放电对甚高频无线电干扰分析

安 辉

(民航宁夏空管分局，宁夏 银川 750009)

0 引言

随着社会的发展，民航飞行量不断增加，甚高频(Very High Frequency，VHF)通信设备也不断增多。民航VHF台站的电磁环境维护，一直是相关维护部门的重点和难点。近年来，随着机场台站周围的商业化发展，各类供电线路、照明设施和亮化工程等供电设备的使用也参差不齐，由电磁泄漏造成的干扰也日渐突出，再加上各种无线电通信、移动基站和无线广播的使用，使机场及VHF台站周围的电磁环境日益复杂，由此导致无线电干扰渐趋日常化。在无线通信过程中，VHF电台周围无用高能量信号通过直接或间接耦合造成的信号干扰会导致VHF通信质量降低或通信中断，此类事件直接影响民用航空运行保障安全。本文采用间隙放电模型进行分析，深入阐述了电晕电火花放电干扰产生机理，通过实验得出数据，并在此基础上通过计算给出民航VHF天线接收端允许的最大干扰功率，在最后结合实际给出抗干扰缓解措施。

1 民航VHF系统

1.1 VHF系统简介

VHF通信作为飞机与飞机、飞机与管制之间的双向话音和数据通信手段，其频率范围是118.000～136.975 MHz。采用调幅工作方式，其频道间隔25 kHz。飞行员通过VHF通信系统中某个指定频率，即可进行地空端接收和发射。由于VHF系统使用VHF无线电波，故为视距传播，有效作用范围较短，在高度为300 m时距离为74 km，作用距离随高度变化。目前在民航通信中，VHF作为主要通信手段用于飞机起飞、降落以及巡航阶段，机组人员和地面管制人员的双向语音通信[1]。在飞机起飞和降落时期是问题最繁忙时期，也是最容易在整个飞行过程中发生事故的阶段，因此必须保证VHF通信的可靠性和稳定性，所以民航飞机上一般都装有一套主用、一套备用和一套应急系统。

VHF通信系统的基本组成模块包括：收发信机、控制盒和天线。发射机产生基准载波信号，并将语音调制到载波上，通过天线发射。接收机通过天馈系统接收信号，并经过放大—检波—滤波处理，获取语音信号，传输到管制员/飞行员耳机中。天线系统一般架设在航管楼楼顶或塔台顶等较为空旷的地带。由于设置电台频段较多，均采用天线共用系统[2]。

1.2 VHF天线共用系统

VHF天线共用系统结构框图如图1所示。相比传统的单体电台，现在规划建设VHF台站时都考虑使用天线共用系统，它采用中馈天线，分别加入带通滤波器、隔离器等措施，使多个电台在共用天线过程中相互隔离且各自匹配[2]，能明显减少天线数量，降低电台间干扰的可能，充分发挥VHF共用系统信道多、容量大和通信质量好的优势，大大提高了VHF系统的通信能力。

图1 VHF天线共用系统结构框图Fig.1 Structure block diagram of VHF antenna common system

2 电晕放电干扰

2.1 无线电干扰原理

无线电干扰信号主要通过耦合方式进入设备端接收信道。耦合方式分为直接耦合和间接耦合，主要对有用无线电信号产生影响，使之性能下降，降低质量，信息出现差错或者丢失，甚至中断通信功能。因此，无线电干扰通常表述为在通信过程中，有用信号被无用信号干扰引起的接收质量下降或者损害的过程。无线电干扰通常分为同频率干扰、互调干扰、交调干扰和杂散干扰等[3]。

2.2 电晕现象

电晕(放电)是指导线局部高电压使周围空气电离形成的自激导电现象[4]。简单来说，电晕现象是由于导体曲率半径较小，导致对周边空气放电，是一种自持放电形式。通常在输电线路的选择和使用过程中，都工作在其最大工作电压下，但导线表面最大场强远远低于电晕的起始场强。然而在线路建设或使用过程中难免会产生机械损伤(毛刺、擦伤)、污秽沾染(油滴、灰尘)和空气湿度较大(水露、霜雪)等，使导线表面结构发生变化，局部电场强度上升，使得在正常供电传输过程中，在电压远比自持放电起始电压低时发生电晕放电[5]。电晕放电会产生光、声和热等效应以及化学反应，带来许多不利影响。例如，电晕电压继续升高，在电流柱不断熄灭和重新爆发时，会出现脉冲放电现象，引起电磁干扰。

