摘 要:以電磁干擾測(cè)試試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用ADS軟件對(duì)高度表接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行行為級(jí)仿真，通過(guò)輸出頻譜判斷干擾產(chǎn)生的原因，并采用了在低頻電纜上加裝陣列濾波器的解決方案。通過(guò)最終的電磁兼容性測(cè)試試驗(yàn)可以看出，這種分析電磁干擾機(jī)理的方法對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題有很大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:ADS; 高度表; 電磁干擾; 行為級(jí)仿真

中圖分類(lèi)號(hào):TN722.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)09-0014-04

Behavioral Simulation and Analysis of Interfering Wireless Altimeter

by Airborne Shortwave Station

LI Shu-hua， GONG Bo， GAO Wei

(NAEI Qingdao Branch， Qingdao 266041， China)

Abstract: A behavioral level simulation of altimeter receiver is made with the advanced design system(ADS) software based on the result of EMI testing. The reason of EMI generation is judged by outputting frequency spetrum and the measure to solve the problem by adding an array filter is performed. The final EMC testing results show that the method to analyse EMI mechanism has a certain reference value for practical engineering projects.

Keywords: ADS; altimeter; EMI; behavioral level simulation

0 引 言

對(duì)某飛機(jī)平臺(tái)加裝新的短波電臺(tái)后，出現(xiàn)了電磁干擾問(wèn)題。具體表現(xiàn)為:在短波電臺(tái)發(fā)射時(shí)，無(wú)線電高度表輸出的高度數(shù)值發(fā)生變化，忽大忽小，嚴(yán)重時(shí)高度數(shù)值直接變?yōu)榱?。由于該高度信息同時(shí)還提供給機(jī)上其他交聯(lián)設(shè)備，出現(xiàn)這種干擾會(huì)對(duì)整機(jī)的飛行性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，特別是在飛控系統(tǒng)自動(dòng)工作狀態(tài)下，高度信息的錯(cuò)誤嚴(yán)重影響飛行安全。如何有效解決這種在現(xiàn)有飛機(jī)平臺(tái)上加裝新式機(jī)載電子設(shè)備所帶來(lái)的電磁兼容性問(wèn)題，已成為機(jī)載電子設(shè)備研制和裝備過(guò)程中一個(gè)急需解決的課題。行為級(jí)仿真是基于電路部件或子系統(tǒng)頂層特征的提取，無(wú)須通過(guò)門(mén)級(jí)原理圖描述電路，而是針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行功能描述。仿真設(shè)計(jì)軟件(Advanced Design System，ADS)安捷倫(Agilent)公司開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的EDA 軟件，可以模擬整個(gè)信號(hào)通路，具有強(qiáng)大的行為級(jí)仿真功能。通過(guò)對(duì)高度表接收機(jī)系統(tǒng)的諧波平衡仿真，可以清楚地查看輸出功率的頻譜成分，從而為分析電磁干擾形成的機(jī)理提供依據(jù)。

1 高度表的原理

無(wú)線電高度表組成框圖如圖1所示。如圖2中實(shí)線非對(duì)稱(chēng)鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)的超高頻調(diào)頻信號(hào)，從發(fā)射組件信號(hào)源輸出端，經(jīng)功率分配器，輸送到發(fā)射天線并向地平面方向輻射出去。從地平面反射的超高頻信號(hào)輸送到接收天線并經(jīng)超高頻頻率濾波器、高頻開(kāi)關(guān)提供到混頻器的一個(gè)輸入端，同時(shí)發(fā)射機(jī)的部分功率作為本振信號(hào)經(jīng)功率分配器輸送到混頻器的另一個(gè)輸入端。在混頻器中，反射信號(hào)和本振信號(hào)混頻后輸出差頻信號(hào)。差頻ΔF的大小與電波在空間通過(guò)的時(shí)間τ和調(diào)制參數(shù)有關(guān)，只要測(cè)得差頻ΔF就可以知道飛機(jī)的即時(shí)高度。

圖1 無(wú)線電高度表組成框圖

差頻ΔF的大小與電波在空間通過(guò)的時(shí)間τ和調(diào)制參數(shù)有關(guān)，它們之間的關(guān)系為:

