李君惠，曹德垚，陳超，吳健國(guó)

（1.四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000；2.陸軍航空兵軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，成都 610036；3.中航工業(yè)直升機(jī)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

對(duì)于機(jī)載、艦載或其他大型裝載平臺(tái)、電氣系統(tǒng)及電子設(shè)備而言，電磁兼容是個(gè)永恒的話題。由于電路中信號(hào)源、非線性器件的存在，產(chǎn)生了不同強(qiáng)度的無用電磁信號(hào)，通過數(shù)個(gè)傳播途徑，產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)造成對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備功能不同程度的影響[1]。

對(duì)電氣系統(tǒng)或電子設(shè)備來說，設(shè)計(jì)之初需要遵循電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范、系統(tǒng)間兼容性設(shè)計(jì)要求、以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。例如根據(jù)用戶的不同使用環(huán)境，電子設(shè)備需要滿足GJB 151[2]或DO-160[3]等軍用或民用電磁兼容要求和測(cè)試要求。通常采用仿真設(shè)計(jì)、測(cè)試評(píng)估等技術(shù)可以保證電氣系統(tǒng)或電子設(shè)備自身具有一定的抗擾度，輻射或傳導(dǎo)電磁干擾小于一定的門限值，能夠符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的定量要求[4]。小到設(shè)備功能電路、模塊及分機(jī)的布線、布板及布局，大到裝載平臺(tái)上的設(shè)備、天線及電纜走線、位置擺放等，都需要進(jìn)行各層級(jí)系統(tǒng)仿真。尤其是模擬仿真各種電磁輻射干擾情況，慎重設(shè)計(jì)系統(tǒng)或設(shè)備安裝布局，以確保各系統(tǒng)或設(shè)備能夠適應(yīng)裝載平臺(tái)環(huán)境、運(yùn)行良好、可靠工作。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，總會(huì)出現(xiàn)電氣設(shè)備被復(fù)雜電磁信號(hào)干擾，導(dǎo)致工作不正常的情況?，F(xiàn)場(chǎng)可采用的測(cè)試手段非常有限，僅能得到少數(shù)數(shù)據(jù)信息，要分析得出原因、快速解決故障采用工程分析方法較為可行。

基于現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾工程分析方法是指在外場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境下，對(duì)出現(xiàn)的電磁干擾故障從設(shè)備本身、安裝環(huán)境等信息資源中，提取出有用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、幫助判斷，并有效解決問題的綜合分析手段。文中以某型機(jī)載平臺(tái)的電子通信設(shè)備干擾故障為例，主要對(duì)工程分析方法的思路進(jìn)行介紹。

1 機(jī)載平臺(tái)電磁兼容故障現(xiàn)象簡(jiǎn)述

故障現(xiàn)象描述：在某直升機(jī)平臺(tái)上，當(dāng)VHF電臺(tái)（簡(jiǎn)稱超臺(tái)）以X1、X2及X3三個(gè)頻段發(fā)射時(shí)，空管應(yīng)答機(jī)與地面測(cè)試設(shè)備聯(lián)試時(shí)出現(xiàn)應(yīng)答概率明顯下降甚至無應(yīng)答的現(xiàn)象。關(guān)閉超臺(tái)發(fā)射后，空管應(yīng)答機(jī)應(yīng)答概率恢復(fù)正常。超臺(tái)和空管應(yīng)答機(jī)的架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，該機(jī)載平臺(tái)上裝有2臺(tái)相同的VHF電臺(tái)，分別通過天線1和天線2進(jìn)行發(fā)射及接收，統(tǒng)一簡(jiǎn)稱超臺(tái) 1、超臺(tái) 2；一臺(tái)空管應(yīng)答機(jī)，通過上、下天線發(fā)射及接收電磁信號(hào)。地面試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)答機(jī)與地面測(cè)試設(shè)備進(jìn)行無線聯(lián)試，進(jìn)行應(yīng)答率檢測(cè)。

空管應(yīng)答機(jī)主要用于空中交通管制中，機(jī)載空管應(yīng)答機(jī)接收地面二次雷達(dá)或其他機(jī)載詢問機(jī)的詢問信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)模式的回答，實(shí)現(xiàn)地面機(jī)場(chǎng)或詢問飛機(jī)對(duì)飛機(jī)航班、位置等的監(jiān)視[5]。

