基于場路協同仿真的機載設備電磁干擾分析

劉 焱 湯海燕 唐 東 王玉慶

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

0 引言

現代飛機平臺中，機載設備數量較多，這些設備在裝機前能夠獨立完成所需功能，但放置在一個飛機平臺中，由于潛在的電磁干擾問題，部分設備可能受到干擾而無法正常工作。因此，解決機載設備間的電磁兼容性問題成為飛機平臺設計中的一個重要內容。在飛機設計過程中，需要進行仿真分析，預測設備是否相互干擾［1－2］。

在飛機平臺內部，設備、電纜、天線等構成了復雜的傳導和輻射耦合關聯關系，使得系統中設備之間形成了復雜的場-場和場-路耦合關系。因此，在進行電磁干擾分析時，需要從電磁場和電路兩方面，對系統進行綜合仿真分析［3～5］。

1 場路協同分析方法

在進行設備的仿真分析時，當發射設備和接收設備進行信號傳輸時，需要對信號的調制、發射、接收、解調的傳輸鏈路進行建模。這就需要對發射設備的電路模型、發射天線模型、信道模型、接收天線模型和接收設備的電路模型分別進行建模，即需要對電路-電磁場-電路完整的信號傳輸鏈路進行建模，使仿真分析與設備的實際工作情況相符合。發射設備與接收設備耦合情況如圖1所示。

圖1 發射設備與接收設備耦合示意圖

本文采用的場路協同仿真，將電磁場分析結果等效到電路中，最后在電路仿真軟件中完成協同仿真。在“場”的分析中主要對設備的電磁輻射問題進行計算，如:有限差分法、傳輸線矩陣方法、矩量法和時域積分方程法等數值方法。“路”的方法主要是指對設備的電路進行建模，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，將設備間的相互耦合關系簡化成電路分析中的一個等效傳輸模塊。場路協同分析中發射設備與接收設備的等效耦合情況如圖2所示。

圖2 發射設備與接收設備等效耦合示意圖

在圖2中，傳輸模塊等效了發射天線、空間傳輸和接收天線三部分對信號的作用。首先，利用FEKO等電磁場仿真軟件對發射天線、接收天線進行仿真建模，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天線的位置以及相應的傳輸通道類型。從而計算出兩個設備間的隔離度。將得到的等效傳輸模塊封裝成一個電路模塊，實現場路協同仿真。

具體的隔離度計算方法為:根據天線1的位置(X1，Y1，Z1)，天線 2 的位置(X2，Y2，Z2)，由公式(1)和(2)分別計算出兩個天線的相應方位角和高低角。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。并根據所選信道的類型對天線間的空間衰減L進行計算，進而由公式(3)得到設備間的隔離度，計算框圖如圖3所示。

圖3 設備間隔離度計算框圖

2 仿真與分析

在某飛機電磁兼容性試驗中發現，超短波電臺可能對GPS接收機產生一定的干擾，致使GPS接收機產生丟星。超短波電臺和GPS接收機分別由天線和電路兩部分組成。當要對這個發射-接收設備對進行相互干擾情況分析時，需要分別對兩個設備的天線和電路進行建模和仿真，并將場仿真結果等效為一個電路模塊，代入到電路中進行綜合仿真，從而實現完整分析。下面從電磁場和電路兩部分進行介紹。

2.1 場仿真分析

對超短波天線進行建模如圖4所示，通過仿真得到超短波天線的裝機遠場特性如圖5所示。

對GPS的天線進行建模如圖6所示，通過仿真得到GPS天線的裝機遠場特性如圖7所示。

圖7 GPS天線裝機方向圖

如前所述，將超短波電臺和GPS接收機的場仿真結果讀入到Matlab程序中，并構成傳輸模塊用于后續綜合仿真分析。

2.2 路仿真分析

對超短波發射端的電路進行建模如圖8所示。其中，超短波電臺采用頻率調制，初始信號經過調制后進路發射電路，在發射電路中進行混頻和功率放大。最后的射頻信號發射頻率為315MHz，發射功率為10W。

圖8 超短波發射端電路模型

對GPS的電路進行建模如圖9所示。其中，GPS接收機采用DBPSK差分相位解調方式，接收中心頻率為1575MHz，接收靈敏度為－135dBm。接收到的射頻信號，經過下變頻和信號放大后，解調出有用信號。并對比初始信號和接收的信號得到信號的傳輸的誤碼率。

圖9 GPS接收電路模型

2.3 場路協同仿真分析

在上述的場仿真和路仿真的基礎上，完成本文提出的場路協同仿真，對超短波電臺和GPS接收機間的干擾問題進行分析。構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的發射端、傳輸模塊、GPS的接收端、超短波干擾信號模塊以及仿真控制器和變量。其中，發射端和接收端分別對信號進行幅度調制與解調，并對信號進行相應的放大、濾波處理。傳輸模塊對設備間的隔離度進行計算，等效兩個設備間的相互耦合關系。在圖10的綜合仿真模型中，將兩個設備的天線仿真結果、傳輸通道模型與設備的電路模型進行綜合分析。實現設備間完整鏈路分析，通過接收端的誤碼率大小判斷設備是否受到干擾，這樣可以使分析模型與實際更加符合。

圖10 超短波電臺和GPS接收機干擾仿真模型

2.4 仿真結果分析

當沒有超短波干擾情況下，GPS接收機接收的頻譜如圖11所示。

圖11 無干擾時GPS接收頻譜

當超短波的輻射信號從接收機前端耦合進入GPS接收機中，GPS接收機接收的頻譜如圖12所示。超短波的工作頻率為315MHz時產生的五次諧波為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，對其造成干擾。

圖12 超短波干擾時GPS接收頻譜

在仿真的300個點中，當無超短波干擾時，誤碼率為0，如圖13所示的時域收發信號所示;當存在超短波干擾時，誤碼率為0.29，如圖14所示，對GPS的正常工作產生干擾。

3 結論

通過仿真分析得出超短波的五次諧波將對GPS的正常工作產生影響，因此應該在超短波的發射端對其帶外衰減進行更加嚴格的控制，可以采用添加濾波器將帶外信號減小，從而避免兩個設備不兼容的問題。

對超短波電臺和GPS接收機間進行場路的綜合仿真分析，仿真結果顯示在超短波的干擾下GPS接收機的誤碼率提高，性能降級。對超短波電臺與GPS接收機進行仿真分析后，得出的結果與在實際全機試驗中的干擾現象相符合。

［1］蘇東林，雷軍，王冰切等.系統電磁兼容技術綜述與展望［J］.宇航計測技術，2012，32(4):1－8.

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