基于FEKO的超短波通信對(duì)抗系統(tǒng)電磁兼容性仿真分析

丁亞非，張傳勇，吳微露

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

0 引 言

超短波通信對(duì)抗系統(tǒng)是電子對(duì)抗裝備的主要組成部分，是奪取制電磁權(quán)的重要力量。超短波通信對(duì)抗系統(tǒng)由偵察站、干擾站組成，為了將多個(gè)站連成系統(tǒng)，在偵察站和干擾站中一般配備站間通信設(shè)備。假設(shè)超短波通信干擾站干擾天線采用對(duì)數(shù)周期偶極子天線（LPDA）。該天線是一種性能較好的非頻變天線，具有高增益、寬頻帶、強(qiáng)方向性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)存在發(fā)射功率大、副瓣抑制能力弱的問(wèn)題，對(duì)己方導(dǎo)航、雷達(dá)、制導(dǎo)等設(shè)備會(huì)產(chǎn)生干擾，也會(huì)對(duì)通信對(duì)抗系統(tǒng)內(nèi)的站間通信設(shè)備形成干擾。因此，在運(yùn)用超短波通信對(duì)抗系統(tǒng)時(shí)，除了要考慮偵察站、干擾站與目標(biāo)之間的相對(duì)位置關(guān)系外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)內(nèi)各站之間的電磁兼容問(wèn)題，即研究超短波通信干擾站的干擾發(fā)射對(duì)偵察站中站間通信接收機(jī)的電磁干擾等問(wèn)題。

下面依據(jù)電磁干擾余量方程建立站間電磁兼容最小部署距離模型，采用FEKO軟件仿真了超短波通信干擾系統(tǒng)干擾天線（對(duì)數(shù)周期偶極子天線）的方向特性，仿真分析站間通信設(shè)備不受干擾時(shí)的最小配置距離。

1 站間最小電磁兼容部署距離計(jì)算模型

通信對(duì)抗系統(tǒng)中，被干擾設(shè)備輸入端口的干擾電平Pr（f，t，d，p）的數(shù)學(xué)模型為：

在通信對(duì)抗系統(tǒng)內(nèi)部，干擾與接收（如站間通信設(shè)備的接收機(jī)）間的電磁干擾余量模型［1］為：

式中：I（f，t，d，p）為干擾余量（dB）；Pt（f，t）為干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)在發(fā)射頻率f下的發(fā)射功率（dBm）；Gt（f，t，d，p）為干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的發(fā)射天線在發(fā)射頻率f對(duì)應(yīng)接收天線方向的增益（dB）；L（f，t，d，p）為干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)之間的電波傳播損耗（dB）；Gr（f，t，d，p）為被干擾系統(tǒng)接收機(jī)的接收天線對(duì)應(yīng)發(fā)射天線方向的增益（dB）；Ps（f，t）為被干擾系統(tǒng)的敏感度門(mén)限值（dBm）；CF（Bt，Br，Δf）為計(jì)入發(fā)射機(jī)和接收機(jī)帶寬Bt、Br及發(fā)射機(jī)發(fā)射與接收機(jī)響應(yīng)之間的頻率間隔Δf的校正系數(shù)（dB）。

在發(fā)射機(jī)調(diào)諧且Br＞Bt時(shí)，發(fā)射機(jī)功率完全被接收，不需校正；在發(fā)射機(jī)調(diào)諧且Br＜Bt時(shí)，僅接收 部 分 發(fā) 射 功 率，其 校 正 系 數(shù) 為 CF（Bt，Br，Δf）＝10lg（Br／Bt）；在發(fā)射機(jī)失諧情況下，校正系數(shù)為CF（Bt，Br，Δf）＝20lg（Br／Bt）。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于敏感設(shè)備經(jīng)常受到n個(gè)干擾源的共同作用，則此時(shí)電磁干擾余量模型為：

若I＞0，則表示通信對(duì)抗系統(tǒng)中的干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)存在潛在干擾；

若I＝0，則表示通信對(duì)抗系統(tǒng)中的干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)處在臨界狀態(tài)；

若I＜0，則表示通信對(duì)抗系統(tǒng)中的干擾系統(tǒng)與被干擾系統(tǒng)能兼容工作；

若干擾頻率不在被干擾系統(tǒng)的頻帶內(nèi)，一般認(rèn)為干擾余量I≥60dB時(shí)，存在潛在干擾。

依據(jù)電磁干擾余量模型，要保證站間通信等設(shè)備不受超短波通信干擾站發(fā)射的影響，被干擾接收機(jī)的敏感度門(mén)限值Ps（f，t）應(yīng)滿足：

當(dāng)Ps（f，t）＝Pr（f，t，d，p）時(shí)，表示此時(shí)通信干擾系統(tǒng)發(fā)射的干擾功率剛好達(dá)到接收機(jī)的敏感度閾值，對(duì)應(yīng)的放置距離為電磁兼容最小部署距離rmin，要保證站間通信等設(shè)備不受干擾的影響，則放置距離r應(yīng)滿足：

