在进入移动终端设备后信号强度难免会有所减小，信号强度每减小3 dB代表功率衰减到二分之一。因此在通信设备中对滤波器芯片的插入损耗的要求是要小于3 dB才能保证信号的有效传输。在隔离干扰信号的具体要求为隔离度大于20 dB，在通带（2 401～2 483 MHz）以外的所有频段均被定义外带外抑制选择频道，因此在设计Wi-Fi滤波器芯片时我们需要考虑到3G、4G、5G现存频段中所有频段的抑制情况。如图4所示，为Wi-Fi滤波器双端口S参数的仿真和测试结果。图4中S21和S34分别为插入损耗的实验值和仿真值，如图5所示，从两幅图中可以看出实测结果与仿真结果基本保持一致。从实测结果可以表明，Wi-Fi滤波器具有很好的通带插入损耗和阻带抑制特性。测试的通带2 401～2 483 MHz的插入损耗小于2.5 dB;带外抑制在相邻波段B40波段（2 300～2 400 MHz）的衰减大于28 dB、5G频段B41（2 496～2 690 MHz）处的带外抑制衰减值大于35 dB，在加速器环境下考虑所有能覆盖的干扰信号的频率分布在最低点的衰减大于25 dB。上述数据表明，该Wi-Fi滤波器可以很好地满足在核应急系统中的无线通信的需求。

滤波器在输入、输出信号的选频功能实现时，具有良好的驻波比VSWR（Voltage Standing Wave Ration）代表所设计的滤波器芯片在Wi-Fi 4G（2 401～2 483 MHz）通带的馈线和天线端的阻抗达到完全匹配。当VSWR的值接近1时，此时高频能量将全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗。因此VSWR的值也是滤波器性能的一个关键指标，如图5（a）和图5（b）所示，驻波比在两个端口的反射损耗均接近1.8，可见所设计的滤波器芯片的性能满足核应急情况下的能量输出。

我们分别对该滤波器芯片的输入、输出端的回波损耗进行分析，对回波损耗的分析中利用史密斯圆图法可以更加直观地看到滤波器芯片两端自身由于信号的输入、输出过程中端口本身所带来的杂散波的干扰。如图6（a）和图6（b）所示，为回波损耗的实测结果，实测数据显示在输入输出端口的回波损耗在斯密斯原图的结果也比较理想。

本文所设计的Wi-Fi滤波器具有大带宽、高增益、低插入损耗、高带外抑制的特点，在核应急信息管理中满足了当核事故发生前、发生中及发生后的信息传递的及时性及可靠性。在带宽为80 MHz的大带宽的情况下，核应急发生时可以通过语音、图片、视频等方式实现应急信号的快速传递，从而有效地避免人员伤亡和经济损失。

3  结  论

本文描述了一种可用于加速器环境下核应急信息管理中的抗干扰无线通信技术的应用，并对所设计无线滤波器的仿真结果和测试结果进行了对比分析。全文通过对所设计的Wi-Fi 4G滤波器在移动终端表现的插入损耗、带外抑制、驻波比、回波损耗等关键技术参数的实测结果，结果表明这一抗干扰无线通信技术可以用于复杂环境下的加速器系统，并对核应急情况下的紧急通信具有一定的指导意义。

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作者简介：朱晓荣（1990—），女，汉族，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向：核应急工程管理;通讯作者：张文贤（1979—），男，汉族，江苏苏州人，副总经理，高级工程师，学士学位，研究方向：环境工程自动化。