车载通信系统电磁兼容仿真设计

孟祥欣,刘小团,史国清

(西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099)

某指挥(通信)车是数字化武器系统的信息情报枢纽，完成对所属作战单元控制和作战指挥，实现信息实时化、控制一体化和作战系统网络化。通信技术的数字化，保证了战场信息实时或近实时的传输特性[1]。

指挥(通信)车上空间有限，电台数量较多，相互之间容易引起干扰，包括：电台发射时产生的有用信号对其他电台接收的阻塞干扰，电台发射频谱外杂散分量及噪声，尤其电台跳频时，干扰频谱宽、强度大、覆盖广。通信系统的设计就是确保系统能

够正常工作，通过采取必要的设计措施，减少进入设备和设备发出的杂散信号，使其满足电磁兼容性要求[2-3]。通过仿真设计缩短了产品研制周期和节约了成本。

针对某指挥车上设备布局情况，建立指挥车通信系统虚拟样机，通过模拟天线和线缆的端口参数，来进行电磁兼容性仿真，探究解决天线布局和线缆敷设EMI的方法，为车载通信的实际设计安装提供参考。

1 通信系统模型设计

本文使用EMC Studio软件进行建模分析。向该软件导入结构CAD模型后，以矩量法(MoM)为基础，混合使用传输线(MTL)、网络分析(SPICE)和物理光学(PO)等方法，可分析复杂综合系统的场分布、串扰、耦合和敏感性等。

矩量法(MoM)是基于表面离散的积分加权余量法，其原理与有限元法类似。与物理光学法(PO)结合形成的混合法，能灵活地进行区域划分和离散密度及单元大小的选择；有效地减少求解区域和未知量个数，提高了计算效率，有利于电大尺寸目标的计算[4-5]。传输线法(MTL)有利于分析各种电缆的特性，求解传输线麦克斯韦方程得到电场和磁场，也可以采用适当的电路模型来求解电压和电流[6]。

车载通信系统的组成为4部超短波电台、1部高速数据电台和1部数字化短波电台，短波电台功率为125 W,其余均为50 W。

为了避免多根天线林立的情况[7-8]，拟对高速数据电台和3部超短波电台采用四信道天线合路器，使其共用1根天线。剩余的1部超短波电台只用于接收信号使用1根天线，短波电台使用1根天线。

通信系统中超短波天线和四信道合路器天线采用鞭状天线，短波天线则采用半环天线。对于短波来说，鞭状天线虽然安装简单、全方向性好，但车载通信要求天线尽可能产生高仰角辐射，缩短天波反射的落地距离，消除地波和天波衔接部位的盲区[9]，而半环天线可以实现这一点。

车体内的加工布局中，需要把一些线缆捆扎在一起，因此，线缆之间的电磁耦合感应也需分析研究，为通信系统的设计提供参考。

2 电磁仿真分析

2.1 天线耦合仿真

天线之间的耦合度是天线布置考虑的重要技术参数。收发天线间耦合度过大会引起功率倒灌，造成发射天线阻抗匹配困难。多部电台共址工作时，低频段工作电台的倍频频率可能干扰高频段工作电台的正常工作，这也是工程设计常关心的问题。

本文将车载系统上的多付天线等效为广义多端口网络，每一个天线为网络的一个端口，天线激励端为端口的参考面。天线之间耦合度用S参数来表示，将通信天线的端口阻抗设为通用的归一化标准阻抗50 Ω。

电磁辐射对人体危害的防护是指挥车系统设计的内容。当指挥车上相应舱门向上敞开时，天线辐射对人员影响最大，仿真舱门附近电场强度，确定对人员可能危害的程度及防护方法。

2.1.1 短波天线仿真

指挥车上部舱门敞开时，短波通信天线可以直接辐射工作人员，对人体的影响最严重。选取前后两个舱门口的中心点作为观测位置，评估短波对人员的影响。该处的电场强度如图1所示。

由图1分析知，短波天线在其频段内对工作区辐射的电场，随着频率的升高而增大。后舱门口的电场在28 MHz以上时，超过GJB5313规定的暴露限值[10]。实际工作中当该舱门敞开时，建议采取措：短波电台的工作频率应限制在28 MHz以下，靠近其频段低端。

