外場條件下機載通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境分析*

韓海艦　李文海

(1.海軍航空工程學院研究生管理大隊　煙臺　264001)(2.海軍航空工程學院科研部ATE研究所　煙臺　264001)

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外場條件下機載通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境分析*

韓海艦1李文海2

(1.海軍航空工程學院研究生管理大隊煙臺264001)(2.海軍航空工程學院科研部ATE研究所煙臺264001)

摘要基于當前遇到的復雜電磁環(huán)境對機載通信系統(tǒng)性能的影響,通過對影響機載通信系統(tǒng)電磁兼容性的主要干擾源及干擾傳播途徑的探討,較為詳細地分析了機載通信系統(tǒng)所面臨的復雜電磁環(huán)境,對于改進機載通信系統(tǒng)的電磁兼容性設計具有一定的指導意義。

關鍵詞機載通信系統(tǒng); 電磁環(huán)境; 電磁干擾; 干擾途徑

Electromagnetic Environment Analysis of Airborne Communications Systems under the Condition of Outdoor Space

HAN Haijian1LI Wenhai2

(1. Graduate Students’ Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001) (2. ATE Research Institute of Research Department, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractConsidering the influence of the complex electromagnetic environment on the airborne communication system, the complex electromagnetic environment of airborne communications systems is analyzed in detail through the electromagnetic interference sources and transmissions. It has certain guiding significance to improve the electromagnetic compatibility design.

Key Wordsairborne communications systems, electromagnetic environment, electromagnetic interference, interference path

Class NumberTM15

1引言

隨著現代信息技術及微電子技術的高速發(fā)展和廣泛應用,大量的、型號不一的通信電子設備或系統(tǒng)以及其它的電子、電氣設備越來越密集,高密度、寬頻譜的電磁信號充滿著整個人類生存空間,從而構成了外場條件下極其復雜的電磁環(huán)境。

對于軍用飛機來講,出于使命任務的需要,在相對狹小的設備艙內,往往安裝了多部不同頻段和功能的電臺,以及雷達、電抗、高度表、慣導等各種機載設備,因此,必然存在著多種導致系統(tǒng)電磁兼容性能惡化的因素,如:有限頻帶內密集的工作頻率;單位體積內較大的電磁功率密度;高低電平器件或裝置的混合使用;多類天線引起的時域和頻域的串擾;設備通過供電系統(tǒng)、接地系統(tǒng)、信號交聯以及空間輻射產生的電磁干擾耦合等。這一切使得機載平臺內的電磁環(huán)境更加惡化,而機載通信系統(tǒng)又屬于高靈敏度設備,致使其更容易受到這些干擾的影響,造成工作性能下降或損壞。

近年來,通過研究發(fā)現機載通信系統(tǒng)空中故障較多,經檢測維修,故障均不能復現。大規(guī)模的論證分析和實驗驗證表明,該類問題的出現主要是由于通信系統(tǒng)工作的電磁環(huán)境惡化所引起的。這些故障的出現嚴重影響了飛機的飛行訓練與安全,有時甚至會造成不堪設想的后果。因此,有必要對外場條件下機載通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境進行分析,進而改進電磁兼容性設計,滿足電磁兼容性指標,達到改善內部環(huán)境、規(guī)避外界干擾,保證通信暢通的目的。

2機載通信系統(tǒng)電磁環(huán)境分析

機載通信系統(tǒng)從設計、開發(fā)、生產、使用和維護的整個生命周期將面臨復雜多樣的電磁環(huán)境。電磁環(huán)境[1～2]是指設備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)在執(zhí)行規(guī)定任務時,可能遇到的輻射或傳導發(fā)射電平在不同頻率范圍內功率和時間上的分布。電磁環(huán)境是提出和確定設備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)電磁兼容性要求的依據。電磁環(huán)境往往是由大量的、不同特性的干擾源產生的。因此,要想搞清機載通信系統(tǒng)所面臨的電磁環(huán)境,就必須對可能影響其通信效能發(fā)揮的干擾源及其傳播途徑進行詳細的分析。

2.1干擾源

飛機所處的電磁環(huán)境主要取決于外部空間的電磁環(huán)境和機內設備所形成的機內電磁環(huán)境[3],因此,可以將可能影響機載通信系統(tǒng)的干擾源分為平臺內的干擾源和平臺外的干擾源兩大類。

