劉滿堂 ,彭 笠

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)頻譜分布寬,輻射功率大;航空平臺(tái)電磁頻譜空間、時(shí)間分布變化劇烈,電磁環(huán)境愈加惡劣;電磁干擾(EMI)破壞了背景噪聲占優(yōu)的分布特征,諸多因素使航空電子系統(tǒng)試飛設(shè)計(jì)、實(shí)施更困難。傳統(tǒng)的基于背景噪聲估計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)航空通信系統(tǒng)試飛設(shè)計(jì),所以,開(kāi)展試飛過(guò)程中的系統(tǒng)EMC預(yù)測(cè)、評(píng)估既是航空電子系統(tǒng)試飛考核的需要,也是試飛成功的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試飛中為何要進(jìn)行EMC評(píng)估

航空通信系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)地面通信站、海上艦船、空中目標(biāo)飛機(jī)之間信息傳遞為目的,而EMC是航空電子系統(tǒng)效能發(fā)揮的基礎(chǔ),它代表系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境與其他系統(tǒng)兼容工作的能力。EMC預(yù)測(cè)、評(píng)估和航空電子系統(tǒng)試飛之間有如下關(guān)系:

(1)EMC是航空電子系統(tǒng)的主要性能,需要通過(guò)試飛進(jìn)行驗(yàn)證;

(2)試飛過(guò)程中能夠有效暴露系統(tǒng)電磁兼容過(guò)/欠設(shè)計(jì),為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù);

(3)航空通信系統(tǒng)電磁耦合方式具有復(fù)雜性特征,例如航空電子系統(tǒng)設(shè)備之間公共阻抗的傳導(dǎo)作用、電磁場(chǎng)與線纜耦合、天線之間耦合等試飛中可能導(dǎo)致EMI問(wèn)題[1],而EMI產(chǎn)生可能與EMC性能相關(guān),所以,解決EMI問(wèn)題需要進(jìn)行EMC分析評(píng)估;

(4)試飛過(guò)程中EMC分析評(píng)估是復(fù)雜電磁環(huán)境條件試飛成功的關(guān)鍵,是進(jìn)行試飛數(shù)據(jù)相容性分析的基礎(chǔ)。

2 基于電磁拓?fù)涞腅MC預(yù)測(cè)評(píng)估

2.1 評(píng)估模型

航空通信系統(tǒng)通信效能與協(xié)同對(duì)象——地面通信站、海上艦船、空中目標(biāo)飛機(jī)性能相關(guān),所以,航空通信系統(tǒng)EMC仿真預(yù)測(cè)需要構(gòu)建相對(duì)較復(fù)雜的跨系統(tǒng)仿真模型和與系統(tǒng)模型相適應(yīng)的仿真環(huán)境。仿真環(huán)境需具有干擾環(huán)境模擬功能、空域電磁環(huán)境模擬功能、通信系統(tǒng)電磁交互關(guān)系模擬功能等。

2.2 評(píng)估準(zhǔn)則

影響航空通信系統(tǒng)EMC的因素多,電磁耦合途徑復(fù)雜,開(kāi)展航空電子系統(tǒng)EMC評(píng)估,準(zhǔn)則選擇非常重要。假設(shè)構(gòu)建EMC仿真模型時(shí)已經(jīng)采取了多種優(yōu)化方法,但仿真模型與實(shí)裝系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)還有差異。安全裕度是評(píng)定系統(tǒng)EMC的重要指標(biāo),它表征系統(tǒng)電磁兼容性的安全程度,關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處環(huán)境電平低于敏感度閾值程度,所以,安全裕度可以作為航空通信系統(tǒng)試飛過(guò)程中EMC預(yù)測(cè)仿真準(zhǔn)則使用。

系統(tǒng)電磁兼容安全裕度分析模型如下:

式中,JIM為干擾余量(單位dB),Pt為干擾源的發(fā)射功率(單位dBW),Gt為干擾源發(fā)射天線的增益(單位dB),L為干擾源與敏感設(shè)備間傳播損耗(單位dB),Gr為敏感設(shè)備接收天線的增益(單位dB),Pr為敏感設(shè)備的敏感度門限(單位dBW)。

