基于场路协同仿真的机载设备电磁干扰分析

刘 焱 汤海燕 唐 东 王玉庆

(1.北京航空航天大学 北京 100191;2.空军93705部队 河北遵化 000642)

0 引言

现代飞机平台中，机载设备数量较多，这些设备在装机前能够独立完成所需功能，但放置在一个飞机平台中，由于潜在的电磁干扰问题，部分设备可能受到干扰而无法正常工作。因此，解决机载设备间的电磁兼容性问题成为飞机平台设计中的一个重要内容。在飞机设计过程中，需要进行仿真分析，预测设备是否相互干扰［1－2］。

在飞机平台内部，设备、电缆、天线等构成了复杂的传导和辐射耦合关联关系，使得系统中设备之间形成了复杂的场-场和场-路耦合关系。因此，在进行电磁干扰分析时，需要从电磁场和电路两方面，对系统进行综合仿真分析［3～5］。

1 场路协同分析方法

在进行设备的仿真分析时，当发射设备和接收设备进行信号传输时，需要对信号的调制、发射、接收、解调的传输链路进行建模。这就需要对发射设备的电路模型、发射天线模型、信道模型、接收天线模型和接收设备的电路模型分别进行建模，即需要对电路-电磁场-电路完整的信号传输链路进行建模，使仿真分析与设备的实际工作情况相符合。发射设备与接收设备耦合情况如图1所示。

图1 发射设备与接收设备耦合示意图

本文采用的场路协同仿真，将电磁场分析结果等效到电路中，最后在电路仿真软件中完成协同仿真。在“场”的分析中主要对设备的电磁辐射问题进行计算，如:有限差分法、传输线矩阵方法、矩量法和时域积分方程法等数值方法。“路”的方法主要是指对设备的电路进行建模，得到电路特性，并将“场”分析中得到的幅频特性在一定的近似条件下，将设备间的相互耦合关系简化成电路分析中的一个等效传输模块。场路协同分析中发射设备与接收设备的等效耦合情况如图2所示。

图2 发射设备与接收设备等效耦合示意图

在图2中，传输模块等效了发射天线、空间传输和接收天线三部分对信号的作用。首先，利用FEKO等电磁场仿真软件对发射天线、接收天线进行仿真建模，得到天线的增益方向图。并利用ADS中的Matlab程序模块，将增益方向图读入程序。在传输模块的外部输入两个天线的位置以及相应的传输通道类型。从而计算出两个设备间的隔离度。将得到的等效传输模块封装成一个电路模块，实现场路协同仿真。

具体的隔离度计算方法为:根据天线1的位置(X1，Y1，Z1)，天线 2 的位置(X2，Y2，Z2)，由公式(1)和(2)分别计算出两个天线的相应方位角和高低角。然后由方向图读出天线1在天线2方向上的天线增益G1和天线2在天线1方向上的天线增益G2。并根据所选信道的类型对天线间的空间衰减L进行计算，进而由公式(3)得到设备间的隔离度，计算框图如图3所示。

图3 设备间隔离度计算框图

2 仿真与分析

在某飞机电磁兼容性试验中发现，超短波电台可能对GPS接收机产生一定的干扰，致使GPS接收机产生丢星。超短波电台和GPS接收机分别由天线和电路两部分组成。当要对这个发射-接收设备对进行相互干扰情况分析时，需要分别对两个设备的天线和电路进行建模和仿真，并将场仿真结果等效为一个电路模块，代入到电路中进行综合仿真，从而实现完整分析。下面从电磁场和电路两部分进行介绍。

2.1 场仿真分析

对超短波天线进行建模如图4所示，通过仿真得到超短波天线的装机远场特性如图5所示。

对GPS的天线进行建模如图6所示，通过仿真得到GPS天线的装机远场特性如图7所示。

图7 GPS天线装机方向图

如前所述，将超短波电台和GPS接收机的场仿真结果读入到Matlab程序中，并构成传输模块用于后续综合仿真分析。

2.2 路仿真分析

对超短波发射端的电路进行建模如图8所示。其中，超短波电台采用频率调制，初始信号经过调制后进路发射电路，在发射电路中进行混频和功率放大。最后的射频信号发射频率为315MHz，发射功率为10W。

图8 超短波发射端电路模型

对GPS的电路进行建模如图9所示。其中，GPS接收机采用DBPSK差分相位解调方式，接收中心频率为1575MHz，接收灵敏度为－135dBm。接收到的射频信号，经过下变频和信号放大后，解调出有用信号。并对比初始信号和接收的信号得到信号的传输的误码率。

图9 GPS接收电路模型

2.3 场路协同仿真分析

在上述的场仿真和路仿真的基础上，完成本文提出的场路协同仿真，对超短波电台和GPS接收机间的干扰问题进行分析。构成的综合仿真模型如图10所示。

在图10的综合仿真模型中，由五部分组成，包括:GPS的发射端、传输模块、GPS的接收端、超短波干扰信号模块以及仿真控制器和变量。其中，发射端和接收端分别对信号进行幅度调制与解调，并对信号进行相应的放大、滤波处理。传输模块对设备间的隔离度进行计算，等效两个设备间的相互耦合关系。在图10的综合仿真模型中，将两个设备的天线仿真结果、传输通道模型与设备的电路模型进行综合分析。实现设备间完整链路分析，通过接收端的误码率大小判断设备是否受到干扰，这样可以使分析模型与实际更加符合。

图10 超短波电台和GPS接收机干扰仿真模型

2.4 仿真结果分析

当没有超短波干扰情况下，GPS接收机接收的频谱如图11所示。

图11 无干扰时GPS接收频谱

当超短波的辐射信号从接收机前端耦合进入GPS接收机中，GPS接收机接收的频谱如图12所示。超短波的工作频率为315MHz时产生的五次谐波为1575MHz，GPS的工作频率为1575MHz。如图12接收频谱图所示，超短波的五次谐波落入GPS的接收频带内，对其造成干扰。

图12 超短波干扰时GPS接收频谱

在仿真的300个点中，当无超短波干扰时，误码率为0，如图13所示的时域收发信号所示;当存在超短波干扰时，误码率为0.29，如图14所示，对GPS的正常工作产生干扰。

3 结论

通过仿真分析得出超短波的五次谐波将对GPS的正常工作产生影响，因此应该在超短波的发射端对其带外衰减进行更加严格的控制，可以采用添加滤波器将带外信号减小，从而避免两个设备不兼容的问题。

对超短波电台和GPS接收机间进行场路的综合仿真分析，仿真结果显示在超短波的干扰下GPS接收机的误码率提高，性能降级。对超短波电台与GPS接收机进行仿真分析后，得出的结果与在实际全机试验中的干扰现象相符合。

［1］苏东林，雷军，王冰切等.系统电磁兼容技术综述与展望［J］.宇航计测技术，2012，32(4):1－8.

［2］蔡仁刚.飞机电磁兼容预测分析系统［J］.北京航空航天大学学报，1995，21(4):41－46.

［3］苏东林，王冰切等.电子战特种飞机电磁兼容预设计技术［J］.北京航空航天大学学报，2006，32(10):1241－1245.

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