2.1.1平臺內主要干擾源分析

機載平臺內的干擾主要是平臺內的設備所產生,可以歸類為以下幾個方面:

1) 無線電設備干擾

除了通信系統(tǒng)外,飛機上大都還安裝了雷達、慣導、電抗、高度表等無線電設備,數量和種類多,頻譜覆蓋范圍廣,信號復雜多樣且強度差別大。無線電干擾信號[4]會通過直接耦合或間接耦合的方式進入接收設備或系統(tǒng),對無線電通信所需接收信號的接收產生影響,導致性能下降,質量惡化,信號碼字誤差或丟失,甚至阻斷通信的進行。對于機載通信系統(tǒng)而言,存在的主要干擾類型有:同頻干擾、鄰頻干擾、互調干擾等。

2) 脈沖數字電路和開關電路干擾[5～6]

隨著大量先進電子設備和高性能計算機等機載設備的不斷增多,大量設備采用數字電路且工作于開關狀態(tài),由于數字脈沖電流和電壓波形的上升沿很陡,其中包含著豐富的高次諧波分量,它們不僅傳導進入電源線中,而且還向周圍空間輻射,這是一種頻譜較寬的干擾源。另外,機載計算機中的時鐘振蕩器、數據總線以及各種門電路、觸發(fā)器等都會產生輻射干擾。

機載設備中還有一種工作于“通—斷”狀態(tài)的開關電路,如電源調壓器、逆變器等。由于開關變換使電流急劇變化,產生頻譜較寬的干擾,其幅度和頻譜隨著開關電流和電壓的變化頻率升高而增大。

3) 帶有控制開關的電感性電氣設備干擾[5～6]

在飛機上存在著許多電感性的電氣元件,如風扇電機、液壓電泵、舵面和副翼操縱的電動舵機、起落架收放驅動電機等,它們都是含有鐵芯線圈的電感性負載,當采用開關按鈕或繼電器觸點來控制通/斷轉換時,就會在電路中產生前沿很陡的瞬變電壓干擾,一般上升時間在微秒至納秒之間,電壓峰值可達到600V,持續(xù)時間長達1ms,振蕩頻率為1MHz～10MHz。

發(fā)動機點火系統(tǒng)也是一個阻尼振蕩瞬變電壓干擾源,火花放電器的電流峰值高達幾千安,振蕩頻率為20kHz～1MHz,連同其諧波分量,干擾頻譜可延伸到幾百兆赫。

4) 設備線纜間干擾

機載平臺內部系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內設備之間都需要使用電纜進行互連,互連電纜有時多達上千條,有資料表明,一架“臺風”戰(zhàn)斗機的電纜總長度為30km,而一架波音747大型客機的電纜總長度達到274km。隨著傳輸信號頻率的提高和電源設備功率的增加,在機載平臺狹小的空間內電纜線束造成的電磁干擾問題變得更加突出,具體表現在以下幾個方面[7]:

(1)機內電氣電子設備產生的有意或無意的電磁干擾會通過互連線纜直接侵入敏感設備,或者通過耦合進入控制線和信號線,如果耦合干擾電壓幅值過大或持續(xù)時間過長,則會對飛機內設備的正常工作產生影響。

(2)對于特定頻段的電磁波,互連線纜可以看作效率很高的接收天線,空間的電磁干擾通過電纜接收,進入敏感設備,對有用信號造成干擾。

(3)同理,互連電纜也可以成為效率很高的輻射天線,尤其是飛機內部分電纜傳輸的信號功率大、頻率高,電纜產生的電磁輻射可能對相鄰設備產生影響。

(4)電纜線束作為電氣電子設備的互連媒介,當設備被屏蔽起來后,電纜是導致設備或系統(tǒng)不能滿足有關電磁干擾限值要求的主要原因。

2.1.2外場空間主要干擾源分析

1) 典型飛行環(huán)境下無線電設施的射頻干擾

飛機在進行正常的飛行訓練和執(zhí)行任務的過程中,或在未來的信息化戰(zhàn)場上將會經歷各種各樣的復雜電磁環(huán)境,勢必會受到各種各樣的電磁干擾。對于機載通信系統(tǒng)來說,航空地面(艦載)設備、機場無線電設施以及其它飛機、艦船無線電設備都可能對飛機輻射電磁波,從而構成對機載通信系統(tǒng)的干擾。此外,地面廣播電視的高頻、甚高頻發(fā)射以及地面高壓輸電線的電場和瞬態(tài)短路引起的電磁發(fā)射都會成為機載通信系統(tǒng)外部空間的主要干擾源。