JIM>0 dB,表示敏感設(shè)備處的干擾信號(hào)電平超過(guò)了敏感度門限,存在EMI,系統(tǒng)不能兼容工作;JIM<0 dB,表示敏感設(shè)備處的干擾信號(hào)電平小于敏感度門限,不存在EMI,系統(tǒng)能兼容工作。

電磁安全系數(shù)

電磁安全系數(shù)愈大,電磁兼容性安全裕度也就越大,系統(tǒng)電磁兼容性能越好。電磁安全裕度可表示為

系統(tǒng)電磁安全裕度取值范圍為6～10 dB。綜上所述,航空通信系統(tǒng)EMC評(píng)估準(zhǔn)則是:系統(tǒng)干擾余量小于零,電磁安全裕度值優(yōu)于6 dB時(shí),表示系統(tǒng)能夠兼容工作,試飛試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)嵤?否則,天線間耦合等將導(dǎo)致EMI問(wèn)題出現(xiàn),影響通信性能。其表達(dá)式為

由于現(xiàn)在航空平臺(tái)電磁環(huán)境非常惡劣,6 dB的電磁安全裕度已經(jīng)顯得不太充足,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),電磁安全裕度取10 dB為佳。

2.3 電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為解決復(fù)雜系統(tǒng)EMC問(wèn)題,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的Carl E.Baum教授于20世紀(jì)70年代提出了電磁拓?fù)?EMT)理論[2-4],其核心是通過(guò)建立系統(tǒng)各空間體積電磁作用的EMT模型,獲得用傳輸函數(shù)描述系統(tǒng)電磁作用的相互關(guān)聯(lián)圖,以實(shí)現(xiàn)解決復(fù)雜系統(tǒng)EMI問(wèn)題之目的[5]。

電磁拓?fù)淅碚摲椒▽⒀芯靠臻g分解成不同大小的區(qū)域,不同區(qū)域之間通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相聯(lián)系,分別研究各子空間后再進(jìn)行綜合,從而把復(fù)雜的電磁耦合問(wèn)題分解成相對(duì)獨(dú)立的簡(jiǎn)單問(wèn)題來(lái)解決[6]。

時(shí)空全域性、復(fù)雜多樣性是現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)所處電磁環(huán)境的典型表現(xiàn)形式[7]。通信系統(tǒng)屬于電磁敏感系統(tǒng),其效能發(fā)揮與電磁環(huán)境密切相關(guān),構(gòu)建正確的航空通信系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系的關(guān)鍵是確定系統(tǒng)外部電磁環(huán)境交互節(jié)點(diǎn)。任意外部電磁能量干擾系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備,只能通過(guò)系統(tǒng)潛在的電磁泄漏,包括孔縫、非理想屏蔽材料、電纜直接電磁能量注入等才能實(shí)現(xiàn),上述泄漏需要定義不同的傳輸函數(shù)來(lái)描述。典型航空通信系統(tǒng)與外部設(shè)備連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 典型航空通信系統(tǒng)外部連接關(guān)系Fig.1 Typical exterior connection relationship of avionic communication system

