朱曉榮 張文賢 汪建業(yè)

摘? 要：Wi-Fi（2 401～2 483 MHz）濾波器在移動通信中具有廣泛的應(yīng)用，文章描述了在加速器環(huán)境下的核應(yīng)急信息管理中抗干擾無線通信技術(shù)的性能指標(biāo)。經(jīng)過仿真及測試結(jié)果的分析表明，在有加速器環(huán)境的核應(yīng)急情況下Wi-Fi濾波器可以滿足無線通信的暢通。測試結(jié)果表明該濾波器具有低的通帶插入損耗（小于2.5 dB）、高的帶外抑制（大于30 dB）和較大的帶寬（82 MHz）。

關(guān)鍵詞：核應(yīng)急;濾波器;插入損耗;帶外抑制

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0081-04

Application of Anti-interference Wireless Communication Technology in Nuclear Emergency Information Management

ZHU Xiaorong1，2， ZHANG Wenxian3， WANG Jianye1

（1.Hefei Institutes of Physical Science， Chinese Academy of Sciences， Hefei? 230031， China; 2.University of Science and Technology of China， Hefei? 230026， China; 3.The Fourth Construction Co.， Ltd. of China Electronics System Engineering， Beijing? 100000， China）

Abstract： Wi-Fi （2 401～2 483 MHz） filters are widely used in mobile communications. This paper describes the performance index of anti-interference wireless communication technology in nuclear emergency information management in accelerator environment. The analysis of simulation and test results show that the Wi-Fi filter can meet the smooth of wireless communication in the nuclear emergency with accelerator environment. The test results show that the filter has low pass band insertion loss （less than 2.5 dB）， high out-of-band rejection （greater than 30 dB） and larger bandwidth （82 MHz）.

Keywords： nuclear emergency; filter; insertion loss; out-of-band rejection

0? 引? 言

加速器在核能研究中發(fā)揮著重要作用，如輻射醫(yī)學(xué)物理、神經(jīng)元物理、輻射屏蔽、高性能材料檢測以及其他核安全技術(shù)的應(yīng)用中。加速器一般工作在超高壓、高功率、強(qiáng)輻射的條件下運行，運行環(huán)境中的復(fù)雜電磁噪聲和干擾信號會對發(fā)生核安全事故時信號傳遞產(chǎn)生極大的干擾從而在一定程度上阻礙核應(yīng)急方案[1]。往往在核事故發(fā)生時，地面及地下的通信系統(tǒng)將受到毀滅性的打擊，容易出現(xiàn)通信癱瘓的現(xiàn)象從而導(dǎo)致預(yù)警信號不能有效的傳播給工作人員造成人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。因此核電站加速器系統(tǒng)中的通信安全問題是核電站正常以及應(yīng)急工況下通信傳遞的關(guān)鍵一環(huán)。

由于關(guān)系到核安全，核電站以及加速器環(huán)境下對通信的穩(wěn)定性、可靠性要求是極為嚴(yán)格的[2，3]。目前國內(nèi)核電廠的主要通信手段還是采用有線的方式，核設(shè)備如：加速器系統(tǒng)的調(diào)試、檢修的過程中依舊無法擺脫固定電話電纜的束縛，在一定程度上制約了核電環(huán)境下的工作的高效性和及時性。在通信領(lǐng)域的過去幾十年時間里，開發(fā)出了許多可共存的通信系統(tǒng)，包括多波段或小型化天線設(shè)計的實現(xiàn)、雙模式或多模式的共存問題[4-6]。然而，現(xiàn)階段所考慮的大多是基于戶外的無線通信模式，且其中的干擾信號主要來自另一個通信系統(tǒng)。比如說，在5G通信頻段解決4G頻段的干擾和在4G通信頻段解決3G帶來的干擾問題，這些工作都沒有注意到特定的通信場景——在加速器環(huán)境中，設(shè)備運行中及產(chǎn)生的高密度的輻射噪聲和干擾信號的通信問題。

在本文的工作中，我們研究了上述具體的加速器環(huán)境下核應(yīng)急反應(yīng)的通信問題?？紤]到在無線信號在信息傳播中更容易有效地避免信號失真，因此本文以Wi-Fi（2 401～2 483 MHz）為例，解決了無線通信系統(tǒng)中的信號傳輸問題。

1? 無線通信技術(shù)對比

Wi-Fi是將移動終端設(shè)備或PC終端以無線方式互聯(lián)的技術(shù)，其在加速器環(huán)境下的應(yīng)用優(yōu)勢在于：Wi-Fi通帶分布在2.4 GHz的開放頻段，且不需要許可證;處于4G頻段電磁強(qiáng)度弱，符合核電環(huán)境下的中長距離傳播需求，適合大規(guī)模使用的通信技術(shù);系統(tǒng)開放具有一定的擴(kuò)展性，支持核應(yīng)急通信、無線監(jiān)控等多種業(yè)務(wù)[7-10]。

