机载通信系统多功能间的电磁兼容设计方法

赵 利

(中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都610036)

0 引言

机载通信系统的电磁兼容性是指电子设备或功能在规定的电磁环境电平下，不因电磁干扰而降低性能指标，同时它们本身产生的电磁辐射不大于检定的极限电平，不影响其他设备或功能的正常运行，并达到设备与设备之间、功能与功能之间互不干扰、共同可靠工作的目的。机载通信系统通常包括多个功能，如短波通信功能、超短波通信功能、卫星通信功能等。某些功能的工作频段可能相同或相近，如两个或多个超短波通信功能之间、超短波通信功能与UHF频段卫通功能之间等。当其中一个功能发射时，就很容易在其他功能接收端口产生较大的干扰信号，使工作在高灵敏度接收状态的其他功能阻塞或前端烧毁，让两个或多个功能之间不能同时工作。因此，系统设计时，需高度重视各功能间的电磁兼容，从多个方面采取措施，解决电磁兼容问题，达到同时工作的目的。

1 系统架构

机载通信系统由多个功能组成，每个功能由功能天线、1条或多条收/发通路和系统综合管理共同完成，如图1所示。功能天线主要完成功能信号的接收和辐射;收/发通路主要完成收/发信号的滤波、放大、变频、解调/调制和解码/编码等功能;系统综合处理主要完成系统控制管理、数据信号处理、音频信号处理和综合显控等功能。

图1 机载通信系统组成示意Fig.1 Composition diagram of airborne communication system

接收时，来自天线的接收信号经接收通路进行滤波、放大、变频、解调和解码处理后，送系统综合处理完成音频信号处理或数据信号处理;发射时，来自系统综合处理的音频信号或数据信号，经发射通路进行编码、调制、变频、滤波和放大后，得到射频信号，经功能天线发射出去。所有接收通路和发射通路的工作频率、工作模式和工作状态等均由系统控制管理统一掌控。

2 影响因素

从前面的分析可以看出，一个功能的实现需要功能天线、收/发通路和系统控制管理相互配合，任何一部分设计不当，均可能引起电磁兼容问题。

2.1 天线

随着通信技术的快速发展，越来越多的电子通信设备被集成在一个飞机平台中，如图2所示。在一个有限的空间内需要安装多个工作频段相近或相同的天线来接收或发射电子信号。如果天线布局不合理，天线耦合度较高，通过空间辐射和天线耦合，同一系统中不同天线间容易引起很强的近场耦合，从而使得各收/发通路受到干扰，不能正常工作。因此，天线间的耦合是电磁兼容控制的关键要素，天线的合理布局是解决机载通信系统电磁兼容的重要环节［1］。

图2 E－3A预警机天线的布局［2］Fig.2 Antenna layout of E －3A AWACS

2.2 收/发通路

虽然在考虑天线布局时，会让天线耦合度尽可能低，但飞机的安装空间毕竟有限，天线隔离只能达到一定水平，电磁兼容性也只能控制在一定程度。这时就需要通过其他途径来进一步提高电磁兼容性。如果接收通路不能承受强干扰信号，接收通路就容易受干扰;如果发射通路不仅发射有用信号，还发射了强的无用信号或带宽噪声，发射通路就容易干扰其他通路或功能。以上任何一种情况均会引起电磁兼容问题。因此，规范收/发通路设计也是电磁兼容性控制的重要环节。

2.3 系统控制管理

如果通过合理设计天线布局和收/发通路仍不能实现各功能间的电磁兼容，就可以通过系统控制管理来统筹规划。通过系统控制管理，可以让可能相互影响的功能不同时工作或让工作频率间隔足够远，从而达到电磁兼容的目的。因此，系统控制管理也是解决机载通信系统电磁兼容的重要途径［3］。

3 解决措施

3.1 天线布局

在设计天线布局时，需综合考虑各功能对天线/天线阵的功能、工作方式、工作频率、覆盖空域、极化形式、安装位置等因素的要求，以及飞机气动外形、气动载荷、结构强度等方面的要求，对全机天线进行一体化优化布局设计，最大程度地减少各类天线/天线阵之间的耦合，减少各系统之间电磁干扰。

为了解决天线数量众多、布局困难的问题，改善系统电磁兼容性能，在同一机载系统中，如果存在多个工作频段相同或相近(如多路超短波通信之间)，可结合天线工作方式，采取收/发天线分开和天线共用的实现方式;如果存在两种功能工作频段相差较远、工作模式差别较大的情况(如超短波通信与塔康等)，可将两种天线在物理上作到一起，以节省安装空间。