ΔF=Δfτ/T(1)

這里

τ=2(HS+HJ)/C(2)

式中:HS為剩余高度，單位:m;HJ為即時(shí)高度，單位:m;C為無(wú)線電波傳播速度，單位:m/s;Δf為頻率調(diào)制信號(hào)頻偏，單位:Hz;T為調(diào)制信號(hào)的工作行程持續(xù)時(shí)間，單位:s。

圖2 調(diào)制頻率為非對(duì)稱(chēng)鋸齒波規(guī)律時(shí)的拍頻頻率圖

2 短波電臺(tái)對(duì)低頻電纜的輻射耦合干擾

通過(guò)一系列電磁干擾狀態(tài)試驗(yàn)分析可以得出，短波電臺(tái)對(duì)高度表的干擾可歸為兩個(gè)途徑:一是通過(guò)低頻電纜進(jìn)入收發(fā)機(jī);二是通過(guò)接收天線和高頻饋線進(jìn)入收發(fā)機(jī)。通過(guò)電磁敏感度試驗(yàn)，可以確定主要的干擾途徑是低頻電纜。

首先對(duì)短波電臺(tái)中低頻電纜的輻射耦合干擾值進(jìn)行計(jì)算。

短波電臺(tái)天線指安裝在飛機(jī)尾部的長(zhǎng)度為l=1.1 m的垂直天線，到無(wú)線電高度表的距離r=1 m。短波電臺(tái)通信頻率設(shè)為16 MHz，功率為100 W，天線輸入端電流I0=1.4 A。

經(jīng)計(jì)算，在λl時(shí)，近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界距離D1=λ/2π≈4.78 m，近場(chǎng)感應(yīng)區(qū)和近場(chǎng)輻射區(qū)的分界距離D2=2π/λ≈0.21 m，即低頻電纜所在位置為短波電臺(tái)天線的近場(chǎng)輻射區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，隨著距離的增加儲(chǔ)能迅速衰減，輻射功率密度按角度方向的分布隨著輻射源距離的變化而變化。在近場(chǎng)區(qū)中可不考慮垂直天線輻射的方向性，且電場(chǎng)的幅度遠(yuǎn)比磁場(chǎng)幅度大，故只考慮電場(chǎng)輻射影響[1]。因此短波電臺(tái)天線1 m距離處的輻射場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)為[2]:

E=kη4πrI0le=(2π/λ)η4πrI0λ2π

=42 V/m≈152 dBμV/m(3)

飛機(jī)蒙皮的場(chǎng)強(qiáng)衰減修正值M≈50 dB，低頻電纜耦合衰減修正值N≈20 dB。將低頻電纜作為接收天線，飛機(jī)蒙皮衰減量M和電纜耦合衰減量N作為接收天線的校準(zhǔn)系數(shù)，則在短波電臺(tái)輻射場(chǎng)強(qiáng)干擾下產(chǎn)生的耦合電壓約為82 dBμV。在阻抗為50 Ω的情況下，考慮到dBm和dBμV的換算關(guān)系[3]，有:

PdBm=UdBμV-107(4)

則低頻電纜中的等效耦合功率約為-25 dBm。

3 高度表接收機(jī)系統(tǒng)的仿真

通過(guò)電磁干擾狀態(tài)試驗(yàn)可以得知，只要短波電臺(tái)通電工作，在整個(gè)頻帶范圍2～30 MHz內(nèi)均會(huì)對(duì)無(wú)線電高度表產(chǎn)生干擾。因此仿真時(shí)設(shè)定了電臺(tái)中心頻率16 MHz，采用上邊帶工作方式發(fā)射，并選定通頻帶范圍內(nèi)與中心頻率間隔1 100 Hz，1 200 Hz和1 300 Hz的三個(gè)頻點(diǎn)(16 MHz+1 100 Hz，16 MHz+1 200 Hz，16 MHz+1 300 Hz)，等效耦合功率均為-25 dBm。