2) 靜電和雷電干擾

在飛機處于高速飛行狀態(tài)時,飛機外殼金屬蒙皮會和大氣中的云層、灰塵、水滴、雪或冰晶等之間相互摩擦,進而會在機身表面積累大量靜電。隨著靜電電荷的不斷積累,機體表面和周圍大氣之間的電壓會逐漸升高,當達到一定程度時,大氣被擊穿,形成一種電暈放電。這種放電會對無線電接收機形成寬帶噪聲干擾,從而影響接收機對于有用信號的接收能力,對于電臺典型的現象是耳機中出現比較強的噪聲[8]。雷電干擾主要是由夏季本地雷電和冬季熱帶地區(qū)雷電放電所產生。地球上平均每秒鐘發(fā)生100次左右的雷擊放電。雷電是一連串的干擾脈沖,其電磁發(fā)射借助電離層的傳輸可傳播到幾千公里以外的地方。雷電干擾的頻譜在50MHz以下都有分布,主要能量分布在100kHz左右,對地球上20MHz以下的無線電通信影響較大。

3) 太陽和宇宙噪聲干擾

宇宙干擾是來自太陽系、銀河系及河外星系的電磁騷擾,主要包括太空背景噪聲和太陽、月亮、木星等發(fā)射的無線電噪聲。太陽噪聲則隨著太陽的活動性明顯變化,太陽活動高年無線電噪聲顯著增加。太陽的干擾頻率從10MHz到幾十GHz。銀河系的干擾峰值出現在頻段100MHz～200MHz。宇宙干擾影響最大的頻段是20MHz～500MHz。太陽和宇宙空間輻射的干擾噪聲對機載通信系統(tǒng)具有明顯的影響,特別是在接收機天線方向圖主瓣正對準太陽的情況下干擾尤為嚴重。

4) 敵方電子對抗設備的干擾

在現代信息化戰(zhàn)爭中,掌握“制電磁權”就等于掌握了贏得戰(zhàn)爭的主動權,因此,近些年來電子對抗技術在軍事裝備領域的運用越來越得到重視和加強,高功率微波武器等定向能武器和電磁脈沖彈以及超寬帶、強電磁輻射干擾機等不斷出現,為了達到截斷我方通信或對我方機群進行打擊,掌握戰(zhàn)爭主動權的目的,敵方常常會施放電子對抗設備進行干擾。對于機載通信系統(tǒng)來說,此類干擾會嚴重影響平臺間的溝通互聯以及任務指令的上傳下達,甚至會阻斷通信的進行,造成嚴重的后果。

表1總結列出了機載通信系統(tǒng)所會面臨的主要干擾源的分類及干擾源名稱。

表1　主要干擾源分類及名稱

2.2干擾途徑

電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的傳輸和傳輸途徑[9],一般認為電磁干擾的傳輸途徑有兩種形式:傳導和輻射。因此,從以上對主要干擾源的分析來看,主要干擾耦合形式有: 1) 傳導耦合方式; 2) 高頻耦合方式; 3) 輻射耦合方式。

2.2.1傳導耦合

傳導[10]是干擾源與敏感設備之間的主要干擾耦合途徑之一。傳導干擾主要通過電源線、信號線、互聯線、接地導體等進行耦合。在音頻和低頻時,由于電源線、接地導體、電纜的屏蔽層等呈現低阻抗,因此電流進入這些導體時易于傳播,當傳導到敏感系統(tǒng)時,就造成了傳導干擾。一般有兩種屬性的傳導耦合:電容性耦合和電感性耦合。

1) 電容性耦合。當傳輸線之間存在寄生電容時,傳輸線中的能量可以發(fā)生耦合,此時就產生電容性耦合。在機載通信系統(tǒng)中發(fā)生電容性耦合的主要形式有:(1)平行電力傳輸線;(2)同軸電纜;(3)分組平行傳輸線;(4)長導線與同軸線或機殼。當對傳輸線進行屏蔽接地處理后,可以極大地減小耦合電容,降低電容性耦合干擾。

