一種飛機(jī)通信電臺(tái)天線耦合干擾的預(yù)估方法

包貴浩 蔡志勇 劉 銳 石 磊

（中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，廣東 珠海519040）

機(jī)載短波電臺(tái)的發(fā)射功率達(dá)幾十瓦甚至數(shù)百瓦，除發(fā)射有用信號(hào)外，還會(huì)產(chǎn)生多次諧波和交互調(diào)干擾。這些干擾落入超短波電臺(tái)工作頻段，可能通過天線耦合被超短波電臺(tái)無意接收，從而影響超短波電臺(tái)的正常工作。若采用天線隔離度、全機(jī)相互干擾檢查等飛機(jī)級(jí)試驗(yàn)方法評(píng)估此類問題，需要待電臺(tái)裝機(jī)后方可進(jìn)行，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高，且此時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，較難實(shí)施有效的整改。為此，本文提出一種基于半實(shí)物仿真[1，2]的通信電臺(tái)電磁干擾預(yù)估方法，能夠在短波和超短波電臺(tái)研制初期，及早預(yù)測(cè)兩者的電磁干擾問題，為機(jī)載電臺(tái)的電磁兼容性設(shè)計(jì)和天線布局優(yōu)化提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 通信電臺(tái)電路模型

本文基于射頻電路仿真軟件ADS 對(duì)短波電臺(tái)的非線性特性進(jìn)行電路仿真。短波電臺(tái)為二階超外差式結(jié)構(gòu)[3]，調(diào)制后頻率為512 kHz，第一本振信號(hào)頻率為9.942 MHz，第二本振信號(hào)頻率為40.454 MHz，輸出頻率為30 MHz。短波電臺(tái)射頻模塊的仿真模型，如圖1 所示，其射頻模塊輸出的基波、2 次和3 次諧波功率等，如圖2 所示。

2 通信電臺(tái)物理模型

本文利用LabVIEW 軟件來控制短波電臺(tái)射頻模塊物理模型的對(duì)外發(fā)射，通過LabVIEW 軟件的MatlabScript 節(jié)點(diǎn)，射頻模塊的電磁兼容性數(shù)學(xué)模型能夠很方便地寫入LabVIEW 軟件中。射頻模塊電磁兼容性物理模型的LabVIEW 程序流程，如圖3 所示。

圖4（a）為輸入調(diào)制信號(hào)經(jīng)射頻模塊物理模型后輸出的時(shí)域波形；圖4（b）為短波電臺(tái)輸出的非線性輸出頻譜。最終，短波電臺(tái)物理模型的硬件采用PXI 技術(shù)，由PXI 控制器、音頻采集卡、任意波形發(fā)生器、上變頻器等組成，搭建成能夠映射短波電臺(tái)非線性輸出的模擬器。

圖1 短波電臺(tái)射頻模塊的電路模型

圖2 短波電臺(tái)射頻模塊的非線性輸出頻譜

3 收發(fā)天線間隔離度仿真模型

短波天線和超短波天線的裝機(jī)位置相對(duì)較近，短波發(fā)射機(jī)的N 次諧波分量和互調(diào)產(chǎn)物很可能會(huì)通過天線端口耦合進(jìn)入超短波接收機(jī)的頻帶內(nèi)[4]。某機(jī)短波和超短波天線的結(jié)構(gòu)和裝機(jī)位置如圖5 所示，采用FEKO 軟件對(duì)該機(jī)載平臺(tái)上短波和超短波天線的天線隔離度進(jìn)行仿真計(jì)算。

某機(jī)短波和超短波天線的天線隔離度仿真結(jié)果如圖6 所示。從數(shù)值上來看，在30 MHz ～ 175 MHz 的頻率范圍內(nèi)，仿真分析天線隔離度的范圍為-85.9 dB ～ -49.8 dB。

圖3 短波電臺(tái)射頻模塊物理模型的LabVIEW 程序流程

圖4 短波電臺(tái)射頻模塊物理模型的輸出

圖5 某機(jī)短波和超短波天線的結(jié)構(gòu)和裝機(jī)位置圖

圖6 某機(jī)短波和超短波天線隔離度的仿真結(jié)果

通過天線隔離度的仿真，可以求得在短波電臺(tái)的諧波和互調(diào)頻點(diǎn)上超短波接收機(jī)所接收的發(fā)射功率在天線端口間的衰減值。在短波和超短波電臺(tái)間場(chǎng)場(chǎng)耦合干擾的預(yù)評(píng)估分析中，天線隔離度模型可以作為數(shù)學(xué)模型來計(jì)算到達(dá)接收機(jī)輸入端口的干擾耦合功率，也可以作為物理模型等同于可編程衰減器，與短波發(fā)射機(jī)、超短波接收機(jī)或它們的模擬器直接連接，評(píng)估驗(yàn)證場(chǎng)場(chǎng)耦合干擾中接收機(jī)工作性能的變化情況。

4 半實(shí)物仿真的場(chǎng)場(chǎng)耦合干擾預(yù)評(píng)估平臺(tái)

短波電臺(tái)采用物理模型來模擬其對(duì)外發(fā)射的諧波干擾。本文將短波電臺(tái)射頻模塊的電路模型與短波、超短波天線的天線隔離度仿真模型共同植入PXI 模擬器中，根據(jù)收發(fā)設(shè)備間能量傳輸關(guān)系，此時(shí)模擬器的輸出功率可以近似等效為接收設(shè)備的輸入功率。

基于半實(shí)物仿真的場(chǎng)場(chǎng)耦合干擾預(yù)評(píng)估平臺(tái)如圖7 所示。同時(shí)，采用頻譜儀或數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)短波電臺(tái)物理模型的非線性輸出信號(hào)。

圖7 基于半實(shí)物仿真的場(chǎng)場(chǎng)耦合干擾預(yù)評(píng)估平臺(tái)

本文采用調(diào)頻收音機(jī)作為接收設(shè)備，工作頻帶為88 MHz～108 MHz，接收靈敏度為-107 dBm。通過試驗(yàn)可以聽到收音機(jī)發(fā)出明顯的哨叫聲。由此可知，短波電臺(tái)的帶外非線性會(huì)對(duì)超短波接收設(shè)備造成場(chǎng)場(chǎng)耦合干擾。

5 結(jié)論

基于半實(shí)物仿真的飛機(jī)通信電臺(tái)天線耦合干擾預(yù)評(píng)估，其優(yōu)點(diǎn)在于：能夠在發(fā)射設(shè)備設(shè)計(jì)初期預(yù)評(píng)估其裝機(jī)后對(duì)接收設(shè)備造成的帶外非線性干擾，及時(shí)調(diào)整射頻模塊內(nèi)部電路參數(shù)，并能夠準(zhǔn)確快速地驗(yàn)證調(diào)整后帶外非線性干擾抑制的效果；能夠在機(jī)載天線裝機(jī)前對(duì)天線布局的合理性進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)評(píng)估，通過收發(fā)系統(tǒng)真實(shí)的電磁敏感現(xiàn)象，為天線的優(yōu)化布局提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。