2.3 放电产生原理

电晕放电的形成机制与尖端电极的极性密切相关，并且因电晕放电时空间电荷的分布状况和积累不同而不同，可分为正极性电晕和负极线电晕。在直流电压作用下，正/负极性电晕均可在尖端电极附近聚集起空间电荷[6]。在负极性电晕中，当电子引起碰撞发生电离后会形成负离子，此时电子被驱往远离尖端电极的地方，正离子则聚集在靠近电极表面的地方。当电场持续加强时，正离子逐渐被吸进电极，形成脉冲电晕电流，此时负离子被扩散到间隙空间。重复上述过程，循环开始下一个电离及带电粒子运动过程，便会出现脉冲电晕电流。继续升高电压，电晕电流的脉冲频率会增加，幅值也会增大，随后转变为负辉光放电，加速放电发展，持续升高放电电压，将出现负流注放电(又称为羽状放电或刷状放电)。当负流注放电击穿整个间隙，发展到对面电极时，就成为火花放电。工频交流电在正半周为正电分量，负半轴为负电分量，故其产生的放电过程与直流正、负电晕放电原理基本相同。交流电晕电流与电压相位同相，能反映出电晕功率的损耗。工程应用中的电晕特性常使用外加电压与电晕电荷量的关系表示，称为电晕的伏库特性[7]。架空输电线路导线的电晕起始电场强度Es可表示为：

(1)

式中，δ为空气相对密度；m为绞线系数；R为导线半径，单位cm。当δ=1，m=0.5，R=0.9 cm时，Es=19.7 kV/cm。但在实际应用中，导线表面状况不同(如损伤、雨滴、附着物等)都会容易产生电晕放电[8]。文中的干扰原因就是绕线接头松动，产生间隙放电而导致的电晕火花放电现象。

3 电晕电火花放电干扰实验

3.1 实验装置

为探索电晕及电火花放电频谱特性，采用如图2所示的电路进行模拟间隙放电实验。将测量天线放置在离放电回路一定距离处，使用频谱仪对天线所接收到的电磁波信号进行对比分析，并记录相关数据[9]。

图2 间隙放电电路Fig.2 Circuit diagram of gap discharge

局部放电试验装置电源产生器如图3所示。将220 V交流电输入后经自耦调压器和隔离变压器施加到升压变压器，其中隔离变压器的作用为抑制电源中含有的高次谐波，并能阻止经地线窜入测量系统的高次谐波。采用半波整流电路(由硅堆构成，硅堆最高承受电压为200 kV)对电容器充电实现脉冲放电工作模式[10]。要实现交流放电工作模式可短接硅堆并断开电容器。去离子水制成的水阻起到保护电阻作用，阻值取值范围为0.5～1.5 MΩ，主要作用是限制变压器负载短路电流，以免由于电容器初始充电电流过高或实验时击穿而烧坏变压器，同时也能改善变压器绕组上的电位分布，避免损坏变压器。电容器选用脉冲电容器，其容量为300 pF，耐压50 kV。

图3 放电实验电源Fig.3 Power supply of discharge experiment

3.2 实验方法

实验测量装置主要由宽带天线构成的测量系统和频谱仪(E7404A)相连组成[10]。由于火花放电频谱范围较宽，本实验装置主要测量高频及高频段频率范围内电磁能量分布情况。实验将频谱仪测量频率范围调至50 MHz～1 GHz。

3.3 实验结果

在进行高压交流放电时，接通电源回路，闭合开关，逐渐升高电源电压，直到放电间隙出现放电情况，读取频谱仪。针-板放电试验时测得的试验结果如图4所示，对应放电电压幅值约为7 kV[10]。

