摘 要:以电磁干扰测试试验为基础,利用ADS软件对高度表接收机系统进行行为级仿真,通过输出频谱判断干扰产生的原因,并采用了在低频电缆上加装阵列滤波器的解决方案。通过最终的电磁兼容性测试试验可以看出,这种分析电磁干扰机理的方法对实际工程问题有很大的参考价值。
关键词:ADS; 高度表; 电磁干扰; 行为级仿真
中图分类号:TN722.3 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)09-0014-04
Behavioral Simulation and Analysis of Interfering Wireless Altimeter
by Airborne Shortwave Station
LI Shu-hua, GONG Bo, GAO Wei
(NAEI Qingdao Branch, Qingdao 266041, China)
Abstract: A behavioral level simulation of altimeter receiver is made with the advanced design system(ADS) software based on the result of EMI testing. The reason of EMI generation is judged by outputting frequency spetrum and the measure to solve the problem by adding an array filter is performed. The final EMC testing results show that the method to analyse EMI mechanism has a certain reference value for practical engineering projects.
Keywords: ADS; altimeter; EMI; behavioral level simulation
0 引 言
对某飞机平台加装新的短波电台后,出现了电磁干扰问题。具体表现为:在短波电台发射时,无线电高度表输出的高度数值发生变化,忽大忽小,严重时高度数值直接变为零。由于该高度信息同时还提供给机上其他交联设备,出现这种干扰会对整机的飞行性能产生严重影响,特别是在飞控系统自动工作状态下,高度信息的错误严重影响飞行安全。如何有效解决这种在现有飞机平台上加装新式机载电子设备所带来的电磁兼容性问题,已成为机载电子设备研制和装备过程中一个急需解决的课题。行为级仿真是基于电路部件或子系统顶层特征的提取,无须通过门级原理图描述电路,而是针对设计目标进行功能描述。仿真设计软件(Advanced Design System,ADS)安捷伦(Agilent)公司开发的一套功能强大的EDA 软件,可以模拟整个信号通路,具有强大的行为级仿真功能。通过对高度表接收机系统的谐波平衡仿真,可以清楚地查看输出功率的频谱成分,从而为分析电磁干扰形成的机理提供依据。
1 高度表的原理
无线电高度表组成框图如图1所示。如图2中实线非对称锯齿波作为调制信号的超高频调频信号,从发射组件信号源输出端,经功率分配器,输送到发射天线并向地平面方向辐射出去。从地平面反射的超高频信号输送到接收天线并经超高频频率滤波器、高频开关提供到混频器的一个输入端,同时发射机的部分功率作为本振信号经功率分配器输送到混频器的另一个输入端。在混频器中,反射信号和本振信号混频后输出差频信号。差频ΔF的大小与电波在空间通过的时间τ和调制参数有关,只要测得差频ΔF就可以知道飞机的即时高度。
图1 无线电高度表组成框图
差频ΔF的大小与电波在空间通过的时间τ和调制参数有关,它们之间的关系为:
ΔF=Δfτ/T(1)
这里
τ=2(HS+HJ)/C(2)
