基于場路協(xié)同仿真的機(jī)載設(shè)備電磁干擾分析

劉 焱 湯海燕 唐 東 王玉慶

(1.北京航空航天大學(xué) 北京 100191;2.空軍93705部隊(duì) 河北遵化 000642)

0 引言

現(xiàn)代飛機(jī)平臺(tái)中，機(jī)載設(shè)備數(shù)量較多，這些設(shè)備在裝機(jī)前能夠獨(dú)立完成所需功能，但放置在一個(gè)飛機(jī)平臺(tái)中，由于潛在的電磁干擾問題，部分設(shè)備可能受到干擾而無法正常工作。因此，解決機(jī)載設(shè)備間的電磁兼容性問題成為飛機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容。在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，需要進(jìn)行仿真分析，預(yù)測設(shè)備是否相互干擾［1－2］。

在飛機(jī)平臺(tái)內(nèi)部，設(shè)備、電纜、天線等構(gòu)成了復(fù)雜的傳導(dǎo)和輻射耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得系統(tǒng)中設(shè)備之間形成了復(fù)雜的場-場和場-路耦合關(guān)系。因此，在進(jìn)行電磁干擾分析時(shí)，需要從電磁場和電路兩方面，對系統(tǒng)進(jìn)行綜合仿真分析［3～5］。

1 場路協(xié)同分析方法

在進(jìn)行設(shè)備的仿真分析時(shí)，當(dāng)發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，需要對信號(hào)的調(diào)制、發(fā)射、接收、解調(diào)的傳輸鏈路進(jìn)行建模。這就需要對發(fā)射設(shè)備的電路模型、發(fā)射天線模型、信道模型、接收天線模型和接收設(shè)備的電路模型分別進(jìn)行建模，即需要對電路-電磁場-電路完整的信號(hào)傳輸鏈路進(jìn)行建模，使仿真分析與設(shè)備的實(shí)際工作情況相符合。發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備耦合情況如圖1所示。

圖1 發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備耦合示意圖

本文采用的場路協(xié)同仿真，將電磁場分析結(jié)果等效到電路中，最后在電路仿真軟件中完成協(xié)同仿真。在“場”的分析中主要對設(shè)備的電磁輻射問題進(jìn)行計(jì)算，如:有限差分法、傳輸線矩陣方法、矩量法和時(shí)域積分方程法等數(shù)值方法?！奥贰钡姆椒ㄖ饕侵笇υO(shè)備的電路進(jìn)行建模，得到電路特性，并將“場”分析中得到的幅頻特性在一定的近似條件下，將設(shè)備間的相互耦合關(guān)系簡化成電路分析中的一個(gè)等效傳輸模塊。場路協(xié)同分析中發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備的等效耦合情況如圖2所示。

圖2 發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備等效耦合示意圖

在圖2中，傳輸模塊等效了發(fā)射天線、空間傳輸和接收天線三部分對信號(hào)的作用。首先，利用FEKO等電磁場仿真軟件對發(fā)射天線、接收天線進(jìn)行仿真建模，得到天線的增益方向圖。并利用ADS中的Matlab程序模塊，將增益方向圖讀入程序。在傳輸模塊的外部輸入兩個(gè)天線的位置以及相應(yīng)的傳輸通道類型。從而計(jì)算出兩個(gè)設(shè)備間的隔離度。將得到的等效傳輸模塊封裝成一個(gè)電路模塊，實(shí)現(xiàn)場路協(xié)同仿真。

具體的隔離度計(jì)算方法為:根據(jù)天線1的位置(X1，Y1，Z1)，天線 2 的位置(X2，Y2，Z2)，由公式(1)和(2)分別計(jì)算出兩個(gè)天線的相應(yīng)方位角和高低角。然后由方向圖讀出天線1在天線2方向上的天線增益G1和天線2在天線1方向上的天線增益G2。并根據(jù)所選信道的類型對天線間的空間衰減L進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而由公式(3)得到設(shè)備間的隔離度，計(jì)算框圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備間隔離度計(jì)算框圖

2 仿真與分析

在某飛機(jī)電磁兼容性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超短波電臺(tái)可能對GPS接收機(jī)產(chǎn)生一定的干擾，致使GPS接收機(jī)產(chǎn)生丟星。超短波電臺(tái)和GPS接收機(jī)分別由天線和電路兩部分組成。當(dāng)要對這個(gè)發(fā)射-接收設(shè)備對進(jìn)行相互干擾情況分析時(shí)，需要分別對兩個(gè)設(shè)備的天線和電路進(jìn)行建模和仿真，并將場仿真結(jié)果等效為一個(gè)電路模塊，代入到電路中進(jìn)行綜合仿真，從而實(shí)現(xiàn)完整分析。下面從電磁場和電路兩部分進(jìn)行介紹。