在超短波頻段，當(dāng)接收天線架高大于10m，電波傳播損耗可用下列egli模型［2］描述：

式中：f為發(fā)射機(jī)工作頻率（MHz）；r為收發(fā)天線間的距離（km）；ht為發(fā)射天線架高（m）；hr為接收天線架高（m）。

電磁兼容最小部署距離rmin可以認(rèn)為是一個(gè)臨界距離，此時(shí)有干擾余量I＝0，依據(jù)電磁干擾余量模型2，這時(shí)的電波傳播損耗L是一個(gè)確定的值：

結(jié)合電波傳播損耗模型，得出電磁兼容最小部署距離rmin計(jì)算公式：

2 對(duì)數(shù)周期偶極子天線結(jié)構(gòu)

對(duì)數(shù)周期偶極子天線結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。它由N根平行排列的對(duì)稱陣子組成，天線用均勻雙線饋電［3］。

圖1 對(duì)數(shù)周期偶極子天線示意圖

所有振子尺寸以及振子之間的距離等都有確定的比例關(guān)系。若用τ來(lái)表示該比例系數(shù)并稱為比例因子，則有：

式中：Ln和an為第n個(gè)對(duì)稱振子的全長(zhǎng)及半徑；Rn為第n個(gè)對(duì)稱振子到天線頂點(diǎn)o的距離；dn為相鄰振子之間的距離；n為對(duì)稱振子的序列編號(hào)，從離開(kāi)饋電點(diǎn)最遠(yuǎn)的振子（即最長(zhǎng)的振子）算起。

3 對(duì)數(shù)周期偶極子天線建模與仿真分析

假定超短波通信干擾系統(tǒng)所用對(duì)數(shù)周期偶極子天線的工作頻率范圍為20～150MHz，采用FEKO軟件建立天線模型并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果可用于通信對(duì)抗系統(tǒng)的電磁兼容性分析。

在遠(yuǎn)場(chǎng)分析中選擇40MHz、60MHz 2個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行仿真，遠(yuǎn)場(chǎng)分析方向圖如圖2所示。

假定超短波通信干擾站的工作頻段為20～150MHz，干擾功率為400W，對(duì)數(shù)周期天線（干擾用）的主瓣增益為6dB，副瓣增益約為0dB，天線零點(diǎn)處的增益約為－10dB（從圖2近似得到），天線架高為10m；站間通信設(shè)備的工作頻段為180～250MHz，通信天線也采用對(duì)數(shù)周期天線，偵察站通信天線方向?qū)χ蓴_站，其主瓣增益為6dB，天線架高為10m。

圖2 對(duì)數(shù)周期偶極子天線遠(yuǎn)場(chǎng)分析方向圖

下面按2種情況進(jìn)行仿真分析：一是假設(shè)干擾天線的某個(gè)副瓣朝向偵察站，得到的仿真結(jié)果如圖3所示；二是假設(shè)干擾天線的某個(gè)零點(diǎn)朝向偵察站，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 仿真結(jié)果1

圖4 仿真結(jié)果2

站間通信設(shè)備接收機(jī)的靈敏度大約為－90～－110dBm［4］，那么，可以設(shè)通信接收機(jī)帶內(nèi)敏感度閾值為－100dBm，帶外敏感度閾值為－40dBm。由于通信干擾站工作頻段與站間通信設(shè)備工作頻段不重合，故通信接收機(jī)采用帶外干擾敏感度閾值。所以，只有當(dāng)通信偵察站中的通信接收機(jī)收到的干擾功率小于－40dBm時(shí)，才能保證超短波通信對(duì)抗系統(tǒng)內(nèi)各站間的電磁兼容。分析圖3和圖4的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)干擾天線的某個(gè)副瓣朝向偵察站時(shí)，從圖3可知，隨著干擾頻率的降低，通信干擾站與偵察站之間的最小電磁兼容配置距離逐漸增大，當(dāng)干擾頻率為20MHz時(shí)，配置距離達(dá)到4.0km。

（2）當(dāng)干擾天線的某個(gè)副瓣朝向偵察站時(shí)，從圖3可知：通信干擾站與偵察站之間的最小電磁兼容配置距離約為4.0km；當(dāng)干擾天線的某個(gè)零點(diǎn)朝向偵察站時(shí)，從圖4可知，通信干擾站與偵察站之間的最小電磁兼容配置距離約為1.2km。綜合起來(lái)看，配置距離應(yīng)大于等于4.0km。

4 結(jié)束語(yǔ)

超短波通信對(duì)抗偵察站和超短波通信對(duì)抗干擾站的配置距離直接影響到超短波通信對(duì)抗系統(tǒng)的電磁兼容性。本文通過(guò)建模仿真的方法分析了超短波通信對(duì)抗系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)題，得出了站間通信設(shè)備不受干擾時(shí)的最小配置距離，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用超短波通信對(duì)抗系統(tǒng)有一定參考意義。下一步需要開(kāi)展的工作是：通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或修正本文仿真所得的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

［1］王定華，趙家升.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，1995.

［2］石昭祥.通信對(duì)抗系統(tǒng)仿真［M］.北京：解放軍出版社，2000.

［3］宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

［4］馮小平，李鵬，楊紹全.通信對(duì)抗原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.