韓海艦　李文海

(1.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)　煙臺(tái)　264001)(2.海軍航空工程學(xué)院科研部ATE研究所　煙臺(tái)　264001)

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外場(chǎng)條件下機(jī)載通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境分析*

韓海艦1李文海2

(1.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)煙臺(tái)264001)(2.海軍航空工程學(xué)院科研部ATE研究所煙臺(tái)264001)

摘要基于當(dāng)前遇到的復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)機(jī)載通信系統(tǒng)性能的影響,通過(guò)對(duì)影響機(jī)載通信系統(tǒng)電磁兼容性的主要干擾源及干擾傳播途徑的探討,較為詳細(xì)地分析了機(jī)載通信系統(tǒng)所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境,對(duì)于改進(jìn)機(jī)載通信系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞機(jī)載通信系統(tǒng); 電磁環(huán)境; 電磁干擾; 干擾途徑

Electromagnetic Environment Analysis of Airborne Communications Systems under the Condition of Outdoor Space

HAN Haijian1LI Wenhai2

(1. Graduate Students’ Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001) (2. ATE Research Institute of Research Department, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractConsidering the influence of the complex electromagnetic environment on the airborne communication system, the complex electromagnetic environment of airborne communications systems is analyzed in detail through the electromagnetic interference sources and transmissions. It has certain guiding significance to improve the electromagnetic compatibility design.

Key Wordsairborne communications systems, electromagnetic environment, electromagnetic interference, interference path

Class NumberTM15

1引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)及微電子技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,大量的、型號(hào)不一的通信電子設(shè)備或系統(tǒng)以及其它的電子、電氣設(shè)備越來(lái)越密集,高密度、寬頻譜的電磁信號(hào)充滿著整個(gè)人類生存空間,從而構(gòu)成了外場(chǎng)條件下極其復(fù)雜的電磁環(huán)境。

對(duì)于軍用飛機(jī)來(lái)講,出于使命任務(wù)的需要,在相對(duì)狹小的設(shè)備艙內(nèi),往往安裝了多部不同頻段和功能的電臺(tái),以及雷達(dá)、電抗、高度表、慣導(dǎo)等各種機(jī)載設(shè)備,因此,必然存在著多種導(dǎo)致系統(tǒng)電磁兼容性能惡化的因素,如:有限頻帶內(nèi)密集的工作頻率;單位體積內(nèi)較大的電磁功率密度;高低電平器件或裝置的混合使用;多類天線引起的時(shí)域和頻域的串?dāng)_;設(shè)備通過(guò)供電系統(tǒng)、接地系統(tǒng)、信號(hào)交聯(lián)以及空間輻射產(chǎn)生的電磁干擾耦合等。這一切使得機(jī)載平臺(tái)內(nèi)的電磁環(huán)境更加惡化,而機(jī)載通信系統(tǒng)又屬于高靈敏度設(shè)備,致使其更容易受到這些干擾的影響,造成工作性能下降或損壞。

近年來(lái),通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)機(jī)載通信系統(tǒng)空中故障較多,經(jīng)檢測(cè)維修,故障均不能復(fù)現(xiàn)。大規(guī)模的論證分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,該類問(wèn)題的出現(xiàn)主要是由于通信系統(tǒng)工作的電磁環(huán)境惡化所引起的。這些故障的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了飛機(jī)的飛行訓(xùn)練與安全,有時(shí)甚至?xí)斐刹豢霸O(shè)想的后果。因此,有必要對(duì)外場(chǎng)條件下機(jī)載通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境進(jìn)行分析,進(jìn)而改進(jìn)電磁兼容性設(shè)計(jì),滿足電磁兼容性指標(biāo),達(dá)到改善內(nèi)部環(huán)境、規(guī)避外界干擾,保證通信暢通的目的。

