趙 利

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都610036)

0 引言

機(jī)載通信系統(tǒng)的電磁兼容性是指電子設(shè)備或功能在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，不因電磁干擾而降低性能指標(biāo)，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于檢定的極限電平，不影響其他設(shè)備或功能的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備之間、功能與功能之間互不干擾、共同可靠工作的目的。機(jī)載通信系統(tǒng)通常包括多個(gè)功能，如短波通信功能、超短波通信功能、衛(wèi)星通信功能等。某些功能的工作頻段可能相同或相近，如兩個(gè)或多個(gè)超短波通信功能之間、超短波通信功能與UHF頻段衛(wèi)通功能之間等。當(dāng)其中一個(gè)功能發(fā)射時(shí)，就很容易在其他功能接收端口產(chǎn)生較大的干擾信號(hào)，使工作在高靈敏度接收狀態(tài)的其他功能阻塞或前端燒毀，讓兩個(gè)或多個(gè)功能之間不能同時(shí)工作。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需高度重視各功能間的電磁兼容，從多個(gè)方面采取措施，解決電磁兼容問(wèn)題，達(dá)到同時(shí)工作的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)載通信系統(tǒng)由多個(gè)功能組成，每個(gè)功能由功能天線、1條或多條收/發(fā)通路和系統(tǒng)綜合管理共同完成，如圖1所示。功能天線主要完成功能信號(hào)的接收和輻射;收/發(fā)通路主要完成收/發(fā)信號(hào)的濾波、放大、變頻、解調(diào)/調(diào)制和解碼/編碼等功能;系統(tǒng)綜合處理主要完成系統(tǒng)控制管理、數(shù)據(jù)信號(hào)處理、音頻信號(hào)處理和綜合顯控等功能。

圖1 機(jī)載通信系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition diagram of airborne communication system

接收時(shí)，來(lái)自天線的接收信號(hào)經(jīng)接收通路進(jìn)行濾波、放大、變頻、解調(diào)和解碼處理后，送系統(tǒng)綜合處理完成音頻信號(hào)處理或數(shù)據(jù)信號(hào)處理;發(fā)射時(shí)，來(lái)自系統(tǒng)綜合處理的音頻信號(hào)或數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)發(fā)射通路進(jìn)行編碼、調(diào)制、變頻、濾波和放大后，得到射頻信號(hào)，經(jīng)功能天線發(fā)射出去。所有接收通路和發(fā)射通路的工作頻率、工作模式和工作狀態(tài)等均由系統(tǒng)控制管理統(tǒng)一掌控。

2 影響因素

從前面的分析可以看出，一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)需要功能天線、收/發(fā)通路和系統(tǒng)控制管理相互配合，任何一部分設(shè)計(jì)不當(dāng)，均可能引起電磁兼容問(wèn)題。

2.1 天線

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的電子通信設(shè)備被集成在一個(gè)飛機(jī)平臺(tái)中，如圖2所示。在一個(gè)有限的空間內(nèi)需要安裝多個(gè)工作頻段相近或相同的天線來(lái)接收或發(fā)射電子信號(hào)。如果天線布局不合理，天線耦合度較高，通過(guò)空間輻射和天線耦合，同一系統(tǒng)中不同天線間容易引起很強(qiáng)的近場(chǎng)耦合，從而使得各收/發(fā)通路受到干擾，不能正常工作。因此，天線間的耦合是電磁兼容控制的關(guān)鍵要素，天線的合理布局是解決機(jī)載通信系統(tǒng)電磁兼容的重要環(huán)節(jié)［1］。

圖2 E－3A預(yù)警機(jī)天線的布局［2］Fig.2 Antenna layout of E －3A AWACS

2.2 收/發(fā)通路

雖然在考慮天線布局時(shí)，會(huì)讓天線耦合度盡可能低，但飛機(jī)的安裝空間畢竟有限，天線隔離只能達(dá)到一定水平，電磁兼容性也只能控制在一定程度。這時(shí)就需要通過(guò)其他途徑來(lái)進(jìn)一步提高電磁兼容性。如果接收通路不能承受強(qiáng)干擾信號(hào)，接收通路就容易受干擾;如果發(fā)射通路不僅發(fā)射有用信號(hào)，還發(fā)射了強(qiáng)的無(wú)用信號(hào)或帶寬噪聲，發(fā)射通路就容易干擾其他通路或功能。以上任何一種情況均會(huì)引起電磁兼容問(wèn)題。因此，規(guī)范收/發(fā)通路設(shè)計(jì)也是電磁兼容性控制的重要環(huán)節(jié)。