現(xiàn)場(chǎng)地面聯(lián)試時(shí)，一般采用地面測(cè)試設(shè)備模擬詢問信號(hào)，進(jìn)行應(yīng)答機(jī)主要功能及性能的驗(yàn)證。應(yīng)答機(jī)接收到 1030 MHz有效詢問信號(hào)后，才能發(fā)出1090 MHz應(yīng)答信號(hào)，應(yīng)答概率則由地面測(cè)試設(shè)備根據(jù)收到的正確應(yīng)答次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其基本工作原理如圖2所示。

2 基于現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾分析方法與故障數(shù)據(jù)構(gòu)建

電磁故障采用仿真建模方式進(jìn)行干擾分析是最為科學(xué)的方法，基本思路是采用 Systemvue、EMPro等專業(yè)仿真軟件，建立相對(duì)精準(zhǔn)的平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)模型、設(shè)備數(shù)字模型等，可以進(jìn)行電磁環(huán)境和設(shè)備的條件參數(shù)仿真，根據(jù)需要改變其中的條件參數(shù)值，模擬出故障趨勢(shì)圖，進(jìn)一步分析得到解決方案。仿真建模中，建模準(zhǔn)確度、仿真人員專業(yè)能力、對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的熟知程度等因素均會(huì)影響分析結(jié)果，不易得到與實(shí)際干擾類似的數(shù)據(jù)結(jié)果，需反復(fù)修改參數(shù)，不斷迭代，仿真耗時(shí)長(zhǎng)。從長(zhǎng)期來看，能達(dá)到一次投入、數(shù)據(jù)長(zhǎng)期有效和反復(fù)修改使用的效果。

工程分析方法作為仿真分析的補(bǔ)充方法，其優(yōu)勢(shì)是針對(duì)性強(qiáng)、時(shí)間響應(yīng)迅速，更適用于現(xiàn)場(chǎng)干擾故障應(yīng)急處理。該方法依據(jù)規(guī)范和流程化的分析手段，可確保分析數(shù)據(jù)無遺漏，分析判斷方向無失誤，能幫助快速定位原因，解決電磁干擾故障。

2.1 分析方法思路

圖3給出了工程電磁干擾分析方法的主要流程：通過對(duì)干擾數(shù)據(jù)、干擾觸發(fā)條件的逐一分析，明確定位干擾原因；進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證干擾原因是否判斷準(zhǔn)確；原因定位準(zhǔn)確，針對(duì)具體問題形成解決方案。

需要說明的是，圖3中所進(jìn)行的仿真復(fù)現(xiàn)與軟件仿真有所區(qū)別，主要以試驗(yàn)室測(cè)試場(chǎng)景仿真為主，在試驗(yàn)室中搭建被干擾設(shè)備測(cè)試環(huán)境，以信號(hào)源為主要儀器模擬現(xiàn)場(chǎng)可疑干擾信號(hào)注入被干擾設(shè)備，力求試驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象。解決方案則在復(fù)現(xiàn)故障的基礎(chǔ)上進(jìn)行，找到問題點(diǎn)后進(jìn)行故障排除，故障排除方法有效后，方可作為解決方案。

在該干擾示例中，依據(jù)工程分析方法思路進(jìn)行的電磁干擾三要素分析結(jié)果如圖4所示。

通過三要素分析，能夠有針對(duì)性地采用干擾源屏蔽、濾波；途徑阻斷；敏感源提高抗干擾能力等多種方法得出解決故障的實(shí)施方案[6]。

2.2 基于現(xiàn)場(chǎng)的故障數(shù)據(jù)構(gòu)建

應(yīng)答機(jī)應(yīng)答概率不正常故障主要原因有：應(yīng)答機(jī)沒有收到詢問信號(hào)或信號(hào)被干擾，導(dǎo)致無應(yīng)答或應(yīng)答次數(shù)下降，應(yīng)答概率為0或概率下降；應(yīng)答機(jī)發(fā)射信號(hào)被干擾，導(dǎo)致地面測(cè)試設(shè)備靈敏度降低，處理的有效應(yīng)答次數(shù)降低，應(yīng)答概率下降。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)處理措施“關(guān)閉超臺(tái)發(fā)射機(jī)”，再進(jìn)行地面測(cè)試設(shè)備和應(yīng)答機(jī)聯(lián)試，應(yīng)答機(jī)概率恢復(fù)正常的現(xiàn)象，可以判斷干擾源為超臺(tái)發(fā)射機(jī)，干擾對(duì)象為應(yīng)答機(jī)或地面測(cè)試設(shè)備，導(dǎo)致應(yīng)答概率下降[7]。電磁干擾信號(hào)的類型主要包括同頻干擾、交調(diào)及互調(diào)、阻塞干擾等，由應(yīng)答機(jī)和地面測(cè)試設(shè)備靈敏度和調(diào)制方式等信息，可知相應(yīng)抗干擾條件的容限值，按照超限條件進(jìn)行排查即可確定干擾原因[8]。