3.2 收/发通路

多条通路在同一飞机平台上能否同时工作，除了天线布局外，还与收/发通路设计有很大关系。通过合理要求收/发通路的各项指标，规范收/发通路设计，可进一步提高各功能之间的电磁兼容性。

(1)发射通路

理想的发射通路只发射有用信号，不含任何无用信号。但由于数字信号丰富的频谱特性、频率源的杂散和宽带噪声以及通道上放大器和混频器的非线性等多种因素，导致发射通路发射出来的信号除主频信号以外，还有许多无用信号，如杂散、谐波、宽带噪声和反向互调产物等。为了减少发射信号对其他设备的干扰，通常用发射功率、邻道功率比、谐波抑制、杂散抑制、宽带噪声和反向互调等技术指标来规范发射通路的设计［4］。发射通路设计时，根据工作频点、信号带宽、通道增益、滤波特性和线性度等要求，选择合适的滤波器、放大器和混频器，使各项技术指标满足设计要求。

(2)接收通路

在复杂的电磁环境下，接收通路除了会接收到有用信号以外，还会接收到很多无用信号。为了将有用信号有效提取出来，接收通路的设计始终围绕着滤波、放大和混频等多项工作开展［5］。通常用抗阻塞电平、交调抑制、互调抑制、邻道抑制、中频抑制和镜频抑制等技术指标来规范接收通路的抗干扰能力。接收通路设计时，选择合适的滤波器、放大器和混频器，使各项技术指标满足设计要求。

3.3 系统控制管理

机载通信系统内各功能间工作频率重叠严重、电磁频谱异常复杂。在采用上述电磁兼容设计基础上，对仍存在电磁兼容问题，特别是工作在相同或相邻频段的，可根据任务需求，从系统控制管理上采取一定措施，如频率管理、分时工作和消隐/闭锁等。

1)频率管理主要基于频率使用的各项规定、机载电子设备的配置情况和频率特性、机载系统电磁兼容情况和使用需求等信息、对机载电子设备同时工作的工作频率进行统一规划和管理。在频率资源允许的情况下，避免各电子设备的相互干扰。

2)分时工作主要从时域上将两个或多个功能分开，如设置工作时隙，让各个功能分别工作在不同时间上。

3)消隐/闭锁主要从任务需求或功能优先级出发，当某个功能工作时，让另外一个功能停止工作，从而达到互不影响的目的。

4 典型例子

超短波通信是机载通信系统中常用通信手段，通常配有2条或2条以上超短波通信通路，以满足不同的通信需求。在E－3A预警机上，共有13名任务系统操作员，配备了多部超短波电台ARC－164，用于对预警机和战斗机的空－空话音和数据通信，也用于对预警机和地面指挥所的空－地话音和数据通信［2］。如何实现多部超短波电台的同时工作是一个非常突出的电磁兼容问题。下面以E－3A预警机为平台，利用上述解决措施，探讨如何实现多部超短波电台之间的电磁兼容。

4.1 天线布局

E－3A预警机包含多副天线和多种电子设备，如果每部超短波电台均独立分配1副超短波收/发天线，不仅多副超短波收/发天线难以布局，其他种类天线的布局也会非常困难;既难实现多部超短波电台的同时工作，也难实现超短波电台与其他电子设备的同时工作。为了减少超短波天线数量，提高天线间的隔离度，可采用收发天线分开和天线共用的实现方式。即多部超短波电台的收支路共用1副超短波收天线，多部超短波电台的发支路共用1副超短波发天线。

当然，在进行超短波收天线和发天线的布局时，还需综合考虑超短波天线的覆盖空域、极化方式，飞机外形结构等对天线方向图的影响，以及飞机的气动外形、电子设备安装位置和天线工作方式等。

据推测，E－3A预警机中超短波发射天线应安装在前机身上部，接收天线应安装在前机身下部［2］，如图2所示。超短波天线之间的隔离度可达到40 dB以上。

4.2 收/发通路

多条超短波通信通路要同时工作，收/发通路的谐波抑制、杂散抑制、宽带噪声、反向互调、抗阻塞电平、交调抑制和镜频抑制等多项技术指标均需满足一定要求。在这些技术指标中，抗阻塞电平和宽带噪声是超短波通路设计的重点和难点。下面以抗阻塞电平和宽带噪声的设计为例，先介绍2条超短波通信通路的指标需求分析与实现，再扩展到多通路的指标需求分析与实现。

