劉滿堂 ,彭 笠

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)頻譜分布寬,輻射功率大;航空平臺電磁頻譜空間、時間分布變化劇烈,電磁環(huán)境愈加惡劣;電磁干擾(EMI)破壞了背景噪聲占優(yōu)的分布特征,諸多因素使航空電子系統(tǒng)試飛設計、實施更困難。傳統(tǒng)的基于背景噪聲估計方法已經(jīng)不能適應航空通信系統(tǒng)試飛設計,所以,開展試飛過程中的系統(tǒng)EMC預測、評估既是航空電子系統(tǒng)試飛考核的需要,也是試飛成功的技術基礎。

1 試飛中為何要進行EMC評估

航空通信系統(tǒng)以實現(xiàn)地面通信站、海上艦船、空中目標飛機之間信息傳遞為目的,而EMC是航空電子系統(tǒng)效能發(fā)揮的基礎,它代表系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境與其他系統(tǒng)兼容工作的能力。EMC預測、評估和航空電子系統(tǒng)試飛之間有如下關系:

(1)EMC是航空電子系統(tǒng)的主要性能,需要通過試飛進行驗證;

(2)試飛過程中能夠有效暴露系統(tǒng)電磁兼容過/欠設計,為系統(tǒng)優(yōu)化設計提供依據(jù);

(3)航空通信系統(tǒng)電磁耦合方式具有復雜性特征,例如航空電子系統(tǒng)設備之間公共阻抗的傳導作用、電磁場與線纜耦合、天線之間耦合等試飛中可能導致EMI問題[1],而EMI產(chǎn)生可能與EMC性能相關,所以,解決EMI問題需要進行EMC分析評估;

(4)試飛過程中EMC分析評估是復雜電磁環(huán)境條件試飛成功的關鍵,是進行試飛數(shù)據(jù)相容性分析的基礎。

2 基于電磁拓撲的EMC預測評估

2.1 評估模型

航空通信系統(tǒng)通信效能與協(xié)同對象——地面通信站、海上艦船、空中目標飛機性能相關,所以,航空通信系統(tǒng)EMC仿真預測需要構建相對較復雜的跨系統(tǒng)仿真模型和與系統(tǒng)模型相適應的仿真環(huán)境。仿真環(huán)境需具有干擾環(huán)境模擬功能、空域電磁環(huán)境模擬功能、通信系統(tǒng)電磁交互關系模擬功能等。

2.2 評估準則

影響航空通信系統(tǒng)EMC的因素多,電磁耦合途徑復雜,開展航空電子系統(tǒng)EMC評估,準則選擇非常重要。假設構建EMC仿真模型時已經(jīng)采取了多種優(yōu)化方法,但仿真模型與實裝系統(tǒng)技術狀態(tài)還有差異。安全裕度是評定系統(tǒng)EMC的重要指標,它表征系統(tǒng)電磁兼容性的安全程度,關鍵節(jié)點處環(huán)境電平低于敏感度閾值程度,所以,安全裕度可以作為航空通信系統(tǒng)試飛過程中EMC預測仿真準則使用。

系統(tǒng)電磁兼容安全裕度分析模型如下:

式中,JIM為干擾余量(單位dB),Pt為干擾源的發(fā)射功率(單位dBW),Gt為干擾源發(fā)射天線的增益(單位dB),L為干擾源與敏感設備間傳播損耗(單位dB),Gr為敏感設備接收天線的增益(單位dB),Pr為敏感設備的敏感度門限(單位dBW)。

JIM>0 dB,表示敏感設備處的干擾信號電平超過了敏感度門限,存在EMI,系統(tǒng)不能兼容工作;JIM<0 dB,表示敏感設備處的干擾信號電平小于敏感度門限,不存在EMI,系統(tǒng)能兼容工作。

電磁安全系數(shù)

電磁安全系數(shù)愈大,電磁兼容性安全裕度也就越大,系統(tǒng)電磁兼容性能越好。電磁安全裕度可表示為

系統(tǒng)電磁安全裕度取值范圍為6～10 dB。綜上所述,航空通信系統(tǒng)EMC評估準則是:系統(tǒng)干擾余量小于零,電磁安全裕度值優(yōu)于6 dB時,表示系統(tǒng)能夠兼容工作,試飛試驗能夠?qū)嵤?否則,天線間耦合等將導致EMI問題出現(xiàn),影響通信性能。其表達式為