式中:HS为剩余高度,单位:m;HJ为即时高度,单位:m;C为无线电波传播速度,单位:m/s;Δf为频率调制信号频偏,单位:Hz;T为调制信号的工作行程持续时间,单位:s。
图2 调制频率为非对称锯齿波规律时的拍频频率图
2 短波电台对低频电缆的辐射耦合干扰
通过一系列电磁干扰状态试验分析可以得出,短波电台对高度表的干扰可归为两个途径:一是通过低频电缆进入收发机;二是通过接收天线和高频馈线进入收发机。通过电磁敏感度试验,可以确定主要的干扰途径是低频电缆。
首先对短波电台中低频电缆的辐射耦合干扰值进行计算。
短波电台天线指安装在飞机尾部的长度为l=1.1 m的垂直天线,到无线电高度表的距离r=1 m。短波电台通信频率设为16 MHz,功率为100 W,天线输入端电流I0=1.4 A。
经计算,在λl时,近场区和远场区的分界距离D1=λ/2π≈4.78 m,近场感应区和近场辐射区的分界距离D2=2π/λ≈0.21 m,即低频电缆所在位置为短波电台天线的近场辐射区。在这个区域,随着距离的增加储能迅速衰减,辐射功率密度按角度方向的分布随着辐射源距离的变化而变化。在近场区中可不考虑垂直天线辐射的方向性,且电场的幅度远比磁场幅度大,故只考虑电场辐射影响[1]。因此短波电台天线1 m距离处的辐射场强应为[2]:
E=kη4πrI0le=(2π/λ)η4πrI0λ2π
=42 V/m≈152 dBμV/m(3)
飞机蒙皮的场强衰减修正值M≈50 dB,低频电缆耦合衰减修正值N≈20 dB。将低频电缆作为接收天线,飞机蒙皮衰减量M和电缆耦合衰减量N作为接收天线的校准系数,则在短波电台辐射场强干扰下产生的耦合电压约为82 dBμV。在阻抗为50 Ω的情况下,考虑到dBm和dBμV的换算关系[3],有:
PdBm=UdBμV-107(4)
则低频电缆中的等效耦合功率约为-25 dBm。
3 高度表接收机系统的仿真
通过电磁干扰状态试验可以得知,只要短波电台通电工作,在整个频带范围2～30 MHz内均会对无线电高度表产生干扰。因此仿真时设定了电台中心频率16 MHz,采用上边带工作方式发射,并选定通频带范围内与中心频率间隔1 100 Hz,1 200 Hz和1 300 Hz的三个频点(16 MHz+1 100 Hz,16 MHz+1 200 Hz,16 MHz+1 300 Hz),等效耦合功率均为-25 dBm。
3.1 接收机频带选择性仿真
在进行高度表接收机系统仿真之前,首先需要对接收机的频带选择性进行仿真,实质上是对低频放大器部件的频带选择性进行仿真。低频放大器部件的功能主要是放大拍频信号达到对拍频稳定电路正常工作所需要的数值,所包含器件的组成框图如图3所示。
图3 低频放大器部件组成框图
在ADS中建立仿真原理图如图4所示。
图4 频带选择性仿真原理图
从图5的仿真结果可以看出,接收机在频带选择中心频率处的最大增益大约是59 dB,这是由于考虑到了带通滤波器的插入损耗以及波纹、放大器的噪声等影响后的结果;-3 dB通频带略小于12 kHz,由于一般接收到的信息集中在离中心频率10 kHz的范围内,因此不会导致产生较大的失真。总之,对接收机频带选择性仿真符合设备的基本特性。
3.2 高度表接收机系统ADS仿真
无线电高度表接收机模型的参数如下:
(1) 工作频率范围是:4.2～4.4 GHz,仿真选定4.3 GHz;
(2) 发射机输出功率:大于等于80 mW,仿真选定100 mW(20 dBm);
(3) 拍频频率:30 kHz;
(4) 波阻抗:50 Ω;
(5) 抑制寄生调制幅度:大于等于28 dBm;
在ADS中建立无线电高度表接收机的行为级仿真模型,将由低频电缆进入的16 MHz+1 100 Hz,16 MHz+1 200 Hz,16 MHz+1 300 Hz三个频点干扰信号加入混频器中,如图6所示。
图5 接收机频带选择部分S(2,1)参数