2.3 系統(tǒng)控制管理

如果通過(guò)合理設(shè)計(jì)天線布局和收/發(fā)通路仍不能實(shí)現(xiàn)各功能間的電磁兼容，就可以通過(guò)系統(tǒng)控制管理來(lái)統(tǒng)籌規(guī)劃。通過(guò)系統(tǒng)控制管理，可以讓可能相互影響的功能不同時(shí)工作或讓工作頻率間隔足夠遠(yuǎn)，從而達(dá)到電磁兼容的目的。因此，系統(tǒng)控制管理也是解決機(jī)載通信系統(tǒng)電磁兼容的重要途徑［3］。

3 解決措施

3.1 天線布局

在設(shè)計(jì)天線布局時(shí)，需綜合考慮各功能對(duì)天線/天線陣的功能、工作方式、工作頻率、覆蓋空域、極化形式、安裝位置等因素的要求，以及飛機(jī)氣動(dòng)外形、氣動(dòng)載荷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的要求，對(duì)全機(jī)天線進(jìn)行一體化優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，最大程度地減少各類(lèi)天線/天線陣之間的耦合，減少各系統(tǒng)之間電磁干擾。

為了解決天線數(shù)量眾多、布局困難的問(wèn)題，改善系統(tǒng)電磁兼容性能，在同一機(jī)載系統(tǒng)中，如果存在多個(gè)工作頻段相同或相近(如多路超短波通信之間)，可結(jié)合天線工作方式，采取收/發(fā)天線分開(kāi)和天線共用的實(shí)現(xiàn)方式;如果存在兩種功能工作頻段相差較遠(yuǎn)、工作模式差別較大的情況(如超短波通信與塔康等)，可將兩種天線在物理上作到一起，以節(jié)省安裝空間。

3.2 收/發(fā)通路

多條通路在同一飛機(jī)平臺(tái)上能否同時(shí)工作，除了天線布局外，還與收/發(fā)通路設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。通過(guò)合理要求收/發(fā)通路的各項(xiàng)指標(biāo)，規(guī)范收/發(fā)通路設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高各功能之間的電磁兼容性。

(1)發(fā)射通路

理想的發(fā)射通路只發(fā)射有用信號(hào)，不含任何無(wú)用信號(hào)。但由于數(shù)字信號(hào)豐富的頻譜特性、頻率源的雜散和寬帶噪聲以及通道上放大器和混頻器的非線性等多種因素，導(dǎo)致發(fā)射通路發(fā)射出來(lái)的信號(hào)除主頻信號(hào)以外，還有許多無(wú)用信號(hào)，如雜散、諧波、寬帶噪聲和反向互調(diào)產(chǎn)物等。為了減少發(fā)射信號(hào)對(duì)其他設(shè)備的干擾，通常用發(fā)射功率、鄰道功率比、諧波抑制、雜散抑制、寬帶噪聲和反向互調(diào)等技術(shù)指標(biāo)來(lái)規(guī)范發(fā)射通路的設(shè)計(jì)［4］。發(fā)射通路設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工作頻點(diǎn)、信號(hào)帶寬、通道增益、濾波特性和線性度等要求，選擇合適的濾波器、放大器和混頻器，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2)接收通路

在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，接收通路除了會(huì)接收到有用信號(hào)以外，還會(huì)接收到很多無(wú)用信號(hào)。為了將有用信號(hào)有效提取出來(lái)，接收通路的設(shè)計(jì)始終圍繞著濾波、放大和混頻等多項(xiàng)工作開(kāi)展［5］。通常用抗阻塞電平、交調(diào)抑制、互調(diào)抑制、鄰道抑制、中頻抑制和鏡頻抑制等技術(shù)指標(biāo)來(lái)規(guī)范接收通路的抗干擾能力。接收通路設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的濾波器、放大器和混頻器，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.3 系統(tǒng)控制管理

機(jī)載通信系統(tǒng)內(nèi)各功能間工作頻率重疊嚴(yán)重、電磁頻譜異常復(fù)雜。在采用上述電磁兼容設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)仍存在電磁兼容問(wèn)題，特別是工作在相同或相鄰頻段的，可根據(jù)任務(wù)需求，從系統(tǒng)控制管理上采取一定措施，如頻率管理、分時(shí)工作和消隱/閉鎖等。

1)頻率管理主要基于頻率使用的各項(xiàng)規(guī)定、機(jī)載電子設(shè)備的配置情況和頻率特性、機(jī)載系統(tǒng)電磁兼容情況和使用需求等信息、對(duì)機(jī)載電子設(shè)備同時(shí)工作的工作頻率進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理。在頻率資源允許的情況下，避免各電子設(shè)備的相互干擾。

2)分時(shí)工作主要從時(shí)域上將兩個(gè)或多個(gè)功能分開(kāi)，如設(shè)置工作時(shí)隙，讓各個(gè)功能分別工作在不同時(shí)間上。