3.1 接收機(jī)頻帶選擇性仿真

在進(jìn)行高度表接收機(jī)系統(tǒng)仿真之前，首先需要對(duì)接收機(jī)的頻帶選擇性進(jìn)行仿真，實(shí)質(zhì)上是對(duì)低頻放大器部件的頻帶選擇性進(jìn)行仿真。低頻放大器部件的功能主要是放大拍頻信號(hào)達(dá)到對(duì)拍頻穩(wěn)定電路正常工作所需要的數(shù)值，所包含器件的組成框圖如圖3所示。

圖3 低頻放大器部件組成框圖

在ADS中建立仿真原理圖如圖4所示。

圖4 頻帶選擇性仿真原理圖

從圖5的仿真結(jié)果可以看出，接收機(jī)在頻帶選擇中心頻率處的最大增益大約是59 dB，這是由于考慮到了帶通濾波器的插入損耗以及波紋、放大器的噪聲等影響后的結(jié)果;-3 dB通頻帶略小于12 kHz，由于一般接收到的信息集中在離中心頻率10 kHz的范圍內(nèi)，因此不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生較大的失真。總之，對(duì)接收機(jī)頻帶選擇性仿真符合設(shè)備的基本特性。

3.2 高度表接收機(jī)系統(tǒng)ADS仿真

無(wú)線電高度表接收機(jī)模型的參數(shù)如下:

(1) 工作頻率范圍是:4.2～4.4 GHz，仿真選定4.3 GHz;

(2) 發(fā)射機(jī)輸出功率:大于等于80 mW，仿真選定100 mW(20 dBm);

(3) 拍頻頻率:30 kHz;

(4) 波阻抗:50 Ω;

(5) 抑制寄生調(diào)制幅度:大于等于28 dBm;

在ADS中建立無(wú)線電高度表接收機(jī)的行為級(jí)仿真模型，將由低頻電纜進(jìn)入的16 MHz+1 100 Hz，16 MHz+1 200 Hz，16 MHz+1 300 Hz三個(gè)頻點(diǎn)干擾信號(hào)加入混頻器中，如圖6所示。

圖5 接收機(jī)頻帶選擇部分S(2，1)參數(shù)

圖6 接收機(jī)系統(tǒng)的行為級(jí)原理圖

仿真后的結(jié)果如圖7所示。

圖7 低頻放大電路輸出差頻的仿真頻譜圖

如圖7的仿真結(jié)果可以看出，輸出的差頻信號(hào)在受到短波電臺(tái)通過(guò)低頻電纜耦合進(jìn)入混頻器的干擾后，完全湮沒(méi)在進(jìn)入鑒頻器部件的信號(hào)頻率之中。如果沒(méi)有短波電臺(tái)的干擾，當(dāng)飛機(jī)高度發(fā)生變化，低頻放大電路輸出的差頻信號(hào)應(yīng)該是ΔF+ΔF′，在鑒頻器部件中將ΔF′轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的控制電壓，進(jìn)入調(diào)制器部件控制調(diào)制信號(hào)的工作行程持續(xù)時(shí)間T變化，使得ΔF′歸零，從而通過(guò)計(jì)算調(diào)制信號(hào)的工作行程持續(xù)時(shí)間T來(lái)計(jì)算飛機(jī)高度。如果出現(xiàn)圖7的仿真情況，那么進(jìn)入鑒頻器電路的差頻信號(hào)頻率不惟一，鑒頻器輸出的控制電壓也不是穩(wěn)定的，而是正負(fù)相交的瞬態(tài)電壓，控制調(diào)制器部件中工作行程持續(xù)時(shí)間T的變化也是不穩(wěn)定的，而且經(jīng)高度計(jì)算電路部件計(jì)算的高度也是變化的，在表頭上的指示則是高度指針產(chǎn)生擺動(dòng)。

如果干擾信號(hào)進(jìn)入混頻器后，導(dǎo)致進(jìn)入低頻放大電路的拍頻信號(hào)太小，即使經(jīng)過(guò)放大后依然達(dá)不到鑒頻器電路所能識(shí)別的最小電壓值，此時(shí)相當(dāng)于拍頻信號(hào)為零。由式(1)和式(2)可知，在拍頻信號(hào)為零時(shí)，高度表指示器指在零刻度。