图6 接收机系统的行为级原理图
仿真后的结果如图7所示。
图7 低频放大电路输出差频的仿真频谱图
如图7的仿真结果可以看出,输出的差频信号在受到短波电台通过低频电缆耦合进入混频器的干扰后,完全湮没在进入鉴频器部件的信号频率之中。如果没有短波电台的干扰,当飞机高度发生变化,低频放大电路输出的差频信号应该是ΔF+ΔF′,在鉴频器部件中将ΔF′转变成稳定的控制电压,进入调制器部件控制调制信号的工作行程持续时间T变化,使得ΔF′归零,从而通过计算调制信号的工作行程持续时间T来计算飞机高度。如果出现图7的仿真情况,那么进入鉴频器电路的差频信号频率不惟一,鉴频器输出的控制电压也不是稳定的,而是正负相交的瞬态电压,控制调制器部件中工作行程持续时间T的变化也是不稳定的,而且经高度计算电路部件计算的高度也是变化的,在表头上的指示则是高度指针产生摆动。
如果干扰信号进入混频器后,导致进入低频放大电路的拍频信号太小,即使经过放大后依然达不到鉴频器电路所能识别的最小电压值,此时相当于拍频信号为零。由式(1)和式(2)可知,在拍频信号为零时,高度表指示器指在零刻度。
3.3 低频电缆滤波器的仿真
在进行电磁干扰试验测试时,分析得出通过低频电缆进入收发机内部的干扰信息不仅仅进入混频器,同时也通过串扰等方式进入了调制器部件、高度计算电路部件和一次有效指令部件等,它们对这些部件的正常工作都有一定的影响,故采用滤波措施消除干扰时,选择了在收发机外部的低频电缆上进行。
低频电缆中主要是电源和高度信息的传输,这些信号近似于直流传输。短波电台对低频电缆辐射干扰频率在2～30 MHz,故采用低通滤波器可以滤除干扰信号。
利用ADS软件自带的DesignGuide滤波器设计工具,可以非常方便地设计出满足要求的滤波器。将设计好的低通滤波器加入高度表接收机的ADS电路图进行仿真,以观察此时的低频放大器部件频谱图输出。通过改变低通滤波器的指标参数来改变低通滤波器的滤波特性,直到得出符合要求的高度表接收机低频放大器部件的频谱输出。
利用ADS软件中的S参数仿真控制器对所设计的低通滤波器进行仿真,仿真电路图如图8所示,生成的S(2,1)参数曲线图如图9所示。将设计好的低通滤波器加入到高度表接收机的ADS仿真电路图中进行仿真,低频放大器部件频谱图输出图如图10所示。
图8 低通滤波器S参数仿真电路图
图9 低通滤波器S(2,1)参数曲线
图10 加滤波器的的仿真频谱图
通过图10可以看出,加入低通滤波器后低频放大器部件输出的差频信号受干扰信号影响可以忽略不计。这样差频信号进入鉴频器可以输出正常的控制电压,从而显示出正确的高度信息。
4 电磁兼容改进措施及测试试验
由于低频电缆中线缆比较多,采用了在电缆连接处加装阵列滤波器的滤波方案。在低通滤波器ADS仿真原理图中进入所设计滤波器的子电路,可以发现所设计的低通滤波器实质为电容值为3 239 pF的C型滤波器,通过查阅标准电容滤波器产品表,最终的阵列滤波器选用了电容值为2 500 pF的C型滤波器。
按某型飞机维护规程要求对未采取电磁兼容改进的高度表和采用滤波器进行电磁兼容改进的高度表进行测试,结果表明采用滤波电连接器措施后,符合高度表输出高度电压精度要求。
5 结 语
随着电子、电气、计算机、通讯技术的迅猛发展,机载电子系统大量采用了以微处理器为核心的自动化和数字化技术。在现有飞机平台上加装新型机载电子设备必然会成为快速提高飞机性能的一种途径,但加装后整机设备能否与原机设备相互电磁兼容,是一个不得不面对的问题。利用ADS软件对高度表接收机系统建立行为级仿真模型,通过输出的频谱来判断干扰产生的原因,避免了对具体电路作大量冗长无效的分析。这种查找电磁干扰原因和分析干扰机理的方法,可以在其他平台加改装电子设备时的电磁兼容分析时借鉴。
参考文献
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