在航空通信系統(tǒng)試飛過(guò)程中,除進(jìn)行系統(tǒng)EMC試飛驗(yàn)證科目外,當(dāng)出現(xiàn)試飛數(shù)據(jù)不相容(試飛數(shù)據(jù)變化超出預(yù)期范圍),或系統(tǒng)功能性能不達(dá)標(biāo)情況時(shí),也需要預(yù)測(cè)評(píng)估EMC對(duì)系統(tǒng)功能性能影響程度,分析數(shù)據(jù)不相容的原因,從而準(zhǔn)確定位并最終解決問(wèn)題。基于電磁拓?fù)淅碚摰暮娇胀ㄐ畔到y(tǒng)試飛過(guò)程中EMC預(yù)測(cè)評(píng)估關(guān)鍵是構(gòu)建電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),只有在正確的電磁拓?fù)浞纸饣A(chǔ)上才能獲得與系統(tǒng)狀態(tài)相適應(yīng)的電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在航空電子系統(tǒng)電磁拓?fù)浞纸鈺r(shí),按照電磁能量的傳播路徑分層、編號(hào),將物理空間劃分成系統(tǒng)外和系統(tǒng)內(nèi)兩部分,系統(tǒng)外部區(qū)域標(biāo)記為V0,航空通信系統(tǒng)內(nèi)機(jī)柜、設(shè)備、模塊已屏蔽的體積分別標(biāo)記為V1、V2、V3,包圍上述體積的屏蔽面依次標(biāo)記為S1、S2、S3。將干擾信號(hào)從系統(tǒng)外部傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部敏感電路所穿透的屏蔽面的總個(gè)數(shù)定義為系統(tǒng)的屏蔽級(jí)。干擾作用到最外層V0時(shí),可通過(guò)天線耦合,也可能通過(guò)電纜線耦合,或公共回路傳導(dǎo)耦合等方式進(jìn)入系統(tǒng)終端電路。分析時(shí),求出外部電磁干擾在系統(tǒng)屏蔽面S1的作用結(jié)果,即可確定S1上的等效源,通過(guò)相關(guān)計(jì)算可獲知穿透第一級(jí)屏蔽層的電磁能量。

在飛機(jī)氣密艙、非氣密艙,前艙和后艙,分布著不同結(jié)構(gòu)形式的屏蔽面。同樣,航空通信系統(tǒng)屏蔽面內(nèi)有相互分隔的機(jī)柜、設(shè)備等,需引入第二個(gè)下標(biāo),例如用Vi,k表示第i級(jí)別的第k個(gè)子空間。典型航空通信系統(tǒng)電磁拓?fù)浞纸馐疽鈭D如圖2所示。

圖2 航空通信系統(tǒng)電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Electromagnetic topological configuration of avionic communication system

理論和工程經(jīng)驗(yàn)證明,在試飛階段,天線間耦合、線纜間耦合和公共回路傳導(dǎo)耦合等是影響航空通信系統(tǒng)EMC的主要因素。

(1)天線間耦合

電磁信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)入系統(tǒng)后再經(jīng)傳導(dǎo)、耦合等不同方式影響系統(tǒng)性能。另外,布設(shè)在飛機(jī)不同位置的通信天線共址工作,受到載體、鄰近散射體和其他天線的輻射時(shí),其性能將會(huì)降低[8]。而且,作為電磁能量轉(zhuǎn)換器,天線在其工作頻段是最佳的信號(hào)通路,強(qiáng)電磁能量的無(wú)用信號(hào)通過(guò)天線耦合可能導(dǎo)致系統(tǒng)降級(jí)或功能失效。

(2)線纜間耦合

航空通信系統(tǒng)依賴高靈敏度接收機(jī)接收經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸而來(lái)的微弱電磁信號(hào),實(shí)現(xiàn)通信功能。電源電纜、信號(hào)線、射頻線等將內(nèi)部設(shè)備、單元連接起來(lái)構(gòu)成航空通信系統(tǒng)和任務(wù)電子系統(tǒng)。拓?fù)鋮^(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)輻射將在這些電纜中產(chǎn)生分布電壓和分布電流,電纜制造、連接器裝配工藝不佳等都可能造成屏蔽性能差,產(chǎn)生耦合干擾。

(3)公共回路傳導(dǎo)耦合

航空通信系統(tǒng)設(shè)備多、天線布局分散、交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜,公共回路傳導(dǎo)耦合導(dǎo)致的EMI問(wèn)題可能影響通信性能,當(dāng)系統(tǒng)布線設(shè)計(jì)不合理時(shí),公共回路耦合干擾對(duì)系統(tǒng)EMC影響將不可避免。

2.4 電磁拓?fù)渚仃?/h3>

確定航空通信系統(tǒng)電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,構(gòu)建航空通信系統(tǒng)電磁拓?fù)渚仃囉欣谠囷w過(guò)程中的EMC分析和評(píng)估。由航空產(chǎn)品質(zhì)量管理體系保障試飛過(guò)程中系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定并可控,系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)可控是電磁拓?fù)渚仃嚱⒌幕A(chǔ)。典型航空通信系統(tǒng)電磁拓?fù)潢P(guān)系矩陣如表1所示。表中“√”表示兼容,“×”表示不考慮兼容,“◎”表示采取電磁兼容加固措施后可以實(shí)現(xiàn)兼容。