由于現(xiàn)在航空平臺電磁環(huán)境非常惡劣,6 dB的電磁安全裕度已經(jīng)顯得不太充足,在系統(tǒng)設計時,電磁安全裕度取10 dB為佳。

2.3 電磁拓撲結(jié)構

為解決復雜系統(tǒng)EMC問題,美國空軍研究實驗室的Carl E.Baum教授于20世紀70年代提出了電磁拓撲(EMT)理論[2-4],其核心是通過建立系統(tǒng)各空間體積電磁作用的EMT模型,獲得用傳輸函數(shù)描述系統(tǒng)電磁作用的相互關聯(lián)圖,以實現(xiàn)解決復雜系統(tǒng)EMI問題之目的[5]。

電磁拓撲理論方法將研究空間分解成不同大小的區(qū)域,不同區(qū)域之間通過拓撲結(jié)構相聯(lián)系,分別研究各子空間后再進行綜合,從而把復雜的電磁耦合問題分解成相對獨立的簡單問題來解決[6]。

時空全域性、復雜多樣性是現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)所處電磁環(huán)境的典型表現(xiàn)形式[7]。通信系統(tǒng)屬于電磁敏感系統(tǒng),其效能發(fā)揮與電磁環(huán)境密切相關,構建正確的航空通信系統(tǒng)拓撲關系的關鍵是確定系統(tǒng)外部電磁環(huán)境交互節(jié)點。任意外部電磁能量干擾系統(tǒng)內(nèi)部設備,只能通過系統(tǒng)潛在的電磁泄漏,包括孔縫、非理想屏蔽材料、電纜直接電磁能量注入等才能實現(xiàn),上述泄漏需要定義不同的傳輸函數(shù)來描述。典型航空通信系統(tǒng)與外部設備連接關系如圖1所示。

圖1 典型航空通信系統(tǒng)外部連接關系Fig.1 Typical exterior connection relationship of avionic communication system

在航空通信系統(tǒng)試飛過程中,除進行系統(tǒng)EMC試飛驗證科目外,當出現(xiàn)試飛數(shù)據(jù)不相容(試飛數(shù)據(jù)變化超出預期范圍),或系統(tǒng)功能性能不達標情況時,也需要預測評估EMC對系統(tǒng)功能性能影響程度,分析數(shù)據(jù)不相容的原因,從而準確定位并最終解決問題?；陔姶磐負淅碚摰暮娇胀ㄐ畔到y(tǒng)試飛過程中EMC預測評估關鍵是構建電磁拓撲結(jié)構,只有在正確的電磁拓撲分解基礎上才能獲得與系統(tǒng)狀態(tài)相適應的電磁拓撲結(jié)構。在航空電子系統(tǒng)電磁拓撲分解時,按照電磁能量的傳播路徑分層、編號,將物理空間劃分成系統(tǒng)外和系統(tǒng)內(nèi)兩部分,系統(tǒng)外部區(qū)域標記為V0,航空通信系統(tǒng)內(nèi)機柜、設備、模塊已屏蔽的體積分別標記為V1、V2、V3,包圍上述體積的屏蔽面依次標記為S1、S2、S3。將干擾信號從系統(tǒng)外部傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部敏感電路所穿透的屏蔽面的總個數(shù)定義為系統(tǒng)的屏蔽級。干擾作用到最外層V0時,可通過天線耦合,也可能通過電纜線耦合,或公共回路傳導耦合等方式進入系統(tǒng)終端電路。分析時,求出外部電磁干擾在系統(tǒng)屏蔽面S1的作用結(jié)果,即可確定S1上的等效源,通過相關計算可獲知穿透第一級屏蔽層的電磁能量。

在飛機氣密艙、非氣密艙,前艙和后艙,分布著不同結(jié)構形式的屏蔽面。同樣,航空通信系統(tǒng)屏蔽面內(nèi)有相互分隔的機柜、設備等,需引入第二個下標,例如用Vi,k表示第i級別的第k個子空間。典型航空通信系統(tǒng)電磁拓撲分解示意圖如圖2所示。

圖2 航空通信系統(tǒng)電磁拓撲結(jié)構Fig.2 Electromagnetic topological configuration of avionic communication system