2機(jī)載通信系統(tǒng)電磁環(huán)境分析

機(jī)載通信系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)的整個(gè)生命周期將面臨復(fù)雜多樣的電磁環(huán)境。電磁環(huán)境[1～2]是指設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)在執(zhí)行規(guī)定任務(wù)時(shí),可能遇到的輻射或傳導(dǎo)發(fā)射電平在不同頻率范圍內(nèi)功率和時(shí)間上的分布。電磁環(huán)境是提出和確定設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)電磁兼容性要求的依據(jù)。電磁環(huán)境往往是由大量的、不同特性的干擾源產(chǎn)生的。因此,要想搞清機(jī)載通信系統(tǒng)所面臨的電磁環(huán)境,就必須對(duì)可能影響其通信效能發(fā)揮的干擾源及其傳播途徑進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.1干擾源

飛機(jī)所處的電磁環(huán)境主要取決于外部空間的電磁環(huán)境和機(jī)內(nèi)設(shè)備所形成的機(jī)內(nèi)電磁環(huán)境[3],因此,可以將可能影響機(jī)載通信系統(tǒng)的干擾源分為平臺(tái)內(nèi)的干擾源和平臺(tái)外的干擾源兩大類。

2.1.1平臺(tái)內(nèi)主要干擾源分析

機(jī)載平臺(tái)內(nèi)的干擾主要是平臺(tái)內(nèi)的設(shè)備所產(chǎn)生,可以歸類為以下幾個(gè)方面:

1) 無(wú)線電設(shè)備干擾

除了通信系統(tǒng)外,飛機(jī)上大都還安裝了雷達(dá)、慣導(dǎo)、電抗、高度表等無(wú)線電設(shè)備,數(shù)量和種類多,頻譜覆蓋范圍廣,信號(hào)復(fù)雜多樣且強(qiáng)度差別大。無(wú)線電干擾信號(hào)[4]會(huì)通過(guò)直接耦合或間接耦合的方式進(jìn)入接收設(shè)備或系統(tǒng),對(duì)無(wú)線電通信所需接收信號(hào)的接收產(chǎn)生影響,導(dǎo)致性能下降,質(zhì)量惡化,信號(hào)碼字誤差或丟失,甚至阻斷通信的進(jìn)行。對(duì)于機(jī)載通信系統(tǒng)而言,存在的主要干擾類型有:同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾等。

2) 脈沖數(shù)字電路和開(kāi)關(guān)電路干擾[5～6]

隨著大量先進(jìn)電子設(shè)備和高性能計(jì)算機(jī)等機(jī)載設(shè)備的不斷增多,大量設(shè)備采用數(shù)字電路且工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),由于數(shù)字脈沖電流和電壓波形的上升沿很陡,其中包含著豐富的高次諧波分量,它們不僅傳導(dǎo)進(jìn)入電源線中,而且還向周圍空間輻射,這是一種頻譜較寬的干擾源。另外,機(jī)載計(jì)算機(jī)中的時(shí)鐘振蕩器、數(shù)據(jù)總線以及各種門電路、觸發(fā)器等都會(huì)產(chǎn)生輻射干擾。

機(jī)載設(shè)備中還有一種工作于“通—斷”狀態(tài)的開(kāi)關(guān)電路,如電源調(diào)壓器、逆變器等。由于開(kāi)關(guān)變換使電流急劇變化,產(chǎn)生頻譜較寬的干擾,其幅度和頻譜隨著開(kāi)關(guān)電流和電壓的變化頻率升高而增大。

3) 帶有控制開(kāi)關(guān)的電感性電氣設(shè)備干擾[5～6]

在飛機(jī)上存在著許多電感性的電氣元件,如風(fēng)扇電機(jī)、液壓電泵、舵面和副翼操縱的電動(dòng)舵機(jī)、起落架收放驅(qū)動(dòng)電機(jī)等,它們都是含有鐵芯線圈的電感性負(fù)載,當(dāng)采用開(kāi)關(guān)按鈕或繼電器觸點(diǎn)來(lái)控制通/斷轉(zhuǎn)換時(shí),就會(huì)在電路中產(chǎn)生前沿很陡的瞬變電壓干擾,一般上升時(shí)間在微秒至納秒之間,電壓峰值可達(dá)到600V,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1ms,振蕩頻率為1MHz～10MHz。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)也是一個(gè)阻尼振蕩瞬變電壓干擾源,火花放電器的電流峰值高達(dá)幾千安,振蕩頻率為20kHz～1MHz,連同其諧波分量,干擾頻譜可延伸到幾百兆赫。