將故障現(xiàn)象定性轉(zhuǎn)定量描述的目的是為了抽取有用的輸入數(shù)據(jù)，便于更清晰地進(jìn)行分析。由2.1描述可知，能夠抽取的輸入數(shù)據(jù)見表1。通過輸入數(shù)據(jù)可以了解輻射源的最大能量值、敏感源的接收端口干擾信號(hào)強(qiáng)度等有效信息，通過計(jì)算得到分析數(shù)據(jù)，為干擾機(jī)理分析提供依據(jù)。

表1 分析數(shù)據(jù)構(gòu)建表

3 電磁干擾測(cè)試干擾源判定

通過上述計(jì)算和分析，可以得到以下測(cè)試方案。

1）應(yīng)答機(jī)干擾容限有線測(cè)試。通過實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試，采用標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行干擾源模擬，測(cè)試得到注入應(yīng)答機(jī)端口的抗阻塞和同頻干擾能力數(shù)據(jù)，作為干擾排查依據(jù)。

2）電臺(tái)端口發(fā)射功率有線及無線測(cè)試。在應(yīng)答機(jī)端口測(cè)試超臺(tái)輻射主頻功率值，判斷是否超過應(yīng)答機(jī)阻塞干擾極限要求。

在超臺(tái)1和超臺(tái)2端口分別測(cè)試發(fā)射主頻高次諧波功率值，去除超臺(tái)1及超臺(tái)2天線離上、下天線的距離帶來的空間傳輸損耗影響后，判斷是否超過應(yīng)答機(jī)同頻干擾極限要求。

干擾工作機(jī)理分析：通過測(cè)試和數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)答機(jī)接收的超臺(tái) 2發(fā)射機(jī)主頻輻射強(qiáng)度超過了阻塞極限要求；超臺(tái)主頻高次諧波分量處于應(yīng)答機(jī)同頻干擾的臨界點(diǎn)，應(yīng)答機(jī)概率故障由電臺(tái)阻塞及同頻干擾共同引起。經(jīng)實(shí)地觀察，超臺(tái)2天線位置離應(yīng)答機(jī)下天線距離過近，超臺(tái)發(fā)射時(shí)，輻射到應(yīng)答機(jī)端口的超臺(tái)主頻信號(hào)超過了應(yīng)答機(jī)最大抗阻塞功率，設(shè)備內(nèi)接收前端放大器飽和，非線性失真產(chǎn)生了豐富的諧波成分。由于超臺(tái)主頻X1/X2/X3三個(gè)頻段均為應(yīng)答機(jī)接收主頻的低次分頻及附近頻率，應(yīng)答機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的諧波恰好落在接收帶內(nèi)。其次，超臺(tái)高次倍頻同頻信號(hào)也進(jìn)入應(yīng)答機(jī)接收通道，以上信號(hào)均無法抑制，導(dǎo)致了接收機(jī)無法正常工作[9]。

4 形成現(xiàn)場(chǎng)解決方案

針對(duì)分析結(jié)果，可選的解決方法有兩個(gè)。

1）在載機(jī)平臺(tái)上改變天線安裝位置，使得兩個(gè)設(shè)備保持一定的安全距離。

2）不改變天線物理位置，在應(yīng)答機(jī)上加裝抗阻塞濾波器，抑制超臺(tái)的大功率主頻信號(hào)，增強(qiáng)應(yīng)答機(jī)抗阻塞干擾能力。在超臺(tái)增加大功率低損耗帶外抑制濾波器，加強(qiáng)高次諧波的抑制，避免對(duì)應(yīng)答機(jī)造成同頻干擾。

方法1）中，超臺(tái)或空管應(yīng)答機(jī)天線的挪動(dòng)，都會(huì)對(duì)載機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)造成影響，也不排除會(huì)對(duì)其他電氣設(shè)備形成新的電磁干擾，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)和落實(shí)難度大，最終決定不考慮調(diào)整超臺(tái)或應(yīng)答機(jī)天線物理位置。