3)消隱/閉鎖主要從任務(wù)需求或功能優(yōu)先級(jí)出發(fā)，當(dāng)某個(gè)功能工作時(shí)，讓另外一個(gè)功能停止工作，從而達(dá)到互不影響的目的。

4 典型例子

超短波通信是機(jī)載通信系統(tǒng)中常用通信手段，通常配有2條或2條以上超短波通信通路，以滿(mǎn)足不同的通信需求。在E－3A預(yù)警機(jī)上，共有13名任務(wù)系統(tǒng)操作員，配備了多部超短波電臺(tái)ARC－164，用于對(duì)預(yù)警機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)的空－空話(huà)音和數(shù)據(jù)通信，也用于對(duì)預(yù)警機(jī)和地面指揮所的空－地話(huà)音和數(shù)據(jù)通信［2］。如何實(shí)現(xiàn)多部超短波電臺(tái)的同時(shí)工作是一個(gè)非常突出的電磁兼容問(wèn)題。下面以E－3A預(yù)警機(jī)為平臺(tái)，利用上述解決措施，探討如何實(shí)現(xiàn)多部超短波電臺(tái)之間的電磁兼容。

4.1 天線布局

E－3A預(yù)警機(jī)包含多副天線和多種電子設(shè)備，如果每部超短波電臺(tái)均獨(dú)立分配1副超短波收/發(fā)天線，不僅多副超短波收/發(fā)天線難以布局，其他種類(lèi)天線的布局也會(huì)非常困難;既難實(shí)現(xiàn)多部超短波電臺(tái)的同時(shí)工作，也難實(shí)現(xiàn)超短波電臺(tái)與其他電子設(shè)備的同時(shí)工作。為了減少超短波天線數(shù)量，提高天線間的隔離度，可采用收發(fā)天線分開(kāi)和天線共用的實(shí)現(xiàn)方式。即多部超短波電臺(tái)的收支路共用1副超短波收天線，多部超短波電臺(tái)的發(fā)支路共用1副超短波發(fā)天線。

當(dāng)然，在進(jìn)行超短波收天線和發(fā)天線的布局時(shí)，還需綜合考慮超短波天線的覆蓋空域、極化方式，飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)等對(duì)天線方向圖的影響，以及飛機(jī)的氣動(dòng)外形、電子設(shè)備安裝位置和天線工作方式等。

據(jù)推測(cè)，E－3A預(yù)警機(jī)中超短波發(fā)射天線應(yīng)安裝在前機(jī)身上部，接收天線應(yīng)安裝在前機(jī)身下部［2］，如圖2所示。超短波天線之間的隔離度可達(dá)到40 dB以上。

4.2 收/發(fā)通路

多條超短波通信通路要同時(shí)工作，收/發(fā)通路的諧波抑制、雜散抑制、寬帶噪聲、反向互調(diào)、抗阻塞電平、交調(diào)抑制和鏡頻抑制等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均需滿(mǎn)足一定要求。在這些技術(shù)指標(biāo)中，抗阻塞電平和寬帶噪聲是超短波通路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。下面以抗阻塞電平和寬帶噪聲的設(shè)計(jì)為例，先介紹2條超短波通信通路的指標(biāo)需求分析與實(shí)現(xiàn)，再擴(kuò)展到多通路的指標(biāo)需求分析與實(shí)現(xiàn)。

(1)抗阻塞電平指標(biāo)需求分析與實(shí)現(xiàn)

以2條超短波通信通路為例，如果超短波通信通路1的發(fā)射功率約為20 W，該發(fā)射信號(hào)通過(guò)天線輻射和空間衰減后，會(huì)到達(dá)超短波通信通路2的接收端，并且信號(hào)電平比較強(qiáng)，如圖3所示。在該強(qiáng)干擾信號(hào)下，超短波通信通路2的接收通路不能被阻塞。即接收通路的抗阻塞電平需優(yōu)于該強(qiáng)干擾信號(hào)電平，具體計(jì)算如下:

即，超短波通信通路的抗阻塞電平應(yīng)優(yōu)于3 dBm。

圖3 2條超短波通信通路同時(shí)工作示意Fig.3 Working together of two ultra－ short wave communication pathways

超短波接收信號(hào)的一般處理流程為:超短波天線→頻段濾波器(選擇工作頻段范圍內(nèi)的信號(hào)，一般插損較小)低噪聲放大器→預(yù)選濾波器(選擇具體工作頻率點(diǎn)的信號(hào)，一般插損較大)→低噪聲放大器→混頻器→中頻濾波器(選擇固定中頻的信號(hào)，頻段窄，矩形系數(shù)小，選擇性好)→放大器→…。干擾信號(hào)和有用信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后的插損和經(jīng)過(guò)放大器的增益均有一定差異。為了實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)抗阻塞電平指標(biāo)，在設(shè)計(jì)超短波接收通路時(shí)，需結(jié)合其他指標(biāo)，合理選擇各級(jí)的濾波器的選擇性和放大器的線性度。一般原則是:干擾信號(hào)進(jìn)入接收通路后，放大器和混頻器等非線性器件需處于線性區(qū)或可接受的非線性區(qū);對(duì)于含AGC控制的接收通路，干擾信號(hào)不能影響AGC的正常工作。

