孟祥欣,劉小團(tuán),史國(guó)清

(西北機(jī)電工程研究所, 陜西 咸陽(yáng) 712099)

某指揮(通信)車是數(shù)字化武器系統(tǒng)的信息情報(bào)樞紐，完成對(duì)所屬作戰(zhàn)單元控制和作戰(zhàn)指揮，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)化、控制一體化和作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。通信技術(shù)的數(shù)字化，保證了戰(zhàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的傳輸特性[1]。

指揮(通信)車上空間有限，電臺(tái)數(shù)量較多，相互之間容易引起干擾，包括：電臺(tái)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的有用信號(hào)對(duì)其他電臺(tái)接收的阻塞干擾，電臺(tái)發(fā)射頻譜外雜散分量及噪聲，尤其電臺(tái)跳頻時(shí)，干擾頻譜寬、強(qiáng)度大、覆蓋廣。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是確保系統(tǒng)能

夠正常工作，通過(guò)采取必要的設(shè)計(jì)措施，減少進(jìn)入設(shè)備和設(shè)備發(fā)出的雜散信號(hào)，使其滿足電磁兼容性要求[2-3]。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)縮短了產(chǎn)品研制周期和節(jié)約了成本。

針對(duì)某指揮車上設(shè)備布局情況，建立指揮車通信系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，通過(guò)模擬天線和線纜的端口參數(shù)，來(lái)進(jìn)行電磁兼容性仿真，探究解決天線布局和線纜敷設(shè)EMI的方法，為車載通信的實(shí)際設(shè)計(jì)安裝提供參考。

1 通信系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

本文使用EMC Studio軟件進(jìn)行建模分析。向該軟件導(dǎo)入結(jié)構(gòu)CAD模型后，以矩量法(MoM)為基礎(chǔ)，混合使用傳輸線(MTL)、網(wǎng)絡(luò)分析(SPICE)和物理光學(xué)(PO)等方法，可分析復(fù)雜綜合系統(tǒng)的場(chǎng)分布、串?dāng)_、耦合和敏感性等。

矩量法(MoM)是基于表面離散的積分加權(quán)余量法，其原理與有限元法類似。與物理光學(xué)法(PO)結(jié)合形成的混合法，能靈活地進(jìn)行區(qū)域劃分和離散密度及單元大小的選擇；有效地減少求解區(qū)域和未知量個(gè)數(shù)，提高了計(jì)算效率，有利于電大尺寸目標(biāo)的計(jì)算[4-5]。傳輸線法(MTL)有利于分析各種電纜的特性，求解傳輸線麥克斯韋方程得到電場(chǎng)和磁場(chǎng)，也可以采用適當(dāng)?shù)碾娐纺Ｐ蛠?lái)求解電壓和電流[6]。

車載通信系統(tǒng)的組成為4部超短波電臺(tái)、1部高速數(shù)據(jù)電臺(tái)和1部數(shù)字化短波電臺(tái)，短波電臺(tái)功率為125 W,其余均為50 W。

為了避免多根天線林立的情況[7-8]，擬對(duì)高速數(shù)據(jù)電臺(tái)和3部超短波電臺(tái)采用四信道天線合路器，使其共用1根天線。剩余的1部超短波電臺(tái)只用于接收信號(hào)使用1根天線，短波電臺(tái)使用1根天線。

通信系統(tǒng)中超短波天線和四信道合路器天線采用鞭狀天線，短波天線則采用半環(huán)天線。對(duì)于短波來(lái)說(shuō)，鞭狀天線雖然安裝簡(jiǎn)單、全方向性好，但車載通信要求天線盡可能產(chǎn)生高仰角輻射，縮短天波反射的落地距離，消除地波和天波銜接部位的盲區(qū)[9]，而半環(huán)天線可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

車體內(nèi)的加工布局中，需要把一些線纜捆扎在一起，因此，線纜之間的電磁耦合感應(yīng)也需分析研究，為通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

