抗干擾無線通信技術在核應急信息管理中的應用

朱曉榮 張文賢 汪建業

摘? 要：Wi-Fi（2 401～2 483 MHz）濾波器在移動通信中具有廣泛的應用，文章描述了在加速器環境下的核應急信息管理中抗干擾無線通信技術的性能指標。經過仿真及測試結果的分析表明，在有加速器環境的核應急情況下Wi-Fi濾波器可以滿足無線通信的暢通。測試結果表明該濾波器具有低的通帶插入損耗（小于2.5 dB）、高的帶外抑制（大于30 dB）和較大的帶寬（82 MHz）。

關鍵詞：核應急;濾波器;插入損耗;帶外抑制

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0081-04

Application of Anti-interference Wireless Communication Technology in Nuclear Emergency Information Management

ZHU Xiaorong1，2， ZHANG Wenxian3， WANG Jianye1

（1.Hefei Institutes of Physical Science， Chinese Academy of Sciences， Hefei? 230031， China; 2.University of Science and Technology of China， Hefei? 230026， China; 3.The Fourth Construction Co.， Ltd. of China Electronics System Engineering， Beijing? 100000， China）

Abstract： Wi-Fi （2 401～2 483 MHz） filters are widely used in mobile communications. This paper describes the performance index of anti-interference wireless communication technology in nuclear emergency information management in accelerator environment. The analysis of simulation and test results show that the Wi-Fi filter can meet the smooth of wireless communication in the nuclear emergency with accelerator environment. The test results show that the filter has low pass band insertion loss （less than 2.5 dB）， high out-of-band rejection （greater than 30 dB） and larger bandwidth （82 MHz）.

Keywords： nuclear emergency; filter; insertion loss; out-of-band rejection

0? 引? 言

加速器在核能研究中發揮著重要作用，如輻射醫學物理、神經元物理、輻射屏蔽、高性能材料檢測以及其他核安全技術的應用中。加速器一般工作在超高壓、高功率、強輻射的條件下運行，運行環境中的復雜電磁噪聲和干擾信號會對發生核安全事故時信號傳遞產生極大的干擾從而在一定程度上阻礙核應急方案[1]。往往在核事故發生時，地面及地下的通信系統將受到毀滅性的打擊，容易出現通信癱瘓的現象從而導致預警信號不能有效的傳播給工作人員造成人員傷亡及經濟損失。因此核電站加速器系統中的通信安全問題是核電站正常以及應急工況下通信傳遞的關鍵一環。

由于關系到核安全，核電站以及加速器環境下對通信的穩定性、可靠性要求是極為嚴格的[2，3]。目前國內核電廠的主要通信手段還是采用有線的方式，核設備如：加速器系統的調試、檢修的過程中依舊無法擺脫固定電話電纜的束縛，在一定程度上制約了核電環境下的工作的高效性和及時性。在通信領域的過去幾十年時間里，開發出了許多可共存的通信系統，包括多波段或小型化天線設計的實現、雙模式或多模式的共存問題[4-6]。然而，現階段所考慮的大多是基于戶外的無線通信模式，且其中的干擾信號主要來自另一個通信系統。比如說，在5G通信頻段解決4G頻段的干擾和在4G通信頻段解決3G帶來的干擾問題，這些工作都沒有注意到特定的通信場景——在加速器環境中，設備運行中及產生的高密度的輻射噪聲和干擾信號的通信問題。

在本文的工作中，我們研究了上述具體的加速器環境下核應急反應的通信問題。考慮到在無線信號在信息傳播中更容易有效地避免信號失真，因此本文以Wi-Fi（2 401～2 483 MHz）為例，解決了無線通信系統中的信號傳輸問題。

1? 無線通信技術對比

Wi-Fi是將移動終端設備或PC終端以無線方式互聯的技術，其在加速器環境下的應用優勢在于：Wi-Fi通帶分布在2.4 GHz的開放頻段，且不需要許可證;處于4G頻段電磁強度弱，符合核電環境下的中長距離傳播需求，適合大規模使用的通信技術;系統開放具有一定的擴展性，支持核應急通信、無線監控等多種業務[7-10]。

典型的4G手機需要支持約40個頻段，其中Wi-Fi 2.4G就是其中非常關鍵的一個頻段，在有速器環境中的核應急信息管理下Wi-Fi 2.4G信號帶寬80 MHz具有傳播速度快、覆蓋范圍廣的特點[11-15]。如表1所示。

在一個通信系統中，我們需要保留特定頻段內的信號，將該頻段以外的信號濾除，從而提高信號的抗干擾性及信噪比。射頻濾波器芯片的作用就是保留Wi-Fi頻段（2 403～2 483 MHz）的信號而過濾掉以外的所有頻段的干擾信息。在整個通信系統中濾波器的作用是必不可少的一環，如圖1所示，表示為移動終端的通信系統的內部結構，無線信號可以通過基帶芯片發射經接收器進入低噪聲放大器再進入濾波器，經濾波器濾波后的信號再經過功率放大器經天線發出。