(1)抗阻塞电平指标需求分析与实现

以2条超短波通信通路为例，如果超短波通信通路1的发射功率约为20 W，该发射信号通过天线辐射和空间衰减后，会到达超短波通信通路2的接收端，并且信号电平比较强，如图3所示。在该强干扰信号下，超短波通信通路2的接收通路不能被阻塞。即接收通路的抗阻塞电平需优于该强干扰信号电平，具体计算如下:

即，超短波通信通路的抗阻塞电平应优于3 dBm。

图3 2条超短波通信通路同时工作示意Fig.3 Working together of two ultra－ short wave communication pathways

超短波接收信号的一般处理流程为:超短波天线→频段滤波器(选择工作频段范围内的信号，一般插损较小)低噪声放大器→预选滤波器(选择具体工作频率点的信号，一般插损较大)→低噪声放大器→混频器→中频滤波器(选择固定中频的信号，频段窄，矩形系数小，选择性好)→放大器→…。干扰信号和有用信号经过滤波器后的插损和经过放大器的增益均有一定差异。为了实现该项抗阻塞电平指标，在设计超短波接收通路时，需结合其他指标，合理选择各级的滤波器的选择性和放大器的线性度。一般原则是:干扰信号进入接收通路后，放大器和混频器等非线性器件需处于线性区或可接受的非线性区;对于含AGC控制的接收通路，干扰信号不能影响AGC的正常工作。

(2)宽带噪声指标需求分析与实现

超短波通信通路1(工作在频率f1)发射时，不仅会发射主频信号，还会附带出较强的宽带噪声，如图4所示。

图4 发射信号示意Fig.4 Correlation of the transmiting signals

如果落在超短波通信通路2(工作在频率f2)接收频段范围内宽带噪声比较大，将会影响超短波通信通路2的正常接收。因此，超短波通信通路的发射宽带噪声X(dBm/Hz)应尽可能小，具体计算方法如下:

X(dBm/Hz)－40 dB(隔离度)≤－100 dBm(接收灵敏度)－49 dBHz(80 kHz，信号带宽)－10 dB(解调门限)

即，发射宽带噪声 X(dBm/Hz)应不大于－119 dBm/Hz。

超短波发射信号的一般处理流程为:…→中频滤波器→放大器→混频器→放大器→滤波器→末前级功率放大器→滤波器→末级功率放大器→超短波天线。在发射通路中，影响宽带噪声的因素主要包括本振宽带噪声、通道噪声系数、非线性器件的线性度和滤波器的选择性。本振宽带噪声会随本振信号通过混频器进入发射通道;通道噪声会抬高通道噪声水平;器件的非线性会引起扩谱，对宽带信号尤其明显;滤波器选择不当或放置位置不当，均可能影响宽带噪声指标。因此，在设计发射通路时，结合其他发射指标，合理控制以上几种因素。

(3)多个收发通路的指标分析与实现

如果机载通信系统包含多路超短波收发通路，如E－3A预警机，除了要实现单个收发通路的独立设计(与2通路的实现方式基本相同)外，还需进行多通路间的联合设计。为了实现多通路的同时工作，可在超短波天线与电台之间串入共址滤波器，如图5所示。

图5 共址滤波器的应用示意Fig.5 Application of co － site filters

共址滤波器由多个子工作频段滤波器组成，相邻子段之间既相互衔接又相互独立，共同覆盖整个工作频段。它不仅可以将多部电台的工作频段有效分开，提高电台之间的电磁兼容性，又可以减少电台的设计压力，因此，共址滤波器也经常用在只有2条超短波通路的飞机平台上。

4.3 系统控制管理

根据抗阻塞电平和宽带噪声的指标需求，结合收/发通路设计的实际能力，以及天线隔离度，各超短波通信通路的工作频率一般需间隔一段频率才能正常工作。这就需要系统采取频率管理措施，限定各超短波通信通路的相对工作频率，从而达到电磁兼容的目的。

5 结语

机载通信系统功能众多、关系复杂。如何实现各功能间的电磁兼容，是系统设计的重点，也是一个非常复杂的课题。文中从天线布局、收/发通路和系统控制管理三方面着手，结合实际工作经验，介绍了机载通信系统多功能间的电磁兼容设计方法，并以解决机载多个超短波电台之间的电磁兼容问题为实例，给出了解决措施的典型应用，为解决机载通信系统多功能间的电磁兼容问题提供一定参考。

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