小型飛行器通信系統(tǒng)電磁兼容分析

王 秀，楊 勃，黃戰(zhàn)武

(1.中國人民解放軍92619部隊(duì)，廣東深圳 518000;2.西安電子科技大學(xué)電路CAD研究所，陜西西安 710071)

小型飛行器是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱，執(zhí)行特定任務(wù)的非載人飛行器，因?yàn)槠錂C(jī)內(nèi)空間狹小，機(jī)載設(shè)備安裝擁擠，頻率覆蓋面寬，從直流到幾十GHz，造成了飛行器通信系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境，并帶來了嚴(yán)重的電磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)問題。為提高小型飛行器通信系統(tǒng)的抗電磁干擾性能，進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)是必要的?！凹嫒菪浴庇袃蓪雍x:一是通信系統(tǒng)內(nèi)各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備之間電磁環(huán)境的兼容性，二是系統(tǒng)與外部電磁環(huán)境的兼容性［1］。

目前EMC已成為電氣、電子科學(xué)中的一個(gè)重要分支，形成一門綜合性的邊緣學(xué)科，EMC設(shè)計(jì)方法的歷史發(fā)展需要經(jīng)歷解決法、規(guī)范法和系統(tǒng)法3個(gè)階段。

美國從20世紀(jì)40年代就開始制定EMC標(biāo)準(zhǔn)，到80年代，軍標(biāo)開始逐步擴(kuò)大到民品。美國運(yùn)用這種方法較普及，從60年代一直延續(xù)到80年代，因此周期長、投資大，但仍存在“過安全”或“欠安全”的缺點(diǎn)，也就是說已符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備或系統(tǒng)，在它們構(gòu)成最終系統(tǒng)時(shí)還可能存在不兼容現(xiàn)象或因某些EMC標(biāo)準(zhǔn)過于苛刻而付出過多的代價(jià)，隨著大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展和推廣，產(chǎn)品從部件到系統(tǒng)的集成密度越來越高，直接采用測試方法確定大量存在的EMC問題可能性越小。

到目前為止，國內(nèi)外關(guān)于EMC設(shè)計(jì)的系統(tǒng)法階段還主要停留在就系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)建立的一些標(biāo)準(zhǔn)，美國于2002年發(fā)布了MIL－STD－464A“系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求［2］”，而我國在2005年也發(fā)布了與之對(duì)應(yīng)的GJB1389A －2005“系統(tǒng)電磁兼容性要求［3］”。此兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提出的試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)方法針都是對(duì)現(xiàn)場測試，只能用于檢驗(yàn)測試系統(tǒng)的電磁兼容性是否合格，導(dǎo)致在傳統(tǒng)的飛行器EMC設(shè)計(jì)過程中難以評(píng)估機(jī)載電子設(shè)備子系統(tǒng)，這種缺陷會(huì)導(dǎo)致在子系統(tǒng)應(yīng)用于飛行器儀器設(shè)備時(shí)才會(huì)暴露出來，如子系統(tǒng)不工作、低效或者損壞，最終導(dǎo)致飛行器電磁兼容性能變差。因此，為解決小型飛行器通信系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)中，各通信模塊之間可能存在的電磁兼容性問題，一種系統(tǒng)級(jí)仿真模型的建立是必要的。

本文研究了小型飛行器UHF波段通信電臺(tái)對(duì)S波段接收機(jī)的干擾作用，通過軟件 ADS(Advanced Design System)分析了UHF和S波段接收機(jī)的電磁兼容性，建立了小型飛行器中UHF通信電臺(tái)和S波段接收機(jī)之間的電磁兼容仿真模型，對(duì)S波段接收機(jī)射頻前端進(jìn)行諧波平衡仿真，根據(jù)發(fā)射機(jī)的輻射功率，收發(fā)天線間的耦合度和接收機(jī)敏感度計(jì)算干擾余量，分析發(fā)射機(jī)的基波干擾和諧波干擾是否對(duì)接收機(jī)造成干擾［4］。最后通過對(duì)S波段接收機(jī)和UHF通訊電臺(tái)的電磁兼容性分析，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證此建模方法的有效性和準(zhǔn)確性［5］。此建模方法對(duì)通信設(shè)備之間的基波干擾和諧波干擾都進(jìn)行了仿真比較，為飛行器通信系統(tǒng)的電磁兼容前期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1 S波段射頻前端仿真模型