2 電磁仿真分析

2.1 天線耦合仿真

天線之間的耦合度是天線布置考慮的重要技術(shù)參數(shù)。收發(fā)天線間耦合度過(guò)大會(huì)引起功率倒灌，造成發(fā)射天線阻抗匹配困難。多部電臺(tái)共址工作時(shí)，低頻段工作電臺(tái)的倍頻頻率可能干擾高頻段工作電臺(tái)的正常工作，這也是工程設(shè)計(jì)常關(guān)心的問(wèn)題。

本文將車載系統(tǒng)上的多付天線等效為廣義多端口網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)天線為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)端口，天線激勵(lì)端為端口的參考面。天線之間耦合度用S參數(shù)來(lái)表示，將通信天線的端口阻抗設(shè)為通用的歸一化標(biāo)準(zhǔn)阻抗50 Ω。

電磁輻射對(duì)人體危害的防護(hù)是指揮車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。當(dāng)指揮車上相應(yīng)艙門向上敞開時(shí)，天線輻射對(duì)人員影響最大，仿真艙門附近電場(chǎng)強(qiáng)度，確定對(duì)人員可能危害的程度及防護(hù)方法。

2.1.1 短波天線仿真

指揮車上部艙門敞開時(shí)，短波通信天線可以直接輻射工作人員，對(duì)人體的影響最嚴(yán)重。選取前后兩個(gè)艙門口的中心點(diǎn)作為觀測(cè)位置，評(píng)估短波對(duì)人員的影響。該處的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖1所示。

由圖1分析知，短波天線在其頻段內(nèi)對(duì)工作區(qū)輻射的電場(chǎng)，隨著頻率的升高而增大。后艙門口的電場(chǎng)在28 MHz以上時(shí)，超過(guò)GJB5313規(guī)定的暴露限值[10]。實(shí)際工作中當(dāng)該艙門敞開時(shí)，建議采取措：短波電臺(tái)的工作頻率應(yīng)限制在28 MHz以下，靠近其頻段低端。

短波頻段的諧波大多在超短波頻段內(nèi)，因此，共址工作時(shí)就可能產(chǎn)生倍頻干擾，通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要關(guān)注偏離倍頻頻率多遠(yuǎn)可以正常工作。模擬短波電臺(tái)工作的情況，提取另外兩個(gè)天線端口的S參數(shù)，研究天線間的相互耦合干擾，結(jié)果如圖2所示。

由圖2分析知，諧波在40～52 MHz時(shí)影響較大，即短波工作頻率在20～26MHz時(shí)其二次諧波影響較大。因此，實(shí)際工作中同時(shí)使用短波電臺(tái)和超短波電臺(tái)時(shí)，短波的工作頻率倍頻應(yīng)錯(cuò)開超短波的工作頻率，確保超短波電臺(tái)正常工作。

2.1.2 合路器天線仿真

合路器天線是3部超短波電臺(tái)和1部高速數(shù)據(jù)電臺(tái)共用的天線。多部電臺(tái)共址的情況下，空間損耗較小，同頻段的發(fā)射信號(hào)直接進(jìn)入共址電臺(tái)，形成較強(qiáng)干擾，而合路器可以有效避免此類情況。指揮車上部艙門位置，合路器天線的輻射的場(chǎng)強(qiáng)仿真如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可見，超短波頻段的兩端輻射較小，中間較大。在59 MHz和66 MHz兩點(diǎn)電場(chǎng)較強(qiáng)，實(shí)際工作中建議超短波電臺(tái)發(fā)射頻率應(yīng)盡量避開這兩個(gè)頻點(diǎn)。高速數(shù)據(jù)電臺(tái)的輻射場(chǎng)強(qiáng)不超過(guò)GJB5313的規(guī)定[10]，但在270 MHz附近的電場(chǎng)較大，實(shí)際工作中建議高速數(shù)據(jù)電臺(tái)的發(fā)射應(yīng)盡量避開270 MHz點(diǎn)。

