發(fā)射機諧波干擾導(dǎo)航設(shè)備分析

摘要：采用頻域分析方法分析機動平臺的電磁頻譜特性，針對發(fā)射機系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對Glonass導(dǎo)航設(shè)備所造成的電磁干擾，利用電磁仿真設(shè)計軟件EMC Studio進行仿真計算，從而獲得最大干擾路徑和干擾信號幅度，并給出具體的改進設(shè)計方法和處理措施，實現(xiàn)系統(tǒng)兼容工作。
關(guān)鍵詞：機動平臺；Glonass導(dǎo)航設(shè)備；諧波干擾；電磁仿真

0 引言
    機動平臺的發(fā)射機系統(tǒng)可以用于對特定電磁信號進行干擾，是目前不受地域限制的重要干擾手段之一，在電子對抗應(yīng)用中具有舉足輕重的作用。某機動平臺上既集成有自身保障系統(tǒng)，又集成有任務(wù)電子系統(tǒng)，即發(fā)射機系統(tǒng)。自身保障系統(tǒng)中的導(dǎo)航控制系統(tǒng)是機動平臺快速移動目標(biāo)、有效完成任務(wù)的重要保證。因此，在一些機動平臺上不只安裝一種導(dǎo)航設(shè)備，它們互為備份，可以相應(yīng)提高機動平臺在特定時期的抗干擾能力和生存能力。
    當(dāng)前主要的衛(wèi)星定位導(dǎo)航設(shè)備包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass系統(tǒng)等，它們都具有定位、導(dǎo)航、信息采集等功能。發(fā)射機系統(tǒng)主要對特定區(qū)域內(nèi)的特定信號進行干擾。當(dāng)發(fā)射機系統(tǒng)滿功率發(fā)射時，將產(chǎn)生較強的諧波信號。若諧波信號落入機動平臺上非常靈敏的導(dǎo)航設(shè)備接收通帶內(nèi)，就會產(chǎn)生潛在干擾，從而影響機動平臺的正常運行和作戰(zhàn)使命。這是因為導(dǎo)航設(shè)備所能接收到的衛(wèi)星信號非常弱，需要把接收機的靈敏度設(shè)計得很高，從而導(dǎo)致接收機很容易受到外界其他電磁信號的干擾。因此，針對如何減少發(fā)射機系統(tǒng)諧波對導(dǎo)航設(shè)備的干擾和提高導(dǎo)航設(shè)備自身的抗干擾性能進行設(shè)計分析，就顯得極為重要。

1 諧波干擾仿真分析
1．1 潛在干擾分析
    若要實現(xiàn)機動平臺復(fù)雜電磁信號兼容設(shè)計，就必須全面掌握機動平臺電子設(shè)備和收發(fā)天線的總體布局。為使導(dǎo)航天線在同一時間內(nèi)能盡量多接收幾顆衛(wèi)星提供的信號，需把它布局在機動平臺頂部且不受任何物體遮擋；干擾天線采用微帶天線結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是體積小、重量輕、低剖面，易與高速機動平臺共形，且電性能多樣化，尤其適合大規(guī)模生產(chǎn)。干擾天線為了完成對特定區(qū)域內(nèi)特定信號的輻射干擾，需布局在平臺兩側(cè)，且能保證機動平臺按一定軌跡高速運動時，天線方向圖能指向所設(shè)定的干擾區(qū)域。在分析整個機動平臺電磁信號頻譜特性過程中，因特殊原因不具體描述各設(shè)備的工作頻率和干擾機理。
    機動平臺主要電磁信號頻譜特性示意圖如圖1，圖2所示。

