某機載短波電臺干擾無線電高度表的行為級仿真及分析

摘 要:以電磁干擾測試試驗為基礎，利用ADS軟件對高度表接收機系統進行行為級仿真，通過輸出頻譜判斷干擾產生的原因，并采用了在低頻電纜上加裝陣列濾波器的解決方案。通過最終的電磁兼容性測試試驗可以看出，這種分析電磁干擾機理的方法對實際工程問題有很大的參考價值。

關鍵詞:ADS; 高度表; 電磁干擾; 行為級仿真

中圖分類號:TN722.3 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0014-04

Behavioral Simulation and Analysis of Interfering Wireless Altimeter

by Airborne Shortwave Station

LI Shu-hua， GONG Bo， GAO Wei

(NAEI Qingdao Branch， Qingdao 266041， China)

Abstract: A behavioral level simulation of altimeter receiver is made with the advanced design system(ADS) software based on the result of EMI testing. The reason of EMI generation is judged by outputting frequency spetrum and the measure to solve the problem by adding an array filter is performed. The final EMC testing results show that the method to analyse EMI mechanism has a certain reference value for practical engineering projects.

Keywords: ADS; altimeter; EMI; behavioral level simulation

0 引 言

對某飛機平臺加裝新的短波電臺后，出現了電磁干擾問題。具體表現為:在短波電臺發射時，無線電高度表輸出的高度數值發生變化，忽大忽小，嚴重時高度數值直接變為零。由于該高度信息同時還提供給機上其他交聯設備，出現這種干擾會對整機的飛行性能產生嚴重影響，特別是在飛控系統自動工作狀態下，高度信息的錯誤嚴重影響飛行安全。如何有效解決這種在現有飛機平臺上加裝新式機載電子設備所帶來的電磁兼容性問題，已成為機載電子設備研制和裝備過程中一個急需解決的課題。行為級仿真是基于電路部件或子系統頂層特征的提取，無須通過門級原理圖描述電路，而是針對設計目標進行功能描述。仿真設計軟件(Advanced Design System，ADS)安捷倫(Agilent)公司開發的一套功能強大的EDA 軟件，可以模擬整個信號通路，具有強大的行為級仿真功能。通過對高度表接收機系統的諧波平衡仿真，可以清楚地查看輸出功率的頻譜成分，從而為分析電磁干擾形成的機理提供依據。

1 高度表的原理

無線電高度表組成框圖如圖1所示。如圖2中實線非對稱鋸齒波作為調制信號的超高頻調頻信號，從發射組件信號源輸出端，經功率分配器，輸送到發射天線并向地平面方向輻射出去。從地平面反射的超高頻信號輸送到接收天線并經超高頻頻率濾波器、高頻開關提供到混頻器的一個輸入端，同時發射機的部分功率作為本振信號經功率分配器輸送到混頻器的另一個輸入端。在混頻器中，反射信號和本振信號混頻后輸出差頻信號。差頻ΔF的大小與電波在空間通過的時間τ和調制參數有關，只要測得差頻ΔF就可以知道飛機的即時高度。

圖1 無線電高度表組成框圖

差頻ΔF的大小與電波在空間通過的時間τ和調制參數有關，它們之間的關系為:

ΔF=Δfτ/T(1)

這里

τ=2(HS+HJ)/C(2)

式中:HS為剩余高度，單位:m;HJ為即時高度，單位:m;C為無線電波傳播速度，單位:m/s;Δf為頻率調制信號頻偏，單位:Hz;T為調制信號的工作行程持續時間，單位:s。

圖2 調制頻率為非對稱鋸齒波規律時的拍頻頻率圖

2 短波電臺對低頻電纜的輻射耦合干擾

通過一系列電磁干擾狀態試驗分析可以得出，短波電臺對高度表的干擾可歸為兩個途徑:一是通過低頻電纜進入收發機;二是通過接收天線和高頻饋線進入收發機。通過電磁敏感度試驗，可以確定主要的干擾途徑是低頻電纜。

首先對短波電臺中低頻電纜的輻射耦合干擾值進行計算。

短波電臺天線指安裝在飛機尾部的長度為l=1.1 m的垂直天線，到無線電高度表的距離r=1 m。短波電臺通信頻率設為16 MHz，功率為100 W，天線輸入端電流I0=1.4 A。