ADS是由安捷倫公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。其功能強(qiáng)大，仿真手段多樣［6］。

圖1為以ADS仿真軟件為平臺(tái)搭建的S波段接收機(jī)射頻前端電磁仿真模型。此模型建立的難點(diǎn)在于如何確定進(jìn)入射頻前端的UHF波段干擾信號(hào)強(qiáng)度，文中根據(jù)UHF電臺(tái)發(fā)射機(jī)的輻射功率、收發(fā)天線間的耦合度及接收機(jī)敏感度干擾余量，計(jì)算得出進(jìn)入S波段射頻前端的干擾功率，然后在模型信號(hào)輸入端，輸入S波段基波信號(hào)和UHF波段通信電臺(tái)信號(hào)進(jìn)行諧波平衡仿真，分析組合頻率是否進(jìn)入接收機(jī)通帶內(nèi)，即當(dāng)組合干擾頻率落入到接收機(jī)帶寬內(nèi)時(shí)，該接收機(jī)可能被干擾。然后用同樣的方法分析UHF波段諧波干擾是否對(duì)S波段接收機(jī)造成干擾。

圖1 S波段接收機(jī)射頻前端仿真電磁模型

2 仿真分析

2.1 UHF通信電臺(tái)對(duì)接收機(jī)的影響

設(shè)輸入接收機(jī)的有用信號(hào)頻率為2.4 GHz;輸入功率為－70 dB;通信電臺(tái)的載波頻率為400 MHz;輸出的基波功率為43 dB;收、發(fā)天線間的耦合度為－64 dB;則接收機(jī)接收的干擾基波信號(hào)功率為－21 dB。如圖2所示，400 MHz的基波干擾信號(hào)在接收機(jī)帶寬外，被中心頻率為2 400 MHz，帶寬為120 MHz的濾波器抑制。最終接收機(jī)輸出的信號(hào)只有有用信號(hào)，因此干擾電臺(tái)發(fā)出的基波干擾信號(hào)對(duì)接收機(jī)不造成干擾［7］。

2.2 通信電臺(tái)高次諧波對(duì)接收機(jī)干擾影響

圖2 400 MHz干擾信號(hào)諧波平衡仿真結(jié)果

當(dāng)通訊電臺(tái)為6次諧波干擾發(fā)射時(shí)，其6次諧波信號(hào)頻率為2 400 MHz，與接收機(jī)的中心頻率相同。因此，此6次諧波干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后不會(huì)被濾除，可能會(huì)對(duì)接收機(jī)造成干擾，需要對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行幅度預(yù)測。根據(jù)文獻(xiàn)［7］可知，6次諧波抑制比為80 dB;已知收、發(fā)天線間的耦合度為－52.5 dB;由此可得進(jìn)入接收機(jī)輸入端的6次諧波干擾功率為－90 dB。設(shè)接收機(jī)輸入的有用信號(hào)頻率為2 390 MHz;輸入功率為－70 dB。如圖3所示，仿真得出60 MHz和70 MHz頻率點(diǎn)的輸出功率較接近，所以此6次諧波信號(hào)對(duì)接收機(jī)造成較大干擾，影響了小型飛行器的飛行和系統(tǒng)正常工作。因此，必須對(duì)通訊電臺(tái)的頻譜重新進(jìn)行分配，以保證接收機(jī)不受干擾能正常工作。