    在進行機動平臺主要電磁頻譜特性分析時，發(fā)現(xiàn)可能存在兩個潛在干擾，即機載發(fā)動機電磁輻射頻率和發(fā)射機某次諧波頻率覆蓋了相應(yīng)接收機的工作帶寬。發(fā)動機工作時的電磁輻射特性見圖2，結(jié)合圖1可以明顯看出機動平臺發(fā)動機工作時產(chǎn)生的輻射頻譜較寬，已覆蓋了大多數(shù)接收設(shè)備的工作頻段，似乎存在潛在干擾。在機動平臺自身的鑒定試驗中已經(jīng)證明，發(fā)動機不會對接收機造成干擾。這是因為發(fā)動機工作時盡管產(chǎn)生了尖脈沖，尖脈沖前沿陡峭，在頻譜展開時具有很豐富的頻率分量，但都是不帶調(diào)制的單載波，且持續(xù)時間極短，信號幅度小，幾乎沒什么干擾能力；另外，接收機本身也具備抑制象這種單載波弱信號干擾的能力。
    機動平臺的發(fā)射機系統(tǒng)包含高、低兩個頻段的發(fā)射機，主要針對某些特定區(qū)域特定信號進行干擾，要實現(xiàn)這個功能，它們的發(fā)射功率都較大。因此，當(dāng)它們滿功率工作時，將產(chǎn)生較強的諧波信號和交調(diào)信號，若這些信號落入了機動平臺接收設(shè)備的通帶內(nèi)，就有可能造成干擾。通過仔細分析諧波和交調(diào)信號頻率，僅發(fā)現(xiàn)低頻段發(fā)射機一部分工作頻率的諧波落入了Glonass導(dǎo)航設(shè)備的接收通帶內(nèi)，將對Glonass導(dǎo)航設(shè)備造成潛在干擾。為了獲得諧波干擾的主要路徑和干擾程度，就需利用工程軟件進行仿真分析，便于在研制過程中采取相應(yīng)控制措施降低諧波干擾程度或者增大敏感設(shè)備抗干擾能力。
1．2 干擾頻率分析
    機動平臺發(fā)射機系統(tǒng)包含高、低兩個頻段大功率發(fā)射機，將產(chǎn)生的電磁輻射干擾主要包括基波干擾、諧波干擾和交調(diào)干擾?；ǜ蓴_最大，需在方案設(shè)計初期通過頻譜管理避開基波對平臺內(nèi)其他設(shè)備的電磁干擾。諧波和交調(diào)頻率非常豐富，對它們可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾也不容忽視，需要對各種組合頻率情況進行詳細分析，充分明確是否有干擾頻率落入了機動平臺內(nèi)相應(yīng)接收設(shè)備的工作頻帶。平臺內(nèi)的接收設(shè)備主要包括兩類，一類是任務(wù)接收設(shè)備，一類是導(dǎo)航保障設(shè)備。任務(wù)接收設(shè)備主要為發(fā)射機系統(tǒng)提供相應(yīng)信息，共用天線，分時工作，因此不會受到發(fā)射機的干擾。導(dǎo)航保障設(shè)備需要不間斷工作，不允許受到外來干擾。GPS導(dǎo)航設(shè)備的工作頻率在(1 575．42±1．5)MHz，Glonass導(dǎo)航設(shè)備的工作頻率在(1 602±7)MHz，通帶均較窄。首先通過頻譜管理確保了發(fā)射機基波不會對兩種導(dǎo)航設(shè)備造成干擾。其次對發(fā)射機的交調(diào)信號進行分析，當(dāng)同時發(fā)射高、低頻段兩組干擾信號時，將產(chǎn)生如表1中所示頻率范圍內(nèi)的交調(diào)信號。

    從分析結(jié)果可以看出，同時發(fā)射高、低頻段兩組干擾信號時所產(chǎn)生的交調(diào)信號未落入兩種導(dǎo)航設(shè)備的接收通帶內(nèi)，不會出現(xiàn)潛在干擾頻率問題。最后對諧波信號進行分析，發(fā)現(xiàn)低頻段發(fā)射機工作時，其中一部分諧波頻率落入了Glonass導(dǎo)航設(shè)備的接收通帶內(nèi)，有潛在干擾Glonass導(dǎo)航設(shè)備正常工作的可能。
    通過以上頻率分析已經(jīng)明確，機動平臺的主要干擾問題為諧波干擾，即發(fā)射機系統(tǒng)的一部分諧波可能潛在干擾Glonass導(dǎo)航設(shè)備。
1．3 諧波干擾仿真
1．3．1 仿真物理模型
    根據(jù)機動平臺電子設(shè)備和天線布局情況以及平臺本身的低電磁屏蔽性進行分析，諧波干擾途徑主要有兩種，即電纜耦合和天線輻射，其他途徑造成的干擾都應(yīng)比它們更小。
    在明確干擾源、干擾路徑和敏感體之后，就可以細化仿真物理模型，由機動平臺、線纜線束、低頻段發(fā)射天線及Glonass導(dǎo)航天線構(gòu)建的仿真物理模型如圖3所示，其中機動平臺介電常數(shù)為1．2，導(dǎo)電率為100 S／m，設(shè)備為導(dǎo)體。