表1 航空通信系統(tǒng)電磁拓?fù)渚仃嘥able 1 Electromagnetic topological matrix of avionic communication system

2.5 評(píng)估對(duì)象描述

現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)一般配置短波、衛(wèi)通及多條超短波通信鏈路,結(jié)合表1所示的典型航空通信系統(tǒng)電磁矩陣可以看出,當(dāng)設(shè)備和系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室EMC鑒定試驗(yàn)、機(jī)上地面聯(lián)試試驗(yàn)等過(guò)程,試飛過(guò)程中的EMC預(yù)測(cè)評(píng)估的重點(diǎn)實(shí)際上是超短波(VHF/UHF)通信鏈路之間的兼容性。經(jīng)過(guò)機(jī)上地面綜合聯(lián)試,線纜耦合、公共回路耦合所造成的EMI問(wèn)題基本可以發(fā)現(xiàn)并解決。但受建模誤差、地面反射等影響,共址天線間電磁耦合特性仿真預(yù)測(cè)和地面測(cè)試與真值存在差異,因此,分析預(yù)測(cè)超短波天線間電磁耦合對(duì)系統(tǒng)EMC影響就成為航空通信系統(tǒng)試飛過(guò)程中EMC評(píng)估的主要內(nèi)容。試飛EMC評(píng)估包括實(shí)驗(yàn)室仿真和空中試飛測(cè)評(píng),受篇幅所限,本文僅對(duì)仿真預(yù)測(cè)和飛機(jī)停放地面系統(tǒng)加電測(cè)試進(jìn)行對(duì)比分析。

2.6 經(jīng)典理論計(jì)算

多鏈路多通信方式的航空通信系統(tǒng)設(shè)備多、天線多,且載機(jī)外形復(fù)雜,多個(gè)天線間的耦合特性仿真建模非常困難。為便于分析,通常需要對(duì)飛機(jī)機(jī)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,即以圓柱體代替機(jī)身,機(jī)翼、垂尾簡(jiǎn)化成平面體,機(jī)頭用圓錐體表示,如圖3所示。通常超短波發(fā)射天線安裝在機(jī)背,接收天線安裝在機(jī)腹,短波天線大多采用斜拉鋼索天線。經(jīng)典理論計(jì)算進(jìn)行EMC預(yù)測(cè)分析時(shí),利用簡(jiǎn)化后的飛機(jī)模型,利用幾何繞射(UTD)法求解機(jī)上任意兩天線之間的電磁波短程線[9],采用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)法計(jì)算各相關(guān)天線間的互耦,進(jìn)而計(jì)算出隔離度。

圖3 簡(jiǎn)化飛機(jī)和通信天線布局示意圖Fig.3 Simplified diagram of aircraft and communication antennas distribution

2.7 計(jì)算機(jī)仿真

計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展使得機(jī)載通信天線仿真成為可能。目前,FEKO(任意復(fù)雜電磁場(chǎng)計(jì)算)仿真軟件和FLO/EMC是已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的兩款具有代表性的軟件產(chǎn)品[10]。航空通信系統(tǒng)天線耦合特性分析,實(shí)際上就是求解特定邊界條件下(裝機(jī)狀態(tài))的Maxwell方程[11]。邊界條件由飛機(jī)構(gòu)型、蒙皮電特性、被分析天線特性決定。

3 評(píng)估實(shí)例

3.1 公式計(jì)算

圖3所示發(fā)/收天線之間電磁波傳播分為沿機(jī)體繞射部分和直線傳播部分[12],基于繞射理論的天線之間耦合特性的計(jì)算公式為

式中,λ為波長(zhǎng),D為電磁波直線傳播部分的距離,GT為發(fā)射天線增益,GR為接收天線增益,δT為收天線方向發(fā)射天線場(chǎng)方向圖電平,δR為發(fā)天線方向接收天線場(chǎng)方向圖電平,B為兩天線極化失配損耗,C為電磁波沿機(jī)體繞射傳播帶來(lái)的損耗,