理論和工程經(jīng)驗證明,在試飛階段,天線間耦合、線纜間耦合和公共回路傳導耦合等是影響航空通信系統(tǒng)EMC的主要因素。

(1)天線間耦合

電磁信號通過天線進入系統(tǒng)后再經(jīng)傳導、耦合等不同方式影響系統(tǒng)性能。另外,布設在飛機不同位置的通信天線共址工作,受到載體、鄰近散射體和其他天線的輻射時,其性能將會降低[8]。而且,作為電磁能量轉(zhuǎn)換器,天線在其工作頻段是最佳的信號通路,強電磁能量的無用信號通過天線耦合可能導致系統(tǒng)降級或功能失效。

(2)線纜間耦合

航空通信系統(tǒng)依賴高靈敏度接收機接收經(jīng)遠距離傳輸而來的微弱電磁信號,實現(xiàn)通信功能。電源電纜、信號線、射頻線等將內(nèi)部設備、單元連接起來構成航空通信系統(tǒng)和任務電子系統(tǒng)。拓撲區(qū)域內(nèi)電磁場輻射將在這些電纜中產(chǎn)生分布電壓和分布電流,電纜制造、連接器裝配工藝不佳等都可能造成屏蔽性能差,產(chǎn)生耦合干擾。

(3)公共回路傳導耦合

航空通信系統(tǒng)設備多、天線布局分散、交聯(lián)關系復雜,公共回路傳導耦合導致的EMI問題可能影響通信性能,當系統(tǒng)布線設計不合理時,公共回路耦合干擾對系統(tǒng)EMC影響將不可避免。

2.4 電磁拓撲矩陣

確定航空通信系統(tǒng)電磁拓撲結(jié)構基礎上,構建航空通信系統(tǒng)電磁拓撲矩陣有利于試飛過程中的EMC分析和評估。由航空產(chǎn)品質(zhì)量管理體系保障試飛過程中系統(tǒng)技術狀態(tài)相對穩(wěn)定并可控,系統(tǒng)技術狀態(tài)可控是電磁拓撲矩陣建立的基礎。典型航空通信系統(tǒng)電磁拓撲關系矩陣如表1所示。表中“√”表示兼容,“×”表示不考慮兼容,“◎”表示采取電磁兼容加固措施后可以實現(xiàn)兼容。

表1 航空通信系統(tǒng)電磁拓撲矩陣Table 1 Electromagnetic topological matrix of avionic communication system

2.5 評估對象描述

現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)一般配置短波、衛(wèi)通及多條超短波通信鏈路,結(jié)合表1所示的典型航空通信系統(tǒng)電磁矩陣可以看出,當設備和系統(tǒng)通過實驗室EMC鑒定試驗、機上地面聯(lián)試試驗等過程,試飛過程中的EMC預測評估的重點實際上是超短波(VHF/UHF)通信鏈路之間的兼容性。經(jīng)過機上地面綜合聯(lián)試,線纜耦合、公共回路耦合所造成的EMI問題基本可以發(fā)現(xiàn)并解決。但受建模誤差、地面反射等影響,共址天線間電磁耦合特性仿真預測和地面測試與真值存在差異,因此,分析預測超短波天線間電磁耦合對系統(tǒng)EMC影響就成為航空通信系統(tǒng)試飛過程中EMC評估的主要內(nèi)容。試飛EMC評估包括實驗室仿真和空中試飛測評,受篇幅所限,本文僅對仿真預測和飛機停放地面系統(tǒng)加電測試進行對比分析。

2.6 經(jīng)典理論計算

多鏈路多通信方式的航空通信系統(tǒng)設備多、天線多,且載機外形復雜,多個天線間的耦合特性仿真建模非常困難。為便于分析,通常需要對飛機機體模型進行簡化處理,即以圓柱體代替機身,機翼、垂尾簡化成平面體,機頭用圓錐體表示,如圖3所示。通常超短波發(fā)射天線安裝在機背,接收天線安裝在機腹,短波天線大多采用斜拉鋼索天線。經(jīng)典理論計算進行EMC預測分析時,利用簡化后的飛機模型,利用幾何繞射(UTD)法求解機上任意兩天線之間的電磁波短程線[9],采用感應電動勢法計算各相關天線間的互耦,進而計算出隔離度。

圖3 簡化飛機和通信天線布局示意圖Fig.3 Simplified diagram of aircraft and communication antennas distribution