4) 設(shè)備線纜間干擾

機(jī)載平臺(tái)內(nèi)部系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間都需要使用電纜進(jìn)行互連,互連電纜有時(shí)多達(dá)上千條,有資料表明,一架“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)的電纜總長(zhǎng)度為30km,而一架波音747大型客機(jī)的電纜總長(zhǎng)度達(dá)到274km。隨著傳輸信號(hào)頻率的提高和電源設(shè)備功率的增加,在機(jī)載平臺(tái)狹小的空間內(nèi)電纜線束造成的電磁干擾問(wèn)題變得更加突出,具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[7]:

(1)機(jī)內(nèi)電氣電子設(shè)備產(chǎn)生的有意或無(wú)意的電磁干擾會(huì)通過(guò)互連線纜直接侵入敏感設(shè)備,或者通過(guò)耦合進(jìn)入控制線和信號(hào)線,如果耦合干擾電壓幅值過(guò)大或持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則會(huì)對(duì)飛機(jī)內(nèi)設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。

(2)對(duì)于特定頻段的電磁波,互連線纜可以看作效率很高的接收天線,空間的電磁干擾通過(guò)電纜接收,進(jìn)入敏感設(shè)備,對(duì)有用信號(hào)造成干擾。

(3)同理,互連電纜也可以成為效率很高的輻射天線,尤其是飛機(jī)內(nèi)部分電纜傳輸?shù)男盘?hào)功率大、頻率高,電纜產(chǎn)生的電磁輻射可能對(duì)相鄰設(shè)備產(chǎn)生影響。

(4)電纜線束作為電氣電子設(shè)備的互連媒介,當(dāng)設(shè)備被屏蔽起來(lái)后,電纜是導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾限值要求的主要原因。

2.1.2外場(chǎng)空間主要干擾源分析

1) 典型飛行環(huán)境下無(wú)線電設(shè)施的射頻干擾

飛機(jī)在進(jìn)行正常的飛行訓(xùn)練和執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中,或在未來(lái)的信息化戰(zhàn)場(chǎng)上將會(huì)經(jīng)歷各種各樣的復(fù)雜電磁環(huán)境,勢(shì)必會(huì)受到各種各樣的電磁干擾。對(duì)于機(jī)載通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō),航空地面(艦載)設(shè)備、機(jī)場(chǎng)無(wú)線電設(shè)施以及其它飛機(jī)、艦船無(wú)線電設(shè)備都可能對(duì)飛機(jī)輻射電磁波,從而構(gòu)成對(duì)機(jī)載通信系統(tǒng)的干擾。此外,地面廣播電視的高頻、甚高頻發(fā)射以及地面高壓輸電線的電場(chǎng)和瞬態(tài)短路引起的電磁發(fā)射都會(huì)成為機(jī)載通信系統(tǒng)外部空間的主要干擾源。

2) 靜電和雷電干擾

在飛機(jī)處于高速飛行狀態(tài)時(shí),飛機(jī)外殼金屬蒙皮會(huì)和大氣中的云層、灰塵、水滴、雪或冰晶等之間相互摩擦,進(jìn)而會(huì)在機(jī)身表面積累大量靜電。隨著靜電電荷的不斷積累,機(jī)體表面和周圍大氣之間的電壓會(huì)逐漸升高,當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí),大氣被擊穿,形成一種電暈放電。這種放電會(huì)對(duì)無(wú)線電接收機(jī)形成寬帶噪聲干擾,從而影響接收機(jī)對(duì)于有用信號(hào)的接收能力,對(duì)于電臺(tái)典型的現(xiàn)象是耳機(jī)中出現(xiàn)比較強(qiáng)的噪聲[8]。雷電干擾主要是由夏季本地雷電和冬季熱帶地區(qū)雷電放電所產(chǎn)生。地球上平均每秒鐘發(fā)生100次左右的雷擊放電。雷電是一連串的干擾脈沖,其電磁發(fā)射借助電離層的傳輸可傳播到幾千公里以外的地方。雷電干擾的頻譜在50MHz以下都有分布,主要能量分布在100kHz左右,對(duì)地球上20MHz以下的無(wú)線電通信影響較大。