飛機(jī)機(jī)體半徑r=2.1 m。

超短波發(fā)天線和收天線分別位于機(jī)背和機(jī)腹上下對(duì)應(yīng)位置,電磁波直線傳播部分距離為0,則直線傳播部分損耗為0;通信發(fā)/收天線極化方式相同,極化損耗為0。

根據(jù)公式(3)計(jì)算得繞射損耗為13.2 dB。

收發(fā)天線方向場(chǎng)方向圖電平 δ1、δ2分別為接收天線方向上的發(fā)射天線的場(chǎng)方向圖電平和發(fā)射天線方向上的接收天線的場(chǎng)方向圖電平,表示特定方向的場(chǎng)強(qiáng)與最大場(chǎng)強(qiáng)值的比。

當(dāng)f=108 MHz時(shí),將各參數(shù)代入式(2)得

即超短波發(fā)/收天線之間隔離度為63.2 dB。

3.2 實(shí)例仿真

根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和超短波發(fā)/收天線在飛機(jī)上的安裝位置,利用FEKO軟件進(jìn)行仿真,超短波發(fā)/收天線之間耦合特性(VHF)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result

試飛過(guò)程中,結(jié)合機(jī)上地面聯(lián)試試驗(yàn),進(jìn)行超短波發(fā)/收天線之間隔離度測(cè)試,儀器測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 Experiment result

理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明,基于繞射理論的計(jì)算預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)試值之間存在差異[13],計(jì)算機(jī)仿真值相對(duì)于實(shí)測(cè)值較小,預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)試值存在差異。分析可知,導(dǎo)致上述差異的主要原因有以下幾個(gè)方面。

(1)測(cè)試環(huán)境。機(jī)載通信天線是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的組成部分,機(jī)體為公共接地點(diǎn),機(jī)體也是電磁輻射體,飛機(jī)停放地面,機(jī)體距地面很近,地面反射可能造成天線波瓣畸變,影響上下天線耦合特性。

(2)飛機(jī)線纜附設(shè)路徑復(fù)雜,無(wú)法確定兩天線端口到端口之間的耦合值,通常帶電纜一起測(cè)試,線纜和連接器所帶來(lái)的衰減都將增加測(cè)試值,不考慮其他因素,天線隔離度真值等于測(cè)試值減去線纜和連接器損耗。

(3)飛機(jī)模型簡(jiǎn)化處理、計(jì)算機(jī)仿真天線建模誤差等都會(huì)影響分析結(jié)果。

(4)繞射理論計(jì)算時(shí),基于簡(jiǎn)化飛機(jī)模型的單一路徑計(jì)算繞射和直線空間衰減,而實(shí)際飛機(jī)外形遠(yuǎn)比模型復(fù)雜,所以,飛機(jī)上任意兩天線之間的電波傳播路徑要更復(fù)雜些。

總體而言,經(jīng)典公式計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真預(yù)測(cè)各有利弊,前者簡(jiǎn)單方便,但誤差大。與傳統(tǒng)的繞射理論計(jì)算相比,EMC計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)集軟件建模、仿真和優(yōu)化為一體,且具有用仿真代替實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì),能夠相對(duì)快速排除航空通信系統(tǒng)試飛中出現(xiàn)的EMI問(wèn)題,提高試飛效率。試飛設(shè)計(jì)師可以根據(jù)試飛現(xiàn)場(chǎng)條件合理選擇預(yù)測(cè)評(píng)估方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

EMC是航空通信系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)能力有效發(fā)揮的基礎(chǔ)。本文提出的基于電磁拓?fù)淅碚摰暮娇胀ㄐ畔到y(tǒng)試飛EMC分析思路,對(duì)現(xiàn)代綜合復(fù)雜性航空通信系統(tǒng)試飛過(guò)程中EMC評(píng)估具有重要指導(dǎo)意義。實(shí)踐證明,準(zhǔn)確有效的EMC預(yù)測(cè)分析結(jié)果是航空電子系統(tǒng)試飛成功的基礎(chǔ)和技術(shù)保障,也是提高航空通信系統(tǒng)試飛評(píng)估質(zhì)量的有效途徑。

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