圖3 2390 MHz有用信號(hào)諧波平衡仿真結(jié)果

2.3 電臺(tái)載波頻率對(duì)輸入接收機(jī)干擾影響

將通訊電臺(tái)的基波頻率設(shè)為395 MHz，分析其是否對(duì)接收機(jī)造成干擾可知395 MHz的基波信號(hào)不在接收機(jī)帶寬內(nèi)，將被抑制，不會(huì)對(duì)接收機(jī)造成影響。圖4為6次諧波信號(hào)在ADS中進(jìn)行諧波平衡仿真的仿真結(jié)果，通訊電臺(tái)發(fā)射的6次諧波信號(hào)頻率為2 370 MHz，進(jìn)入接收機(jī)的6次諧波信號(hào)功率為－92 dB。此6次諧波信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，通過中心頻率為2 400 MHz，帶寬為120 MHz的腔體濾波器，經(jīng)過放大，進(jìn)入混頻器與本振信號(hào)作用產(chǎn)生頻率為310 MHz的信號(hào)。由于接收機(jī)一級(jí)中頻選擇濾波器的中心頻率為340 MHz，帶寬為13 MHz，所以頻率為310 MHz的信號(hào)不在中頻選擇濾波器通帶內(nèi)，并且被此中頻濾波器抑制。因此，此6次諧波信號(hào)對(duì)接收機(jī)不造成干擾。綜上可知，為保證兼容性，當(dāng)通訊電臺(tái)的基波信號(hào)頻率為395 MHz時(shí)，對(duì)接收機(jī)不造成干擾。

3 接收機(jī)電磁兼容性測試與結(jié)果分析

依據(jù)上述S波段接收系統(tǒng)對(duì)UHF電臺(tái)的兼容性分析，圖5建立了S波段接收機(jī)射頻電磁兼容性的測試平臺(tái)。此測試系統(tǒng)由信號(hào)源、功率合成器、干擾源、頻譜儀和接收機(jī)組成。在測試系統(tǒng)中接入S波段接收機(jī)。

首先在沒有干擾信號(hào)的情況下，對(duì)接收機(jī)射頻前端進(jìn)行測試。設(shè)接收機(jī)的有用信號(hào)頻率為2 400 MHz，輸入功率為－70 dB。有用信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后經(jīng)過濾波、放大、一次混頻、一次中頻選擇濾波、二次混頻和二次中頻選擇后最終輸出頻率70 MHz，功率為3.1 dB的中頻信號(hào)，其測試結(jié)果如圖6所示。

圖4 2 370 MHz干擾信號(hào)諧波平衡仿真結(jié)果

圖5 接收機(jī)電磁兼容性測試系統(tǒng)

圖6 沒有干擾信號(hào)的測試結(jié)果

然后在接收機(jī)輸入端口中另外輸入通訊電臺(tái)的6次諧波信號(hào)，其頻率為2 370 MHz，功率為－92 dB。測試結(jié)果如圖7所示，輸出信號(hào)仍然為頻率70 MHz，功率3.1 dB“干凈”的中頻信號(hào)，即此6次諧波信號(hào)對(duì)接收機(jī)不造成干擾。

圖7 加入干擾信號(hào)的測試結(jié)果

分析上述測試結(jié)果可知，UHF波段通信電臺(tái)對(duì)S波段接收機(jī)的干擾作用與仿真結(jié)果基本吻合，說明建立的射頻仿真模型適用于小型飛行器機(jī)載通信設(shè)備間射頻電磁兼容預(yù)測［8］。

4 結(jié)束語

采用ADS射頻仿真平臺(tái)建立了S波段接收機(jī)射頻前端的電磁仿真模型，對(duì)小型飛行器S波段接收機(jī)射頻前端進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)仿真［9－10］，并通過對(duì)UHF波段通信電臺(tái)載波頻率進(jìn)行優(yōu)化，較好地抑制了電臺(tái)高次諧波干擾。通過實(shí)驗(yàn)室搭建了S波段接收機(jī)射頻前端并進(jìn)行測試，得出通信電臺(tái)對(duì)S波段接收機(jī)的干擾作用與仿真結(jié)果相符，證明本文提出的電磁建模以及優(yōu)化仿真方法適用于機(jī)載通信設(shè)備間射頻電磁兼容預(yù)測。

［1］李勃，黃大慶.一種新的無人機(jī)系統(tǒng)級(jí)電磁兼容測試法［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，42(2):31－35.

［2］美國國防部.MIL－STD－464A系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求［S］.華盛頓:美國國防部，2002.

［3］宋海峰，蘇慶福.信息系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)(E^3)評(píng)估研究［J］.中國電子科學(xué)研究學(xué)報(bào)，2008(4):364 －369.

［4］陳芳，許家棟，張利.基于ADS的脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)仿真與性能分析［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2009(6):1166－1184.

［5］楊萬海.雷達(dá)系統(tǒng)建模與仿真［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［6］徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［7］徐喜安.單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的建模與仿真研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.

［8］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB151A－1997軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求［S］.北京:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，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.