3) 太陽(yáng)和宇宙噪聲干擾

宇宙干擾是來(lái)自太陽(yáng)系、銀河系及河外星系的電磁騷擾,主要包括太空背景噪聲和太陽(yáng)、月亮、木星等發(fā)射的無(wú)線電噪聲。太陽(yáng)噪聲則隨著太陽(yáng)的活動(dòng)性明顯變化,太陽(yáng)活動(dòng)高年無(wú)線電噪聲顯著增加。太陽(yáng)的干擾頻率從10MHz到幾十GHz。銀河系的干擾峰值出現(xiàn)在頻段100MHz～200MHz。宇宙干擾影響最大的頻段是20MHz～500MHz。太陽(yáng)和宇宙空間輻射的干擾噪聲對(duì)機(jī)載通信系統(tǒng)具有明顯的影響,特別是在接收機(jī)天線方向圖主瓣正對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的情況下干擾尤為嚴(yán)重。

4) 敵方電子對(duì)抗設(shè)備的干擾

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,掌握“制電磁權(quán)”就等于掌握了贏得戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán),因此,近些年來(lái)電子對(duì)抗技術(shù)在軍事裝備領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越得到重視和加強(qiáng),高功率微波武器等定向能武器和電磁脈沖彈以及超寬帶、強(qiáng)電磁輻射干擾機(jī)等不斷出現(xiàn),為了達(dá)到截?cái)辔曳酵ㄐ呕驅(qū)ξ曳綑C(jī)群進(jìn)行打擊,掌握戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的目的,敵方常常會(huì)施放電子對(duì)抗設(shè)備進(jìn)行干擾。對(duì)于機(jī)載通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō),此類干擾會(huì)嚴(yán)重影響平臺(tái)間的溝通互聯(lián)以及任務(wù)指令的上傳下達(dá),甚至?xí)钄嗤ㄐ诺倪M(jìn)行,造成嚴(yán)重的后果。

表1總結(jié)列出了機(jī)載通信系統(tǒng)所會(huì)面臨的主要干擾源的分類及干擾源名稱。

表1　主要干擾源分類及名稱

2.2干擾途徑

電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑[9],一般認(rèn)為電磁干擾的傳輸途徑有兩種形式:傳導(dǎo)和輻射。因此,從以上對(duì)主要干擾源的分析來(lái)看,主要干擾耦合形式有: 1) 傳導(dǎo)耦合方式; 2) 高頻耦合方式; 3) 輻射耦合方式。

2.2.1傳導(dǎo)耦合

傳導(dǎo)[10]是干擾源與敏感設(shè)備之間的主要干擾耦合途徑之一。傳導(dǎo)干擾主要通過(guò)電源線、信號(hào)線、互聯(lián)線、接地導(dǎo)體等進(jìn)行耦合。在音頻和低頻時(shí),由于電源線、接地導(dǎo)體、電纜的屏蔽層等呈現(xiàn)低阻抗,因此電流進(jìn)入這些導(dǎo)體時(shí)易于傳播,當(dāng)傳導(dǎo)到敏感系統(tǒng)時(shí),就造成了傳導(dǎo)干擾。一般有兩種屬性的傳導(dǎo)耦合:電容性耦合和電感性耦合。

1) 電容性耦合。當(dāng)傳輸線之間存在寄生電容時(shí),傳輸線中的能量可以發(fā)生耦合,此時(shí)就產(chǎn)生電容性耦合。在機(jī)載通信系統(tǒng)中發(fā)生電容性耦合的主要形式有:(1)平行電力傳輸線;(2)同軸電纜;(3)分組平行傳輸線;(4)長(zhǎng)導(dǎo)線與同軸線或機(jī)殼。當(dāng)對(duì)傳輸線進(jìn)行屏蔽接地處理后,可以極大地減小耦合電容,降低電容性耦合干擾。