方法2）是針對(duì)空管應(yīng)答機(jī)應(yīng)答概率故障提出的解決方案。實(shí)際中，應(yīng)答概率僅為應(yīng)答機(jī)的一個(gè)性能指標(biāo)，需要考慮方案變動(dòng)后造成的應(yīng)答系統(tǒng)全局指標(biāo)變化風(fēng)險(xiǎn)。例如濾波器增加了系統(tǒng)插入損耗，引起應(yīng)答機(jī)接收靈敏度下降、發(fā)射功率損耗以及電臺(tái)發(fā)射功率降低，會(huì)使應(yīng)答機(jī)和電臺(tái)本身監(jiān)視或通信作用距離指標(biāo)下降；新增濾波器的安裝方式引起平臺(tái)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性改進(jìn)也應(yīng)當(dāng)一并考慮。因此，在現(xiàn)場(chǎng)按照分別在電臺(tái)和應(yīng)答機(jī)端口增加帶外抑制濾波器，同時(shí)增加濾波器進(jìn)行應(yīng)答機(jī)概率測(cè)試驗(yàn)證，綜合考量應(yīng)答機(jī)和電臺(tái)本身的指標(biāo)冗余度、阻塞和同頻干擾對(duì)應(yīng)答概率造成的影響程度，以最小代價(jià)形成實(shí)際解決方案。

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行了抗阻塞濾波器設(shè)計(jì)，重點(diǎn)做了帶外抑制度和低插損指標(biāo)設(shè)計(jì)，盡量兼顧對(duì)應(yīng)答機(jī)的其他重要指標(biāo)影響。電臺(tái)發(fā)射同頻干擾濾波器采用低插損貨架濾波器產(chǎn)品，在L波段的抑制度20 dB以上即可滿足要求。濾波器完成設(shè)計(jì)后，整個(gè)應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，應(yīng)答天線端口增加抗阻塞濾波器有明顯改善效果。超臺(tái)發(fā)射時(shí)，應(yīng)答機(jī)全動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)答概率滿足指標(biāo)要求（標(biāo)準(zhǔn)值為靈敏度時(shí)應(yīng)答概率優(yōu)于90%），實(shí)際測(cè)試中，接收靈敏度以下3 dB附近概率為90%以上。此時(shí)在電臺(tái)端口追加同頻干擾抑制濾波器，接收靈敏度以下3 dB概率提升為100%。

由此可知，增加抗阻塞濾波器后應(yīng)答機(jī)接收靈敏度有約3 dB余量，說明應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)工作可以接受天線端口的濾波器插損，加之應(yīng)答機(jī)的發(fā)射功率也有一定設(shè)計(jì)余量，增加抗阻塞濾波器對(duì)應(yīng)答機(jī)的重要指標(biāo)無影響，增加該濾波器可行。

電臺(tái)發(fā)射端口增加同頻干擾抑制濾波器使得應(yīng)答概率由90%上升為100%，證明了應(yīng)答概率干擾影響大部分由阻塞干擾引起，同頻干擾產(chǎn)生影響較小（概率影響為 10%左右）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電臺(tái)發(fā)射功率幾乎無冗余量，考慮到增加抗阻塞濾波器已能滿足應(yīng)答概率要求，為避免電臺(tái)發(fā)射功率損失，造成電臺(tái)作用距離影響，在電臺(tái)發(fā)射端口不加裝同頻干擾濾波器，以增加抗阻塞濾波器作為最終解決方案，如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

文中簡(jiǎn)要描述了機(jī)載平臺(tái)的系統(tǒng)間電磁干擾問題，以必要的現(xiàn)場(chǎng)干擾門限值、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)及設(shè)備指標(biāo)數(shù)據(jù)等構(gòu)建了數(shù)據(jù)表單，對(duì)機(jī)載平臺(tái)電磁干擾原因進(jìn)行了全面梳理，從而確定了干擾源，據(jù)此提出了解決方案并通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證。

通過該研究，總結(jié)出電磁干擾的工程分析方法，在有限的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及試驗(yàn)條件下，能夠幫助工程師理清思路，逐一分析疑似干擾源，結(jié)合載機(jī)平臺(tái)實(shí)際情況，給出有效的解決方案。

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