2? 建模與分析

檢驗加速器環境下Wi-Fi濾波器芯片是否能起通信穩定、抗干擾能力強的能力，主要是通過測試其S參數來實現的[16-18]。我們設計了一種兩端口的S_Param模型來測試小信號輸入的線性或者非線性網絡，選擇100 MHz到6 GHz幾乎涵蓋了現階段所有頻段的信號分布。我們在測試所選用的Wi-Fi射頻濾波器時，其主要目的是為了檢驗是否能過濾掉通帶以外的所有頻段的干擾信號。本文所采用的檢測模型包括經矢量網絡分析儀電纜輸入端、加有EVB板的Wi-Fi濾波器及信號接收裝置，一個理想匹配下的二端口的測試網絡，如圖2和圖3所示。

針對上圖二端口網絡，可給出S參數矩陣方程[19-21]：

（1）

其中ak是端口k上的入射波，bk是端口k上的反射波，一般規定ak和bk與功率的平方根有關，因此二者與波電壓有關，定義如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

插入損耗（Insertion Loss，IL）以及帶外抑制是衡量一個通信系統的濾波器效果的兩個關鍵指標。具有較低的插入損耗代表在濾波器芯片植入移動終端設備后，該無源器件本身所帶來的信號傳遞的能量干擾小，一般情況下在信號傳輸過程中，輸入信號強度在進入移動終端設備后信號強度難免會有所減小，信號強度每減小3 dB代表功率衰減到二分之一。因此在通信設備中對濾波器芯片的插入損耗的要求是要小于3 dB才能保證信號的有效傳輸。在隔離干擾信號的具體要求為隔離度大于20 dB，在通帶（2 401～2 483 MHz）以外的所有頻段均被定義外帶外抑制選擇頻道，因此在設計Wi-Fi濾波器芯片時我們需要考慮到3G、4G、5G現存頻段中所有頻段的抑制情況。如圖4所示，為Wi-Fi濾波器雙端口S參數的仿真和測試結果。圖4中S21和S34分別為插入損耗的實驗值和仿真值，如圖5所示，從兩幅圖中可以看出實測結果與仿真結果基本保持一致。從實測結果可以表明，Wi-Fi濾波器具有很好的通帶插入損耗和阻帶抑制特性。測試的通帶2 401～2 483 MHz的插入損耗小于2.5 dB;帶外抑制在相鄰波段B40波段（2 300～2 400 MHz）的衰減大于28 dB、5G頻段B41（2 496～2 690 MHz）處的帶外抑制衰減值大于35 dB，在加速器環境下考慮所有能覆蓋的干擾信號的頻率分布在最低點的衰減大于25 dB。上述數據表明，該Wi-Fi濾波器可以很好地滿足在核應急系統中的無線通信的需求。

濾波器在輸入、輸出信號的選頻功能實現時，具有良好的駐波比VSWR（Voltage Standing Wave Ration）代表所設計的濾波器芯片在Wi-Fi 4G（2 401～2 483 MHz）通帶的饋線和天線端的阻抗達到完全匹配。當VSWR的值接近1時，此時高頻能量將全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗。因此VSWR的值也是濾波器性能的一個關鍵指標，如圖5（a）和圖5（b）所示，駐波比在兩個端口的反射損耗均接近1.8，可見所設計的濾波器芯片的性能滿足核應急情況下的能量輸出。

我們分別對該濾波器芯片的輸入、輸出端的回波損耗進行分析，對回波損耗的分析中利用史密斯圓圖法可以更加直觀地看到濾波器芯片兩端自身由于信號的輸入、輸出過程中端口本身所帶來的雜散波的干擾。如圖6（a）和圖6（b）所示，為回波損耗的實測結果，實測數據顯示在輸入輸出端口的回波損耗在斯密斯原圖的結果也比較理想。

本文所設計的Wi-Fi濾波器具有大帶寬、高增益、低插入損耗、高帶外抑制的特點，在核應急信息管理中滿足了當核事故發生前、發生中及發生后的信息傳遞的及時性及可靠性。在帶寬為80 MHz的大帶寬的情況下，核應急發生時可以通過語音、圖片、視頻等方式實現應急信號的快速傳遞，從而有效地避免人員傷亡和經濟損失。

3? 結? 論

本文描述了一種可用于加速器環境下核應急信息管理中的抗干擾無線通信技術的應用，并對所設計無線濾波器的仿真結果和測試結果進行了對比分析。全文通過對所設計的Wi-Fi 4G濾波器在移動終端表現的插入損耗、帶外抑制、駐波比、回波損耗等關鍵技術參數的實測結果，結果表明這一抗干擾無線通信技術可以用于復雜環境下的加速器系統，并對核應急情況下的緊急通信具有一定的指導意義。

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作者簡介：朱曉榮（1990—），女，漢族，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：核應急工程管理;通訊作者：張文賢（1979—），男，漢族，江蘇蘇州人，副總經理，高級工程師，學士學位，研究方向：環境工程自動化。