2) 電感性耦合。電感性耦合是由傳輸線上的電流變化導致的磁場變化,進而影響其他傳輸線產生感應電動勢,此時傳輸線的信號就耦合到了其他傳輸線或導體。在機載通信系統(tǒng)中,發(fā)生電感性耦合的主要形式是傳輸電力線和信號線對設備機殼的耦合。當采用屏蔽體阻止電感性耦合干擾時,需要根據屏蔽材料的截止頻率與傳輸信號頻率的值選擇不同的接地方式。當傳輸信號的頻率大于五倍的屏蔽材料截止頻率時,采用屏蔽體兩端接地方式;否則,采取屏蔽體一端接地,一端連接負載方式。

3) 電容、電感綜合耦合。在實際應用環(huán)境中,電容和電感耦合是同時存在的,可以通過分離分析后再綜合計算耦合干擾,此時需要考慮導體的長度和截面積,在機載通信系統(tǒng)中,綜合耦合干擾的形式與電容耦合形式是一樣的。綜合考慮耦合后,在干擾源的近端,電容性耦合與電感性耦合干擾電壓是疊加的,干擾源的遠端,總干擾電壓等于電容性耦合電壓減去電感性耦合電壓。

2.2.2高頻耦合

前面所述的傳導耦合屬于低頻情況下的耦合,即導線長度遠小于波長的情況。而在高頻時,導體本身的電容和電感就不能忽視,此時,電抗隨頻率發(fā)生變化,感抗隨頻率增加而增加,容抗隨頻率增加而減小。

在無線電頻率范圍內,許多系統(tǒng)中的駐波現象均有明顯的干擾耦合作用。當傳輸導線長度等于或大于1/4波長時,對于電路的分析需要使用參數電路理論,求解線上的電流波與電壓波來計算傳輸線間的干擾耦合。

2.2.3輻射耦合

輻射傳輸是通過介質以電磁波的形式傳播,干擾能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。常見的輻射耦合有三種: 1) 甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接收,稱為天線對天線的耦合; 2) 空間電磁場經導線感應而耦合,稱為場對線的耦合; 3) 兩根平行導線之間的高頻信號感應,稱為線對線的感應耦合。

輻射耦合干擾的傳輸路徑可以從無限小到無限大,在近距離時可以看作是近場耦合模式,此時的阻抗為虛數,電場和磁場相位相差90°,并且存在能量交換。當距離較遠時可以看作遠場耦合模式,電場和磁場在空間上相互垂直,且在同一平面上,在時間上同相位,耦合的能量隨著距離的增加而減小。

在實際的機載通信系統(tǒng)中,設備之間發(fā)生干擾通常包含著多種途徑的耦合。正是因為多種途徑的耦合同時存在,反復交叉耦合,共同產生干擾,才使得電磁干擾變得難以控制。

3結語

機載通信系統(tǒng)作為現代飛機航空電子系統(tǒng)的重要組成部分,其所面臨的電磁環(huán)境不斷惡化,尤其是在未來高技術戰(zhàn)場條件下電磁環(huán)境將更加復雜多變,將嚴重影響其通信效能的發(fā)揮。因此,本文較為詳細地對機載通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境進行了分析,希望以此作為對機載通信系統(tǒng)電磁兼容研究和設計的參考依據。

參 考 文 獻

[1] 王天順,雷虹.飛機電磁兼容性分析[J].飛機設計,2003(12):39-44.

[2] 鐘科.復雜電磁場對機載設備的干擾研究[D].西安:西安電子科技大學碩士學位論文,2012.

[3] 王天順.電磁環(huán)境研究[J].飛機設計,2000(2):37-43.

[4] 劉付星.機載VHF通信系統(tǒng)干擾研究[D].廣州:華南理工大學專業(yè)學位碩士學位論文,2010.

[5] 盧志富,王靖.飛機系統(tǒng)內的干擾源及干擾防止方法[J].電子科技,2006(9):76-78.

[6] 田建學,魏俊淦,趙波.機載設備電磁兼容設計與實施[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[7] 寇明延,趙然.現代航空通信技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[8] 陳晉吉.飛機電磁兼容預測仿真研究[D].西安:西安電子科技大學學位論文,2013.

[9] 王明皓.飛機電磁環(huán)境效應的特性及控制[J].航空科學技術,2013(3):1-6.

[10] 何宏.電磁兼容原理與技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.

中圖分類號TM15

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.039

作者簡介:韓海艦,男,碩士研究生,研究方向:電磁兼容測試。李文海,男,教授,研究方向:自動測試系統(tǒng)。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月19日