3部超短波電臺(tái)通過(guò)合路器天線發(fā)射，可能會(huì)對(duì)另一部超短波電臺(tái)造成帶內(nèi)耦合，形成阻塞性干擾。模擬超短波電臺(tái)工作的情況，提取另外一個(gè)超短波天線端口的S參數(shù)，研究天線間的相互耦合仿真如圖5所示。

由圖5可知，超短波的相互干擾在54 MHz附近較大，在超短波頻段的兩端較小。因此，實(shí)際工作中發(fā)射和接收的超短波電臺(tái)同時(shí)工作時(shí)，頻率間隔應(yīng)盡量大，并避開54 MHz附近，減小相互間的共址干擾。

2.2 線纜耦合仿真

指揮車上常把一些線纜捆扎在一起，這樣線纜之間易產(chǎn)生電磁耦合感應(yīng)。雖然電纜通常都帶有屏蔽層，使得大部分耦合電流只流過(guò)屏蔽層，而不直接流過(guò)屏蔽層內(nèi)傳送信號(hào)的導(dǎo)線，但受電纜屏蔽結(jié)構(gòu)和屏蔽效果等限制，電磁信號(hào)仍可通過(guò)屏蔽層的轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納耦合到電纜內(nèi)的導(dǎo)線上。因此，線纜的電磁耦合響應(yīng)也是通信系統(tǒng)電磁兼容研究的重點(diǎn)。

超短波電臺(tái)1、2、3和高速數(shù)字電臺(tái)共用1根天線，都要連接到合路器的輸入端，射頻線纜的間距較小。固定情況先假設(shè)這4根射頻電纜捆扎在一起。模擬超短波電臺(tái)1、3同時(shí)工作，觀測(cè)對(duì)超短波電臺(tái)2射頻端口的EMI耦合，仿真結(jié)果見圖6。超短波頻段的諧波可能會(huì)通過(guò)射頻電纜干擾高速數(shù)據(jù)電臺(tái)的正常工作，因此，模擬3部超短波電臺(tái)同時(shí)工作，觀測(cè)對(duì)高速數(shù)據(jù)電臺(tái)射頻端口的EMI耦合，結(jié)果如圖7所示。

由圖可知，超短波電臺(tái)1、2、3和高速數(shù)字電臺(tái)射頻線捆扎在一起時(shí)，電臺(tái)相互間的干擾較大，最大為-31 dBm，超出了超短波電臺(tái)的噪聲干擾限值。對(duì)高速數(shù)據(jù)電臺(tái)的干擾較小，耦合電平不超過(guò)-48 dBm。因此，實(shí)際敷設(shè)線纜時(shí)建議高速數(shù)字電臺(tái)和超短波電臺(tái)射頻線纜可以捆扎在一起，3臺(tái)超短波的射頻線纜不捆扎在一起。

增大超短波電臺(tái)射頻電纜間距的方法，模擬超短波電臺(tái)1、3同時(shí)工作，觀測(cè)電臺(tái)2射頻端口EMI耦合，仿真結(jié)果見圖8。

可見線纜間距為3 cm時(shí)，干擾電平峰值由捆扎時(shí)的-31 dBm降為-58 dBm；線纜間距為10 cm時(shí)干擾電平峰值降為-91 dBm。實(shí)際布線時(shí)，合路器輸入端3部超短波電臺(tái)的射頻電纜應(yīng)至少保持3 cm間距。

3 結(jié) 論

車載通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析十分復(fù)雜，有限的車頂空間內(nèi)集中多種天線，各種通信設(shè)備同時(shí)工作時(shí)所產(chǎn)生的同頻干擾、諧波干擾和鄰道干擾等，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的電磁空間。

仿真給出了該通信系統(tǒng)中其它天線對(duì)目標(biāo)天線的影響，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前設(shè)計(jì)方案中的不足。改進(jìn)系統(tǒng)后再仿真分析，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效能。

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