图4 放电频谱仪测量频谱Fig.4 Measured spectrum of discharge spectrum analyzer

由图4可以看出，去掉背景低频信号的干扰后，频谱仪测得了辐射能量较强的频率信号，且该信号连续分布在测试的整个频段(包括超高频段0.5～1 GHz)；其中在70～150 MHz之间有较高幅值信号，200～800 MHz之间幅值有所降低较为平缓，800 MHz～1 GHz又有所增加，在400 MHz左右有明显尖峰幅值信号。

3.4 实验结论

经过多次实验后，从频谱仪记录情况可分析出，在间隙放电未产生火花之前的电晕干扰，其幅值随频率升高而衰减。当频率低于1 MHz时，衰减微弱；当频率高于1 MHz时，急剧衰减，电晕放电干扰对VHF系统影响不大。当间隙开始放电产生火花时，在频谱仪上容易测量出很宽频率范围的火花放电干扰，在50 MHz～1 GHz的频率的电磁波辐值比较大。

VHF(30～300 MHz)通信正好处于干扰区间范围内。《民用机场与地面航空无线电台(站)电磁环境测试规范》AP-118-TM-2013-01中明确规定，对于VHF周围最大允许干扰场强为9 dBμV/m[11]。电磁环境测试规范中对VHF的要求是以电场强度的形式给出的，所以将场强转化为功率以便直观判定。首先通过式(2)和式(3)算出场强功率密度：

U=20·lg(u/u0)，

(2)

p=u2/zc，

(3)

式中，u0=1 μV；Zc的自由空间阻抗为120π=377 Ω，带入上述最大允许干扰场强，可计算出场强功率密度p=2.109 3×10-14W。天线输出端得到的接收功率密度等于最大接收方向的来波功率密度乘以等效面积，而VHF半波天线的等效面积计算为：

s=λ2×g/(4π)，

(4)

p1=p×s，

(5)

式中，λ为天线工作波长，按频率127 MHz设计，对应工作波长λ=300/127=2.36 m[12]；g为偶极子天线增益，0 dBd=2.15 dBi=1.64；所以计算得出等效面积s=0.726 m2。天线端得到功率密度p1=1.531 4×10-14W。按照场强功率计算：

P=10·lg(p1/p0)，

(6)

式中，p0=1 mW。将上述计算结果带入，得出VHF天线端最大允许干扰场强为-108.15 dBm。从实验数据看出，火花放电在VHF(118～136.975 MHz)段内辐射功率在-70～-30 dBm之间，远远大于VHF天线端最大允许干扰场强，所以会造成共用天线系统内全频段干扰，影响VHF台站运行。

4 干扰缓解措施

4.1 输电线路与无线电设备距离

通过对现运行供电线路的大量实测数据分析表明，无线电干扰水平和传输距离有着密切关系，随着输电线路与电台的横向距离的增大而急速减弱[13]；一般情况下，当距离达到150 m时，放电干扰信号将降低到很弱的程度，而在1 km以外就可忽略。

在无线电通信的收信基站中心，按传统规定输电线路直线距离应该大于2 km。但由于民航各类导航台所使用的频率，均属高频或以上，对这样高的频率，输电线路所产生的电晕干扰将很快衰减到背景水平(5 dB)，要求距离大于400 m。《航空无线电导航台和空中交通管制雷达站设置场地规范》明确要求，在进入导航台200 m以外处的电缆必须进行地埋[14]。

4.2 供电线路维护

对民航VHF台站附近高压线路除了按以上规定建设外，供电部门应定期对其维护。除正常维护项目外，可采用红外探温器对线路电缆的运行温度进行记录，着重对各终端杆、转角杆处有接头的地方进行检测，及早发现运行隐患，杜绝由于松动所致的火花放电现象出现。

5 结束语

通过介绍和分析可以得出，电晕及电火花放电是一种供电线路特有的放电形式，但在电磁环境日益复杂的今天，这种放电形式所产生的电磁干扰也是今后工作中必须重视的一个方面。本文通过间隙放电实验测出火花放电对外辐射出的电磁强度，再将相关标准转换计算出VHF天线端最大允许干扰场强，并将二者数据进行对比得出火花放电对VHF全频段得干扰强度。最后给出有效措施，降低或消除其对民航VHF无线电的干扰，对今后VHF台站建设和运行方面具有指导意义。