經計算，在λl時，近場區和遠場區的分界距離D1=λ/2π≈4.78 m，近場感應區和近場輻射區的分界距離D2=2π/λ≈0.21 m，即低頻電纜所在位置為短波電臺天線的近場輻射區。在這個區域，隨著距離的增加儲能迅速衰減，輻射功率密度按角度方向的分布隨著輻射源距離的變化而變化。在近場區中可不考慮垂直天線輻射的方向性，且電場的幅度遠比磁場幅度大，故只考慮電場輻射影響[1]。因此短波電臺天線1 m距離處的輻射場強應為[2]:

E=kη4πrI0le=(2π/λ)η4πrI0λ2π

=42 V/m≈152 dBμV/m(3)

飛機蒙皮的場強衰減修正值M≈50 dB，低頻電纜耦合衰減修正值N≈20 dB。將低頻電纜作為接收天線，飛機蒙皮衰減量M和電纜耦合衰減量N作為接收天線的校準系數，則在短波電臺輻射場強干擾下產生的耦合電壓約為82 dBμV。在阻抗為50 Ω的情況下，考慮到dBm和dBμV的換算關系[3]，有:

PdBm=UdBμV-107(4)

則低頻電纜中的等效耦合功率約為-25 dBm。

3 高度表接收機系統的仿真

通過電磁干擾狀態試驗可以得知，只要短波電臺通電工作，在整個頻帶范圍2～30 MHz內均會對無線電高度表產生干擾。因此仿真時設定了電臺中心頻率16 MHz，采用上邊帶工作方式發射，并選定通頻帶范圍內與中心頻率間隔1 100 Hz，1 200 Hz和1 300 Hz的三個頻點(16 MHz+1 100 Hz，16 MHz+1 200 Hz，16 MHz+1 300 Hz)，等效耦合功率均為-25 dBm。

3.1 接收機頻帶選擇性仿真

在進行高度表接收機系統仿真之前，首先需要對接收機的頻帶選擇性進行仿真，實質上是對低頻放大器部件的頻帶選擇性進行仿真。低頻放大器部件的功能主要是放大拍頻信號達到對拍頻穩定電路正常工作所需要的數值，所包含器件的組成框圖如圖3所示。

圖3 低頻放大器部件組成框圖

在ADS中建立仿真原理圖如圖4所示。

圖4 頻帶選擇性仿真原理圖

從圖5的仿真結果可以看出，接收機在頻帶選擇中心頻率處的最大增益大約是59 dB，這是由于考慮到了帶通濾波器的插入損耗以及波紋、放大器的噪聲等影響后的結果;-3 dB通頻帶略小于12 kHz，由于一般接收到的信息集中在離中心頻率10 kHz的范圍內，因此不會導致產生較大的失真。總之，對接收機頻帶選擇性仿真符合設備的基本特性。

3.2 高度表接收機系統ADS仿真

無線電高度表接收機模型的參數如下:

(1) 工作頻率范圍是:4.2～4.4 GHz，仿真選定4.3 GHz;

(2) 發射機輸出功率:大于等于80 mW，仿真選定100 mW(20 dBm);

(3) 拍頻頻率:30 kHz;

(4) 波阻抗:50 Ω;

(5) 抑制寄生調制幅度:大于等于28 dBm;

在ADS中建立無線電高度表接收機的行為級仿真模型，將由低頻電纜進入的16 MHz+1 100 Hz，16 MHz+1 200 Hz，16 MHz+1 300 Hz三個頻點干擾信號加入混頻器中，如圖6所示。