1．3．2 線纜結(jié)點設(shè)備連接關(guān)系
    在建立仿真模型時，首先應(yīng)明確干擾設(shè)備在仿真模型中的結(jié)點設(shè)備連接關(guān)系和Glonass天線饋線連接關(guān)系，其次是源端結(jié)點設(shè)備內(nèi)部電路(含信號源)，最后是終端Glonass天線結(jié)點設(shè)備內(nèi)部電路(含探針)。
1．3．3 仿真結(jié)果分析
    發(fā)射機系統(tǒng)低頻段發(fā)射天線在預(yù)設(shè)的諧波1 602 MHz的輻射方向圖見圖3所示。假設(shè)低頻段發(fā)射機輸出基波功率為50 dBm，在諧波為1 602 MHz處抑制70 dB，剛好滿足國軍標(biāo)對二、三次諧波的基本抑制要求，則發(fā)射天線等效輸入諧波功率為-20 dBm；若天線饋線的屏蔽效能為90 dB，則電纜等效泄露功率為-110 dBm?，F(xiàn)在可以通過預(yù)設(shè)條件來獲得如下仿真結(jié)果：
    Glonass天線接收到發(fā)射天線對外輻射的三次諧波功率為-98．5 dBm，高于導(dǎo)航設(shè)備接收靈敏度近30 dB，存在明顯干擾。
    Glonass天線饋線在接收機一端的感應(yīng)功率為-131．0 dBm；在另一端的感應(yīng)功率為-131．3 dBm，不存在明顯干擾。
    對仿真結(jié)果進行分析可以發(fā)現(xiàn)，Glonass導(dǎo)航設(shè)備所受到的諧波干擾，主要來源于收發(fā)天線的空間耦合，通過線纜耦合感應(yīng)的干擾信號遠小于天線間耦合路徑，但也不能忽視對線纜的360°屏蔽端接要求。

2 改進設(shè)計與建議
2．1 改進設(shè)計
    在明確干擾路徑之后，需要采取相應(yīng)措施進行改進設(shè)計。仿真分析的結(jié)果表明，采取以下改進設(shè)計方法可以解決諧波的干擾問題，實現(xiàn)系統(tǒng)兼容的目標(biāo)。
    (1)增大發(fā)射天線金屬背板的表面積，既可以減小發(fā)射天線后瓣干擾，也可以增大發(fā)射天線與Glonass導(dǎo)航天線間的隔離度，從而減小發(fā)射天線諧波對Glonass導(dǎo)航天線的干擾。但同時也減小了基波的輻射方向圖，因此，在滿足基波輻射方向圖的條件下，盡量增大發(fā)射天線金屬背板的表面積。
    (2)增大收發(fā)天線在諧波頻段內(nèi)的隔離度，發(fā)射天線諧波輻射方向圖盡量偏離Glonass導(dǎo)航天線接收方向圖，且Glonass導(dǎo)航天線方向圖盡量朝向空中。
    (3)優(yōu)化導(dǎo)航天線的安裝布局，優(yōu)化結(jié)果是GPS導(dǎo)航天線的安裝位置最佳。若直接互換位置，就會減弱GPS導(dǎo)航天線接收衛(wèi)星信號的能力；若直接布局在同一個位置，就必須首先解決導(dǎo)航天線間的相互干擾。在現(xiàn)階段，集成了以上這兩種導(dǎo)航方式的天線已研制成功，并增加了預(yù)選功能，增強了抗干擾能力，外形結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。該天線體積為104 mm×71 mm×10 mm；重量較輕為100 g，與單個GPS導(dǎo)航天線外形和安裝方式一致。另外，采用綜合傳感器方式，可以相應(yīng)減少平臺內(nèi)天線數(shù)量，從而相應(yīng)減小天線布局的難度。

2．2 處理措施
    根據(jù)所需實施的改進設(shè)計要求，建議作如下處理措施：
    (1)適當(dāng)增大發(fā)射天線金屬背板的表面積，也可在發(fā)射天線的安裝面涂敷金屬涂料或加裝導(dǎo)電碳纖維夾層。
    (2)優(yōu)先采用前級具備濾波功能的“二合一”導(dǎo)航天線和接收機。
    (3)調(diào)整天線間距，或?qū)⑻炀€地金屬層設(shè)計成“周期性非理想地”，在諧波處可以增加10～15 dB的隔離。
    (4)提高發(fā)射機諧波抑制性能。
    (5)加強系統(tǒng)中射頻連接的阻抗匹配設(shè)計。
    (6)大功率連接器選用沒有鍍鎳工藝的連接器。
    (7)提高電纜的屏蔽效能。
    (8)系統(tǒng)中應(yīng)采取多點接地措施，特別是大功率濾波器類的接地。

3 結(jié)語
    機動平臺在某些特定時期的作用將越來越大，需要集成的功能將越來越多，采用綜合傳感器方式將是未來科技發(fā)展的趨勢。本文根據(jù)機動平臺發(fā)射機系統(tǒng)諧波對Glonass導(dǎo)航設(shè)備所造成的電磁干擾進行了全面分析，并通過電磁仿真獲得最大干擾路徑和干擾程度。為了解決干擾問題，給出了所需實施的改進設(shè)計方法和處理措施，從而為此類機動平臺干擾系統(tǒng)的順利研制提供了一套行之有效的設(shè)計手段。伴隨某工程的順利研制，驗證了它在工程設(shè)計中的有效性和使用價值，具有進一步推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。