典型的4G手機(jī)需要支持約40個頻段，其中Wi-Fi 2.4G就是其中非常關(guān)鍵的一個頻段，在有速器環(huán)境中的核應(yīng)急信息管理下Wi-Fi 2.4G信號帶寬80 MHz具有傳播速度快、覆蓋范圍廣的特點[11-15]。如表1所示。

在一個通信系統(tǒng)中，我們需要保留特定頻段內(nèi)的信號，將該頻段以外的信號濾除，從而提高信號的抗干擾性及信噪比。射頻濾波器芯片的作用就是保留Wi-Fi頻段（2 403～2 483 MHz）的信號而過濾掉以外的所有頻段的干擾信息。在整個通信系統(tǒng)中濾波器的作用是必不可少的一環(huán)，如圖1所示，表示為移動終端的通信系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無線信號可以通過基帶芯片發(fā)射經(jīng)接收器進(jìn)入低噪聲放大器再進(jìn)入濾波器，經(jīng)濾波器濾波后的信號再經(jīng)過功率放大器經(jīng)天線發(fā)出。

2? 建模與分析

檢驗加速器環(huán)境下Wi-Fi濾波器芯片是否能起通信穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的能力，主要是通過測試其S參數(shù)來實現(xiàn)的[16-18]。我們設(shè)計了一種兩端口的S_Param模型來測試小信號輸入的線性或者非線性網(wǎng)絡(luò)，選擇100 MHz到6 GHz幾乎涵蓋了現(xiàn)階段所有頻段的信號分布。我們在測試所選用的Wi-Fi射頻濾波器時，其主要目的是為了檢驗是否能過濾掉通帶以外的所有頻段的干擾信號。本文所采用的檢測模型包括經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電纜輸入端、加有EVB板的Wi-Fi濾波器及信號接收裝置，一個理想匹配下的二端口的測試網(wǎng)絡(luò)，如圖2和圖3所示。

針對上圖二端口網(wǎng)絡(luò)，可給出S參數(shù)矩陣方程[19-21]：

（1）

其中ak是端口k上的入射波，bk是端口k上的反射波，一般規(guī)定ak和bk與功率的平方根有關(guān)，因此二者與波電壓有關(guān)，定義如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

插入損耗（Insertion Loss，IL）以及帶外抑制是衡量一個通信系統(tǒng)的濾波器效果的兩個關(guān)鍵指標(biāo)。具有較低的插入損耗代表在濾波器芯片植入移動終端設(shè)備后，該無源器件本身所帶來的信號傳遞的能量干擾小，一般情況下在信號傳輸過程中，輸入信號強(qiáng)度在進(jìn)入移動終端設(shè)備后信號強(qiáng)度難免會有所減小，信號強(qiáng)度每減小3 dB代表功率衰減到二分之一。因此在通信設(shè)備中對濾波器芯片的插入損耗的要求是要小于3 dB才能保證信號的有效傳輸。在隔離干擾信號的具體要求為隔離度大于20 dB，在通帶（2 401～2 483 MHz）以外的所有頻段均被定義外帶外抑制選擇頻道，因此在設(shè)計Wi-Fi濾波器芯片時我們需要考慮到3G、4G、5G現(xiàn)存頻段中所有頻段的抑制情況。如圖4所示，為Wi-Fi濾波器雙端口S參數(shù)的仿真和測試結(jié)果。圖4中S21和S34分別為插入損耗的實驗值和仿真值，如圖5所示，從兩幅圖中可以看出實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致。從實測結(jié)果可以表明，Wi-Fi濾波器具有很好的通帶插入損耗和阻帶抑制特性。測試的通帶2 401～2 483 MHz的插入損耗小于2.5 dB;帶外抑制在相鄰波段B40波段（2 300～2 400 MHz）的衰減大于28 dB、5G頻段B41（2 496～2 690 MHz）處的帶外抑制衰減值大于35 dB，在加速器環(huán)境下考慮所有能覆蓋的干擾信號的頻率分布在最低點的衰減大于25 dB。上述數(shù)據(jù)表明，該Wi-Fi濾波器可以很好地滿足在核應(yīng)急系統(tǒng)中的無線通信的需求。

濾波器在輸入、輸出信號的選頻功能實現(xiàn)時，具有良好的駐波比VSWR（Voltage Standing Wave Ration）代表所設(shè)計的濾波器芯片在Wi-Fi 4G（2 401～2 483 MHz）通帶的饋線和天線端的阻抗達(dá)到完全匹配。當(dāng)VSWR的值接近1時，此時高頻能量將全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗。因此VSWR的值也是濾波器性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)，如圖5（a）和圖5（b）所示，駐波比在兩個端口的反射損耗均接近1.8，可見所設(shè)計的濾波器芯片的性能滿足核應(yīng)急情況下的能量輸出。