圖5 接收機頻帶選擇部分S(2，1)參數

圖6 接收機系統的行為級原理圖

仿真后的結果如圖7所示。

圖7 低頻放大電路輸出差頻的仿真頻譜圖

如圖7的仿真結果可以看出，輸出的差頻信號在受到短波電臺通過低頻電纜耦合進入混頻器的干擾后，完全湮沒在進入鑒頻器部件的信號頻率之中。如果沒有短波電臺的干擾，當飛機高度發生變化，低頻放大電路輸出的差頻信號應該是ΔF+ΔF′，在鑒頻器部件中將ΔF′轉變成穩定的控制電壓，進入調制器部件控制調制信號的工作行程持續時間T變化，使得ΔF′歸零，從而通過計算調制信號的工作行程持續時間T來計算飛機高度。如果出現圖7的仿真情況，那么進入鑒頻器電路的差頻信號頻率不惟一，鑒頻器輸出的控制電壓也不是穩定的，而是正負相交的瞬態電壓，控制調制器部件中工作行程持續時間T的變化也是不穩定的，而且經高度計算電路部件計算的高度也是變化的，在表頭上的指示則是高度指針產生擺動。

如果干擾信號進入混頻器后，導致進入低頻放大電路的拍頻信號太小，即使經過放大后依然達不到鑒頻器電路所能識別的最小電壓值，此時相當于拍頻信號為零。由式(1)和式(2)可知，在拍頻信號為零時，高度表指示器指在零刻度。

3.3 低頻電纜濾波器的仿真

在進行電磁干擾試驗測試時，分析得出通過低頻電纜進入收發機內部的干擾信息不僅僅進入混頻器，同時也通過串擾等方式進入了調制器部件、高度計算電路部件和一次有效指令部件等，它們對這些部件的正常工作都有一定的影響，故采用濾波措施消除干擾時，選擇了在收發機外部的低頻電纜上進行。

低頻電纜中主要是電源和高度信息的傳輸，這些信號近似于直流傳輸。短波電臺對低頻電纜輻射干擾頻率在2～30 MHz，故采用低通濾波器可以濾除干擾信號。

利用ADS軟件自帶的DesignGuide濾波器設計工具，可以非常方便地設計出滿足要求的濾波器。將設計好的低通濾波器加入高度表接收機的ADS電路圖進行仿真，以觀察此時的低頻放大器部件頻譜圖輸出。通過改變低通濾波器的指標參數來改變低通濾波器的濾波特性，直到得出符合要求的高度表接收機低頻放大器部件的頻譜輸出。

利用ADS軟件中的S參數仿真控制器對所設計的低通濾波器進行仿真，仿真電路圖如圖8所示，生成的S(2，1)參數曲線圖如圖9所示。將設計好的低通濾波器加入到高度表接收機的ADS仿真電路圖中進行仿真，低頻放大器部件頻譜圖輸出圖如圖10所示。

圖8 低通濾波器S參數仿真電路圖

圖9 低通濾波器S(2，1)參數曲線

圖10 加濾波器的的仿真頻譜圖

通過圖10可以看出，加入低通濾波器后低頻放大器部件輸出的差頻信號受干擾信號影響可以忽略不計。這樣差頻信號進入鑒頻器可以輸出正常的控制電壓，從而顯示出正確的高度信息。

4 電磁兼容改進措施及測試試驗

由于低頻電纜中線纜比較多，采用了在電纜連接處加裝陣列濾波器的濾波方案。在低通濾波器ADS仿真原理圖中進入所設計濾波器的子電路，可以發現所設計的低通濾波器實質為電容值為3 239 pF的C型濾波器，通過查閱標準電容濾波器產品表，最終的陣列濾波器選用了電容值為2 500 pF的C型濾波器。

按某型飛機維護規程要求對未采取電磁兼容改進的高度表和采用濾波器進行電磁兼容改進的高度表進行測試，結果表明采用濾波電連接器措施后，符合高度表輸出高度電壓精度要求。

5 結 語

隨著電子、電氣、計算機、通訊技術的迅猛發展，機載電子系統大量采用了以微處理器為核心的自動化和數字化技術。在現有飛機平臺上加裝新型機載電子設備必然會成為快速提高飛機性能的一種途徑，但加裝后整機設備能否與原機設備相互電磁兼容，是一個不得不面對的問題。利用ADS軟件對高度表接收機系統建立行為級仿真模型，通過輸出的頻譜來判斷干擾產生的原因，避免了對具體電路作大量冗長無效的分析。這種查找電磁干擾原因和分析干擾機理的方法，可以在其他平臺加改裝電子設備時的電磁兼容分析時借鑒。

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