機載WIFI信號對DME導航設備電磁干擾研究

（上海工程技術大學航空運輸學院 上海 201620）

無線WIFI接入網絡應用日益廣泛，已成為人們上網的重要途徑之一。然而，大多數航空公司禁止使用手機或開啟WIFI，對乘客帶來諸多不便以及不太好的飛行體驗。通過機載WIFI設備為乘客提供的寬帶上網信息服務，會大大提升乘客的舒適度及服務體驗。然而無線WIFI信號會耦合到機載通信、導航系統的線纜或天線，產生交調、互調等干擾，甚至形成帶外雜散輻射，進而可能會影響機載設備對正常通信導航信號的處理，威脅飛行安全[1－2]。目前大多數航空公司禁止在飛機上使用手機無線電子設備，以保證機載電子設備的正常運行。然而，通過加裝機載WIFI接入系統來為乘客提供飛行中的寬帶上網，是提高乘客飛行體驗的重要需求。迫切的市場需求與實際的安全威脅相矛盾，本文以A320為例，利用CST軟件探討WIFI信號對機載導航系統DME接收天線的干擾問題。

1 電磁干擾概述

無線電通信或導航系統向空間輻射一定頻率的電磁波信號，經過空間傳播后再由相應接收設備通過天線感應接收信號。但對于其他無線電子設備而言便造成了電磁干擾。電磁干擾問題可以總結為三個要素，即電磁干擾源、耦合路徑以及敏感設備。

電磁干擾信號由干擾源傳輸到敏感接收機的耦合路徑主要有輻射和傳導兩種方式。假設干擾信號源的發射信號功率為PT，傳輸路徑的功率損耗為PL，敏感接收機接收的干擾信號功率為PR，則：PR＝PT－PL

為衡量電磁敏感設備是否能夠正常工作，有學者提出采用干擾裕量IM（Interference Margin）作為電磁兼容性的評判標準[3]。該數值可用敏感接收設備接收功率PR與該設備的接收門限值PS的差值來表示：IM＝PT－PL－PS。

通過IM值可以判斷出整個系統的電磁兼容狀態。當IM＞0時，敏感接收機被電磁干擾無法正常工作；當IM≤0時，敏感接收機可以正常工作。IM值越小，無線系統運行就越可靠穩定。

2 飛機電磁干擾分析

飛機上易受電磁干擾的無線電接收設備包括通信、導航和監視系統。其中，機載通信系統主要包括甚高頻通信系統VHF、高頻通信系統HF等，機載導航系統主要有ILS系統、甚高頻全向信標系統VOR、測距機DME等，機載監視系統主要有空中交通管制ATC、自動相關監視系統ADS等。

當無線電子設備的數量較大時，電磁輻射總量將大大增加，不同頻率的電磁信號之間還會存在交調及互調，其中電磁信號間的互調干擾對電子設備的干擾最為嚴重。由于電子元器件器件的非線性特點，多個信號通過天線或線纜耦合進入電子設備后，信號間發生混頻而產生的新頻率的信號，新頻率如果接近接收設備的調制解調頻率時，就有可能被濾波器選通，進而被后續放大電路進一步放大，從而干擾機載設備正常工作。

3 傳輸路徑損耗分析

不同的電磁環境下干擾信號的傳輸路徑多種多樣，針對不同的信號干擾，需要建立不同的數學模型[4]。從電磁干擾三要素的角度分析，通過分析WIFI干擾信號從源端到DME接收端的路徑損耗可以了解該場景下無線信號衰落情況，從而計算出發射功率、接收功率等參數，所以建立傳輸路徑模型的重點是計算IPL。

機艙環境下，IPL是指艙內PED干擾信號與艙外機載設備天線間輻射場耦合的路徑損耗。機艙內常見的干擾信號傳輸途徑是艙內PED干擾源通過艙門縫隙和舷窗耦合到艙外機載設備天線，本文使用高頻仿真軟件CSTMWS計算IPL。

路徑損耗可表示為機載天線接收到的干擾信號功率與PED輻射功率之差[5]：IPL＝PR－PT

4 仿真軟件建模

4．1 仿真環境

本文利用CATIA軟件建立的飛機模型，導入CSTMWS軟件仿真機艙內的WIFI電磁波信號對機載DME設備接收端外部天線的影響。

CSTMWS是采用時域的有限積分算法（Finite Integration Technique，FIT）的高頻三維電磁場仿真軟件，包含時域、頻域以及本征模三個求解器，廣泛應用于無線通信、電磁兼容、諧振腔等領域。

4．2 飛機建模

利用CATIA進行空客A320建模，A320機身長度為 37．57 m，翼展寬度 34．1m，客艙長度 27．74m，寬度3．7m，高2．25m。此外機翼、尾翼、起落架等外部設施對WIFI信號損耗的計算結果影響較小，因此在建立飛機模型時可將這些結構省去以簡化模型，減少了建模時間以及網格劃分的數量。此外，為了便于仿真分析，駕駛艙室在建模過程中也不再考慮，進一步降低建模的復雜度以提高了仿真效率。

4．3 參數設置

CSTMWS是基于時域FIT的電磁仿真軟件，仿真設置時需考慮網格密度與計算精度、計算時間的關系，確保在有限的時間內獲得足夠的計算精度。參考Armstrong早期進行的一項研究[6]，用中心位置安裝有1／4波長單極子天線的金屬圓柱體簡化模型，得出在不同網格設置下E面的歸一化功率密度分布的差異，以檢測不同網格設置對于準確度的影響。網格劃分越密，仿真精度越高，仿真計算時間越長，最終綜合仿真效率與結果精度兩方面，將網格參數設置為10。

機艙通過一個柱狀諧振腔來模擬，諧振結構的仿真計算精度不僅與網格劃分有關，還與其仿真時間步數有關，在 CST中通過 MNP（max number of pulses）選項來改變電磁波衰減精度。選擇建立諧振腔孔縫模型和帶有孔縫的長方體諧振腔模型，通過計算其屏蔽效能來驗證參數[7]，最終確定MNP值為200，計算所花費時長在可接受范圍內。

5 仿真與結果分析

利用一個單極子天線模擬 WIFI無線熱點（Hotspot）的輻射源信號，將WIFI天線設置在機艙頂部不同位置，將DME設備接收天線設置，利用仿真軟件計算WIFI天線與DME天線之間的干擾路徑損耗。

仿真實驗設置WIFI天線分別位于機艙前后不同位置，分析其余DME天線之間干擾路徑損耗的仿真頻譜圖，如圖1和圖2所示。

由圖可以看出，機載WIFI天線與機載導航設備DME天線之間的干擾路徑損耗一般小于80dB，將WIFI天線安裝在機艙內的位置越靠后，則IPL越小，說明WIFI天線與DME天線間的IPL與距離有相關性。

6 結語

本文對機載WIFI與機載DME導航設備之間的電磁干擾進行了分析研究。利用CATIA建立空客A320飛機模型，采用 CST MWS仿真軟件對WIFI天線與機載導航設備DME天線之間的電磁干擾進行仿真，分析WIFI信號對機載導航設備接收端外部天線的影響。

仿真表明，WIFI接入點的位置越靠后，與機載設備接收天線的距離越遠，IPL就越大，機載設備接收到的干擾信號越小；在靠近緊急艙門的窗口，IPL迅速下降；靠近機頭的窗口位置IPL較小，WIFI天線與機載接收天線間的IPL與距離有密切關系。