短波频段的谐波大多在超短波频段内，因此，共址工作时就可能产生倍频干扰，通信系统设计主要关注偏离倍频频率多远可以正常工作。模拟短波电台工作的情况，提取另外两个天线端口的S参数，研究天线间的相互耦合干扰，结果如图2所示。

由图2分析知，谐波在40～52 MHz时影响较大，即短波工作频率在20～26MHz时其二次谐波影响较大。因此，实际工作中同时使用短波电台和超短波电台时，短波的工作频率倍频应错开超短波的工作频率，确保超短波电台正常工作。

2.1.2 合路器天线仿真

合路器天线是3部超短波电台和1部高速数据电台共用的天线。多部电台共址的情况下，空间损耗较小，同频段的发射信号直接进入共址电台，形成较强干扰，而合路器可以有效避免此类情况。指挥车上部舱门位置，合路器天线的辐射的场强仿真如图3、图4所示。

由图3和图4可见，超短波频段的两端辐射较小，中间较大。在59 MHz和66 MHz两点电场较强，实际工作中建议超短波电台发射频率应尽量避开这两个频点。高速数据电台的辐射场强不超过GJB5313的规定[10]，但在270 MHz附近的电场较大，实际工作中建议高速数据电台的发射应尽量避开270 MHz点。

3部超短波电台通过合路器天线发射，可能会对另一部超短波电台造成带内耦合，形成阻塞性干扰。模拟超短波电台工作的情况，提取另外一个超短波天线端口的S参数，研究天线间的相互耦合仿真如图5所示。

由图5可知，超短波的相互干扰在54 MHz附近较大，在超短波频段的两端较小。因此，实际工作中发射和接收的超短波电台同时工作时，频率间隔应尽量大，并避开54 MHz附近，减小相互间的共址干扰。

2.2 线缆耦合仿真

指挥车上常把一些线缆捆扎在一起，这样线缆之间易产生电磁耦合感应。虽然电缆通常都带有屏蔽层，使得大部分耦合电流只流过屏蔽层，而不直接流过屏蔽层内传送信号的导线，但受电缆屏蔽结构和屏蔽效果等限制，电磁信号仍可通过屏蔽层的转移阻抗和转移导纳耦合到电缆内的导线上。因此，线缆的电磁耦合响应也是通信系统电磁兼容研究的重点。

超短波电台1、2、3和高速数字电台共用1根天线，都要连接到合路器的输入端，射频线缆的间距较小。固定情况先假设这4根射频电缆捆扎在一起。模拟超短波电台1、3同时工作，观测对超短波电台2射频端口的EMI耦合，仿真结果见图6。超短波频段的谐波可能会通过射频电缆干扰高速数据电台的正常工作，因此，模拟3部超短波电台同时工作，观测对高速数据电台射频端口的EMI耦合，结果如图7所示。

由图可知，超短波电台1、2、3和高速数字电台射频线捆扎在一起时，电台相互间的干扰较大，最大为-31 dBm，超出了超短波电台的噪声干扰限值。对高速数据电台的干扰较小，耦合电平不超过-48 dBm。因此，实际敷设线缆时建议高速数字电台和超短波电台射频线缆可以捆扎在一起，3台超短波的射频线缆不捆扎在一起。

增大超短波电台射频电缆间距的方法，模拟超短波电台1、3同时工作，观测电台2射频端口EMI耦合，仿真结果见图8。

可见线缆间距为3 cm时，干扰电平峰值由捆扎时的-31 dBm降为-58 dBm；线缆间距为10 cm时干扰电平峰值降为-91 dBm。实际布线时，合路器输入端3部超短波电台的射频电缆应至少保持3 cm间距。

3 结 论

车载通信系统的设计分析十分复杂，有限的车顶空间内集中多种天线，各种通信设备同时工作时所产生的同频干扰、谐波干扰和邻道干扰等，构成一个复杂的电磁空间。

仿真给出了该通信系统中其它天线对目标天线的影响，发现了当前设计方案中的不足。改进系统后再仿真分析，优化系统设计，提高系统的整体作战效能。

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