我們分別對該濾波器芯片的輸入、輸出端的回波損耗進(jìn)行分析，對回波損耗的分析中利用史密斯圓圖法可以更加直觀地看到濾波器芯片兩端自身由于信號的輸入、輸出過程中端口本身所帶來的雜散波的干擾。如圖6（a）和圖6（b）所示，為回波損耗的實測結(jié)果，實測數(shù)據(jù)顯示在輸入輸出端口的回波損耗在斯密斯原圖的結(jié)果也比較理想。

本文所設(shè)計的Wi-Fi濾波器具有大帶寬、高增益、低插入損耗、高帶外抑制的特點，在核應(yīng)急信息管理中滿足了當(dāng)核事故發(fā)生前、發(fā)生中及發(fā)生后的信息傳遞的及時性及可靠性。在帶寬為80 MHz的大帶寬的情況下，核應(yīng)急發(fā)生時可以通過語音、圖片、視頻等方式實現(xiàn)應(yīng)急信號的快速傳遞，從而有效地避免人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

3? 結(jié)? 論

本文描述了一種可用于加速器環(huán)境下核應(yīng)急信息管理中的抗干擾無線通信技術(shù)的應(yīng)用，并對所設(shè)計無線濾波器的仿真結(jié)果和測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析。全文通過對所設(shè)計的Wi-Fi 4G濾波器在移動終端表現(xiàn)的插入損耗、帶外抑制、駐波比、回波損耗等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的實測結(jié)果，結(jié)果表明這一抗干擾無線通信技術(shù)可以用于復(fù)雜環(huán)境下的加速器系統(tǒng)，并對核應(yīng)急情況下的緊急通信具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋衛(wèi)杰，祁昆，張良.新冠疫情應(yīng)對經(jīng)驗對核應(yīng)急啟示 [J].中國應(yīng)急管理，2021（2）：60-61.

[2] 侯羿，劉冰，劉輝，等.基于無線系統(tǒng)的核應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援體系研究 [J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2021，18（6）：130-134.

[3] 袁鋒.核應(yīng)急管理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研究及應(yīng)用 [J].核標(biāo)準(zhǔn)計量與質(zhì)量，2021（2）：9-14.

[4] WANG C，WANG L，CHEN H，et al.Fault Diagnosis of Train Network Control Management System Based on Dynamic Fault Tree and Bayesian Network [J].IEEE Access，2021，9：2618-2632.

[5] G.O.Young.“Synthetic structure of industrial plastics （Book style with paper title and editor），”in Plastics，2nd ed.vol.3，J. Peters，Ed.New York：McGraw-Hill，1964，pp.15–64.

[6] CHEN W K.Linear networks and systems [M].California：Brooks/Cole Engineering Division，1983.

[7] POOR V H.An Introduction to Signal Detection and Estimation [M].New York：Springer-Verlag，1988.

[8] B. Smith，“An approach to graphs of linear forms （Unpublished work style），” unpublished.

[9] MILLER E H.“A note on reflector arrays （Periodical style—Accepted for publication），” IEEE Trans. Antennas Propagat，to be published.

[10] WANG J.“Fundamentals of erbium-doped fiber amplifiers arrays （Periodical style—Submitted for publication），” IEEE J. Quantum Electron.submitted for publication.

[11] 李勇，蘭林，馬權(quán)，等.核電廠安全級DCS系統(tǒng)信息安全設(shè)計研究 [J].儀器儀表用戶，2020，27（12）：21-25.

[12] 董雷斌.核電廠數(shù)字化儀控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析 [J].光源與照明，2021（4）：84-85.

[13] 李翌陽，張浩.海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計 [J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（23）：94-98.

[14] 張寶珍.核電應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[15] 胡玉杰，王杰，程芳權(quán)，等.一種基于AES和RSA的核應(yīng)急安全數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) [J].核安全，2020，19（4）：71-75.

[16] 韓茜茜，歐毅，李志剛，等.Band 40波段體聲波濾波器的設(shè)計 [J].微納電子技術(shù)，2016，53（7）：444-448.

[17] 王培康.基于S參數(shù)的EMI濾波器研究 [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[18] WANG Q，TAYAMACHI T，KIMURA I，et al.An On-Body Channel Model for UWB Body Area Communications for Various Postures [J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2009，57（4）：991-998.

[19] FORT A，DESSET C，DONCKER P D，et al.An ultra-wideband body area propagation channel Model-from statistics to implementation [J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2006，54（4）：1820-1826.

[20] YAN Z，YANG H，ALOMAINY A，et al.UWB on-body radio channel modeling using Ray theory and subband FDTD method [J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54（4）：1827-1835.

[21] SANI A，ALOMAINY A，PALIKARAS G，et al. Experimental Characterization of UWB On-Body Radio Channel in Indoor Environment Considering Different Antennas [J].Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2010，58（1）：238-241.

作者簡介：朱曉榮（1990—），女，漢族，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：核應(yīng)急工程管理;通訊作者：張文賢（1979—），男，漢族，江蘇蘇州人，副總經(jīng)理，高級工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：環(huán)境工程自動化。