2) 電感性耦合。電感性耦合是由傳輸線上的電流變化導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化,進(jìn)而影響其他傳輸線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),此時(shí)傳輸線的信號(hào)就耦合到了其他傳輸線或?qū)w。在機(jī)載通信系統(tǒng)中,發(fā)生電感性耦合的主要形式是傳輸電力線和信號(hào)線對(duì)設(shè)備機(jī)殼的耦合。當(dāng)采用屏蔽體阻止電感性耦合干擾時(shí),需要根據(jù)屏蔽材料的截止頻率與傳輸信號(hào)頻率的值選擇不同的接地方式。當(dāng)傳輸信號(hào)的頻率大于五倍的屏蔽材料截止頻率時(shí),采用屏蔽體兩端接地方式;否則,采取屏蔽體一端接地,一端連接負(fù)載方式。

3) 電容、電感綜合耦合。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,電容和電感耦合是同時(shí)存在的,可以通過(guò)分離分析后再綜合計(jì)算耦合干擾,此時(shí)需要考慮導(dǎo)體的長(zhǎng)度和截面積,在機(jī)載通信系統(tǒng)中,綜合耦合干擾的形式與電容耦合形式是一樣的。綜合考慮耦合后,在干擾源的近端,電容性耦合與電感性耦合干擾電壓是疊加的,干擾源的遠(yuǎn)端,總干擾電壓等于電容性耦合電壓減去電感性耦合電壓。

2.2.2高頻耦合

前面所述的傳導(dǎo)耦合屬于低頻情況下的耦合,即導(dǎo)線長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的情況。而在高頻時(shí),導(dǎo)體本身的電容和電感就不能忽視,此時(shí),電抗隨頻率發(fā)生變化,感抗隨頻率增加而增加,容抗隨頻率增加而減小。

在無(wú)線電頻率范圍內(nèi),許多系統(tǒng)中的駐波現(xiàn)象均有明顯的干擾耦合作用。當(dāng)傳輸導(dǎo)線長(zhǎng)度等于或大于1/4波長(zhǎng)時(shí),對(duì)于電路的分析需要使用參數(shù)電路理論,求解線上的電流波與電壓波來(lái)計(jì)算傳輸線間的干擾耦合。

2.2.3輻射耦合

輻射傳輸是通過(guò)介質(zhì)以電磁波的形式傳播,干擾能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。常見(jiàn)的輻射耦合有三種: 1) 甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接收,稱為天線對(duì)天線的耦合; 2) 空間電磁場(chǎng)經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合,稱為場(chǎng)對(duì)線的耦合; 3) 兩根平行導(dǎo)線之間的高頻信號(hào)感應(yīng),稱為線對(duì)線的感應(yīng)耦合。

輻射耦合干擾的傳輸路徑可以從無(wú)限小到無(wú)限大,在近距離時(shí)可以看作是近場(chǎng)耦合模式,此時(shí)的阻抗為虛數(shù),電場(chǎng)和磁場(chǎng)相位相差90°,并且存在能量交換。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)可以看作遠(yuǎn)場(chǎng)耦合模式,電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間上相互垂直,且在同一平面上,在時(shí)間上同相位,耦合的能量隨著距離的增加而減小。

在實(shí)際的機(jī)載通信系統(tǒng)中,設(shè)備之間發(fā)生干擾通常包含著多種途徑的耦合。正是因?yàn)槎喾N途徑的耦合同時(shí)存在,反復(fù)交叉耦合,共同產(chǎn)生干擾,才使得電磁干擾變得難以控制。

3結(jié)語(yǔ)

機(jī)載通信系統(tǒng)作為現(xiàn)代飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的重要組成部分,其所面臨的電磁環(huán)境不斷惡化,尤其是在未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)條件下電磁環(huán)境將更加復(fù)雜多變,將嚴(yán)重影響其通信效能的發(fā)揮。因此,本文較為詳細(xì)地對(duì)機(jī)載通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境進(jìn)行了分析,希望以此作為對(duì)機(jī)載通信系統(tǒng)電磁兼容研究和設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

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中圖分類號(hào)TM15

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.039

作者簡(jiǎn)介:韓海艦,男,碩士研究生,研究方向:電磁兼容測(cè)試。李文海,男,教授,研究方向:自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月19日