2.1 場仿真分析

對超短波天線進(jìn)行建模如圖4所示，通過仿真得到超短波天線的裝機(jī)遠(yuǎn)場特性如圖5所示。

對GPS的天線進(jìn)行建模如圖6所示，通過仿真得到GPS天線的裝機(jī)遠(yuǎn)場特性如圖7所示。

圖7 GPS天線裝機(jī)方向圖

如前所述，將超短波電臺(tái)和GPS接收機(jī)的場仿真結(jié)果讀入到Matlab程序中，并構(gòu)成傳輸模塊用于后續(xù)綜合仿真分析。

2.2 路仿真分析

對超短波發(fā)射端的電路進(jìn)行建模如圖8所示。其中，超短波電臺(tái)采用頻率調(diào)制，初始信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后進(jìn)路發(fā)射電路，在發(fā)射電路中進(jìn)行混頻和功率放大。最后的射頻信號(hào)發(fā)射頻率為315MHz，發(fā)射功率為10W。

圖8 超短波發(fā)射端電路模型

對GPS的電路進(jìn)行建模如圖9所示。其中，GPS接收機(jī)采用DBPSK差分相位解調(diào)方式，接收中心頻率為1575MHz，接收靈敏度為－135dBm。接收到的射頻信號(hào)，經(jīng)過下變頻和信號(hào)放大后，解調(diào)出有用信號(hào)。并對比初始信號(hào)和接收的信號(hào)得到信號(hào)的傳輸?shù)恼`碼率。

圖9 GPS接收電路模型

2.3 場路協(xié)同仿真分析

在上述的場仿真和路仿真的基礎(chǔ)上，完成本文提出的場路協(xié)同仿真，對超短波電臺(tái)和GPS接收機(jī)間的干擾問題進(jìn)行分析。構(gòu)成的綜合仿真模型如圖10所示。

在圖10的綜合仿真模型中，由五部分組成，包括:GPS的發(fā)射端、傳輸模塊、GPS的接收端、超短波干擾信號(hào)模塊以及仿真控制器和變量。其中，發(fā)射端和接收端分別對信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制與解調(diào)，并對信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大、濾波處理。傳輸模塊對設(shè)備間的隔離度進(jìn)行計(jì)算，等效兩個(gè)設(shè)備間的相互耦合關(guān)系。在圖10的綜合仿真模型中，將兩個(gè)設(shè)備的天線仿真結(jié)果、傳輸通道模型與設(shè)備的電路模型進(jìn)行綜合分析。實(shí)現(xiàn)設(shè)備間完整鏈路分析，通過接收端的誤碼率大小判斷設(shè)備是否受到干擾，這樣可以使分析模型與實(shí)際更加符合。

圖10 超短波電臺(tái)和GPS接收機(jī)干擾仿真模型

2.4 仿真結(jié)果分析

當(dāng)沒有超短波干擾情況下，GPS接收機(jī)接收的頻譜如圖11所示。

圖11 無干擾時(shí)GPS接收頻譜

當(dāng)超短波的輻射信號(hào)從接收機(jī)前端耦合進(jìn)入GPS接收機(jī)中，GPS接收機(jī)接收的頻譜如圖12所示。超短波的工作頻率為315MHz時(shí)產(chǎn)生的五次諧波為1575MHz，GPS的工作頻率為1575MHz。如圖12接收頻譜圖所示，超短波的五次諧波落入GPS的接收頻帶內(nèi)，對其造成干擾。

圖12 超短波干擾時(shí)GPS接收頻譜

在仿真的300個(gè)點(diǎn)中，當(dāng)無超短波干擾時(shí)，誤碼率為0，如圖13所示的時(shí)域收發(fā)信號(hào)所示;當(dāng)存在超短波干擾時(shí)，誤碼率為0.29，如圖14所示，對GPS的正常工作產(chǎn)生干擾。

3 結(jié)論

通過仿真分析得出超短波的五次諧波將對GPS的正常工作產(chǎn)生影響，因此應(yīng)該在超短波的發(fā)射端對其帶外衰減進(jìn)行更加嚴(yán)格的控制，可以采用添加濾波器將帶外信號(hào)減小，從而避免兩個(gè)設(shè)備不兼容的問題。

對超短波電臺(tái)和GPS接收機(jī)間進(jìn)行場路的綜合仿真分析，仿真結(jié)果顯示在超短波的干擾下GPS接收機(jī)的誤碼率提高，性能降級(jí)。對超短波電臺(tái)與GPS接收機(jī)進(jìn)行仿真分析后，得出的結(jié)果與在實(shí)際全機(jī)試驗(yàn)中的干擾現(xiàn)象相符合。

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