(2)寬帶噪聲指標(biāo)需求分析與實(shí)現(xiàn)

超短波通信通路1(工作在頻率f1)發(fā)射時(shí)，不僅會(huì)發(fā)射主頻信號(hào)，還會(huì)附帶出較強(qiáng)的寬帶噪聲，如圖4所示。

圖4 發(fā)射信號(hào)示意Fig.4 Correlation of the transmiting signals

如果落在超短波通信通路2(工作在頻率f2)接收頻段范圍內(nèi)寬帶噪聲比較大，將會(huì)影響超短波通信通路2的正常接收。因此，超短波通信通路的發(fā)射寬帶噪聲X(dBm/Hz)應(yīng)盡可能小，具體計(jì)算方法如下:

X(dBm/Hz)－40 dB(隔離度)≤－100 dBm(接收靈敏度)－49 dBHz(80 kHz，信號(hào)帶寬)－10 dB(解調(diào)門(mén)限)

即，發(fā)射寬帶噪聲 X(dBm/Hz)應(yīng)不大于－119 dBm/Hz。

超短波發(fā)射信號(hào)的一般處理流程為:…→中頻濾波器→放大器→混頻器→放大器→濾波器→末前級(jí)功率放大器→濾波器→末級(jí)功率放大器→超短波天線。在發(fā)射通路中，影響寬帶噪聲的因素主要包括本振寬帶噪聲、通道噪聲系數(shù)、非線性器件的線性度和濾波器的選擇性。本振寬帶噪聲會(huì)隨本振信號(hào)通過(guò)混頻器進(jìn)入發(fā)射通道;通道噪聲會(huì)抬高通道噪聲水平;器件的非線性會(huì)引起擴(kuò)譜，對(duì)寬帶信號(hào)尤其明顯;濾波器選擇不當(dāng)或放置位置不當(dāng)，均可能影響寬帶噪聲指標(biāo)。因此，在設(shè)計(jì)發(fā)射通路時(shí)，結(jié)合其他發(fā)射指標(biāo)，合理控制以上幾種因素。

(3)多個(gè)收發(fā)通路的指標(biāo)分析與實(shí)現(xiàn)

如果機(jī)載通信系統(tǒng)包含多路超短波收發(fā)通路，如E－3A預(yù)警機(jī)，除了要實(shí)現(xiàn)單個(gè)收發(fā)通路的獨(dú)立設(shè)計(jì)(與2通路的實(shí)現(xiàn)方式基本相同)外，還需進(jìn)行多通路間的聯(lián)合設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)多通路的同時(shí)工作，可在超短波天線與電臺(tái)之間串入共址濾波器，如圖5所示。

圖5 共址濾波器的應(yīng)用示意Fig.5 Application of co － site filters

共址濾波器由多個(gè)子工作頻段濾波器組成，相鄰子段之間既相互銜接又相互獨(dú)立，共同覆蓋整個(gè)工作頻段。它不僅可以將多部電臺(tái)的工作頻段有效分開(kāi)，提高電臺(tái)之間的電磁兼容性，又可以減少電臺(tái)的設(shè)計(jì)壓力，因此，共址濾波器也經(jīng)常用在只有2條超短波通路的飛機(jī)平臺(tái)上。

4.3 系統(tǒng)控制管理

根據(jù)抗阻塞電平和寬帶噪聲的指標(biāo)需求，結(jié)合收/發(fā)通路設(shè)計(jì)的實(shí)際能力，以及天線隔離度，各超短波通信通路的工作頻率一般需間隔一段頻率才能正常工作。這就需要系統(tǒng)采取頻率管理措施，限定各超短波通信通路的相對(duì)工作頻率，從而達(dá)到電磁兼容的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)載通信系統(tǒng)功能眾多、關(guān)系復(fù)雜。如何實(shí)現(xiàn)各功能間的電磁兼容，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是一個(gè)非常復(fù)雜的課題。文中從天線布局、收/發(fā)通路和系統(tǒng)控制管理三方面著手，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，介紹了機(jī)載通信系統(tǒng)多功能間的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，并以解決機(jī)載多個(gè)超短波電臺(tái)之間的電磁兼容問(wèn)題為實(shí)例，給出了解決措施的典型應(yīng)用，為解決機(jī)載通信系統(tǒng)多功能間的電磁兼容問(wèn)題提供一定參考。

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