3.3 低頻電纜濾波器的仿真

在進(jìn)行電磁干擾試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，分析得出通過(guò)低頻電纜進(jìn)入收發(fā)機(jī)內(nèi)部的干擾信息不僅僅進(jìn)入混頻器，同時(shí)也通過(guò)串?dāng)_等方式進(jìn)入了調(diào)制器部件、高度計(jì)算電路部件和一次有效指令部件等，它們對(duì)這些部件的正常工作都有一定的影響，故采用濾波措施消除干擾時(shí)，選擇了在收發(fā)機(jī)外部的低頻電纜上進(jìn)行。

低頻電纜中主要是電源和高度信息的傳輸，這些信號(hào)近似于直流傳輸。短波電臺(tái)對(duì)低頻電纜輻射干擾頻率在2～30 MHz，故采用低通濾波器可以濾除干擾信號(hào)。

利用ADS軟件自帶的DesignGuide濾波器設(shè)計(jì)工具，可以非常方便地設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的濾波器。將設(shè)計(jì)好的低通濾波器加入高度表接收機(jī)的ADS電路圖進(jìn)行仿真，以觀察此時(shí)的低頻放大器部件頻譜圖輸出。通過(guò)改變低通濾波器的指標(biāo)參數(shù)來(lái)改變低通濾波器的濾波特性，直到得出符合要求的高度表接收機(jī)低頻放大器部件的頻譜輸出。

利用ADS軟件中的S參數(shù)仿真控制器對(duì)所設(shè)計(jì)的低通濾波器進(jìn)行仿真，仿真電路圖如圖8所示，生成的S(2，1)參數(shù)曲線圖如圖9所示。將設(shè)計(jì)好的低通濾波器加入到高度表接收機(jī)的ADS仿真電路圖中進(jìn)行仿真，低頻放大器部件頻譜圖輸出圖如圖10所示。

圖8 低通濾波器S參數(shù)仿真電路圖

圖9 低通濾波器S(2，1)參數(shù)曲線

圖10 加濾波器的的仿真頻譜圖

通過(guò)圖10可以看出，加入低通濾波器后低頻放大器部件輸出的差頻信號(hào)受干擾信號(hào)影響可以忽略不計(jì)。這樣差頻信號(hào)進(jìn)入鑒頻器可以輸出正常的控制電壓，從而顯示出正確的高度信息。

4 電磁兼容改進(jìn)措施及測(cè)試試驗(yàn)

由于低頻電纜中線纜比較多，采用了在電纜連接處加裝陣列濾波器的濾波方案。在低通濾波器ADS仿真原理圖中進(jìn)入所設(shè)計(jì)濾波器的子電路，可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的低通濾波器實(shí)質(zhì)為電容值為3 239 pF的C型濾波器，通過(guò)查閱標(biāo)準(zhǔn)電容濾波器產(chǎn)品表，最終的陣列濾波器選用了電容值為2 500 pF的C型濾波器。

按某型飛機(jī)維護(hù)規(guī)程要求對(duì)未采取電磁兼容改進(jìn)的高度表和采用濾波器進(jìn)行電磁兼容改進(jìn)的高度表進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明采用濾波電連接器措施后，符合高度表輸出高度電壓精度要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著電子、電氣、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)載電子系統(tǒng)大量采用了以微處理器為核心的自動(dòng)化和數(shù)字化技術(shù)。在現(xiàn)有飛機(jī)平臺(tái)上加裝新型機(jī)載電子設(shè)備必然會(huì)成為快速提高飛機(jī)性能的一種途徑，但加裝后整機(jī)設(shè)備能否與原機(jī)設(shè)備相互電磁兼容，是一個(gè)不得不面對(duì)的問(wèn)題。利用ADS軟件對(duì)高度表接收機(jī)系統(tǒng)建立行為級(jí)仿真模型，通過(guò)輸出的頻譜來(lái)判斷干擾產(chǎn)生的原因，避免了對(duì)具體電路作大量冗長(zhǎng)無(wú)效的分析。這種查找電磁干擾原因和分析干擾機(jī)理的方法，可以在其他平臺(tái)加改裝電子設(shè)備時(shí)的電磁兼容分析時(shí)借鑒。

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