2.7 計算機仿真

計算機和軟件技術的發(fā)展使得機載通信天線仿真成為可能。目前,FEKO(任意復雜電磁場計算)仿真軟件和FLO/EMC是已經(jīng)被廣泛應用的兩款具有代表性的軟件產(chǎn)品[10]。航空通信系統(tǒng)天線耦合特性分析,實際上就是求解特定邊界條件下(裝機狀態(tài))的Maxwell方程[11]。邊界條件由飛機構型、蒙皮電特性、被分析天線特性決定。

3 評估實例

3.1 公式計算

圖3所示發(fā)/收天線之間電磁波傳播分為沿機體繞射部分和直線傳播部分[12],基于繞射理論的天線之間耦合特性的計算公式為

式中,λ為波長,D為電磁波直線傳播部分的距離,GT為發(fā)射天線增益,GR為接收天線增益,δT為收天線方向發(fā)射天線場方向圖電平,δR為發(fā)天線方向接收天線場方向圖電平,B為兩天線極化失配損耗,C為電磁波沿機體繞射傳播帶來的損耗,

飛機機體半徑r=2.1 m。

超短波發(fā)天線和收天線分別位于機背和機腹上下對應位置,電磁波直線傳播部分距離為0,則直線傳播部分損耗為0;通信發(fā)/收天線極化方式相同,極化損耗為0。

根據(jù)公式(3)計算得繞射損耗為13.2 dB。

收發(fā)天線方向場方向圖電平 δ1、δ2分別為接收天線方向上的發(fā)射天線的場方向圖電平和發(fā)射天線方向上的接收天線的場方向圖電平,表示特定方向的場強與最大場強值的比。

當f=108 MHz時,將各參數(shù)代入式(2)得

即超短波發(fā)/收天線之間隔離度為63.2 dB。

3.2 實例仿真

根據(jù)飛機結(jié)構參數(shù)和超短波發(fā)/收天線在飛機上的安裝位置,利用FEKO軟件進行仿真,超短波發(fā)/收天線之間耦合特性(VHF)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result

試飛過程中,結(jié)合機上地面聯(lián)試試驗,進行超短波發(fā)/收天線之間隔離度測試,儀器測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 實測結(jié)果Fig.5 Experiment result

理論計算和計算機仿真結(jié)果表明,基于繞射理論的計算預測值與實際測試值之間存在差異[13],計算機仿真值相對于實測值較小,預測值與實際測試值存在差異。分析可知,導致上述差異的主要原因有以下幾個方面。

(1)測試環(huán)境。機載通信天線是飛機結(jié)構的組成部分,機體為公共接地點,機體也是電磁輻射體,飛機停放地面,機體距地面很近,地面反射可能造成天線波瓣畸變,影響上下天線耦合特性。

(2)飛機線纜附設路徑復雜,無法確定兩天線端口到端口之間的耦合值,通常帶電纜一起測試,線纜和連接器所帶來的衰減都將增加測試值,不考慮其他因素,天線隔離度真值等于測試值減去線纜和連接器損耗。

(3)飛機模型簡化處理、計算機仿真天線建模誤差等都會影響分析結(jié)果。

(4)繞射理論計算時,基于簡化飛機模型的單一路徑計算繞射和直線空間衰減,而實際飛機外形遠比模型復雜,所以,飛機上任意兩天線之間的電波傳播路徑要更復雜些。

總體而言,經(jīng)典公式計算和計算機仿真預測各有利弊,前者簡單方便,但誤差大。與傳統(tǒng)的繞射理論計算相比,EMC計算機仿真技術集軟件建模、仿真和優(yōu)化為一體,且具有用仿真代替實驗的優(yōu)勢,能夠相對快速排除航空通信系統(tǒng)試飛中出現(xiàn)的EMI問題,提高試飛效率。試飛設計師可以根據(jù)試飛現(xiàn)場條件合理選擇預測評估方法。

4 結(jié)束語

EMC是航空通信系統(tǒng)戰(zhàn)術能力有效發(fā)揮的基礎。本文提出的基于電磁拓撲理論的航空通信系統(tǒng)試飛EMC分析思路,對現(xiàn)代綜合復雜性航空通信系統(tǒng)試飛過程中EMC評估具有重要指導意義。實踐證明,準確有效的EMC預測分析結(jié)果是航空電子系統(tǒng)試飛成功的基礎和技術保障,也是提高航空通信系統(tǒng)試飛評估質(zhì)量的有效途徑。

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