一種機載短波與超短波收發(fā)電臺間的天線耦合干擾預(yù)評估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種機載短波與超短波收發(fā)電臺間的天線耦合干擾預(yù)評估方法，包括步驟一：建立短波電臺射頻模塊的電路仿真模型，計算短波電臺的帶外非線性輸出頻譜；步驟二：計算短波和超短波天線的天線隔離度；步驟三：明確短波電臺干擾超短波電臺的判決條件，進行預(yù)評估的試驗布置；步驟四：獲取Taylor級數(shù)展開式中未知加權(quán)系數(shù)；步驟五：將Taylor級數(shù)展開植入短波電臺的物理模型；步驟六：判斷超短波電臺實物是否出現(xiàn)敏感現(xiàn)象；本發(fā)明在短波電臺設(shè)計初期能夠預(yù)測其裝機后的帶外非線性干擾，及時地調(diào)整射頻模塊內(nèi)部電路參數(shù)，并且能夠準確快速地驗證調(diào)整后帶外非線性干擾抑制的效果。
【專利說明】一種機載短波與超短波收發(fā)電臺間的天線耦合干擾預(yù)評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機載短波與超短波收發(fā)電臺間的天線耦合干擾預(yù)評估方法，適用于短波電臺研制期間的電磁兼容性設(shè)計和機載短波與超短波收發(fā)天線的優(yōu)化布局設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]飛機的大多數(shù)發(fā)射設(shè)備，發(fā)射功率達幾瓦甚至數(shù)百瓦，除發(fā)射有用信號外，還會產(chǎn)生多次諧波和交互調(diào)干擾，在它們進行收發(fā)工作時，飛機系統(tǒng)內(nèi)將產(chǎn)生較大的復(fù)雜干擾場。而現(xiàn)今無線接收設(shè)備的靈敏度越來越低，對外界電磁能量的抗干擾能力要求越來越高。因此，機載收發(fā)設(shè)備間很容易造成電磁干擾問題。大量的工程經(jīng)驗表明，收發(fā)設(shè)備間的天線耦合干擾已經(jīng)成為制約飛機電磁兼容性的關(guān)鍵問題。若采用天線隔離度、全機相互干擾檢查等系統(tǒng)級試驗方法解決該問題，需要待收發(fā)系統(tǒng)裝機后方可進行，過程極其漫長，試驗成本較高，并且在此時發(fā)現(xiàn)問題，較難實施有效的整改方案。因此，很有必要在收發(fā)系統(tǒng)的研制初期，采用基于半實物仿真的方法預(yù)測天線耦合干擾問題，為收發(fā)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計和天線布局優(yōu)化設(shè)計提供重要的數(shù)值依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于半實物仿真的機載短波與超短波收發(fā)電臺間的天線耦合干擾預(yù)評估方法。
[0004]一種基于半實物仿真的機載短波與超短波電臺間天線耦合干擾預(yù)評估方法，具體包括以下幾個步驟:
[0005]步驟一:建立短波電臺射頻模塊的電路仿真模型，并計算短波電臺的帶外非線性輸出頻譜；
[0006]步驟二:仿真計算裝機環(huán)境下短波和超短波天線的天線隔離度；
[0007]步驟三:明確短波電臺干擾超短波電臺的判決條件，并進行預(yù)評估的試驗布置；
[0008]步驟四:獲取用于描述天線耦合干擾的Taylor級數(shù)展開式中未知加權(quán)系數(shù)；
[0009]步驟五:將Taylor級數(shù)展開植入短波電臺的物理模型并連接接收設(shè)備；
[0010]步驟六:判斷超短波電臺實物是否出現(xiàn)敏感現(xiàn)象，觀察數(shù)據(jù)采集卡或頻譜儀顯示的頻譜結(jié)果；
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0012](I)在短波電臺設(shè)計初期能夠預(yù)測其裝機后的帶外非線性干擾，及時地調(diào)整射頻模塊內(nèi)部電路參數(shù)，并且能夠準確快速地驗證調(diào)整后帶外非線性干擾抑制的效果；
[0013](2)在機載天線裝機前能夠?qū)μ炀€布局的合理性進行有效的預(yù)測評估，通過收發(fā)系統(tǒng)真實的電磁敏感現(xiàn)象，能夠為天線的優(yōu)化布局提供重要的設(shè)計依據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]圖1是基于半實物仿真的機載短波與超短波電臺間天線耦合干擾的預(yù)評估流程圖。
[0015]圖2是基于半實物仿真的機載短波與超短波電臺間天線耦合干擾的預(yù)評估試驗布置圖。
[0016]圖3是采用ADS射頻EDA軟件建立短波電臺射頻模塊的電路模型。
[0017]圖4是射頻模塊輸出的基波、2次和3次諧波功率。
[0018]圖5是采用FEKO軟件對短波和超短波天線的天線隔離度進行仿真的仿真結(jié)果。
[0019]圖6是某WAV格式的音頻文件波形圖。
[0020]圖7是通過Taylor級數(shù)展開式的非線性處理后生成短波電臺物理模型的輸出信號。
【具體實施方式】
[0021]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0022]本發(fā)明是一種基于半實物仿真的機載短波與超短波電臺間天線耦合干擾預(yù)評估方法，流程如圖1所示，試驗布置如圖2所示，具體包括以下幾個步驟:
[0023]步驟一:建立短波電臺射頻模塊的電路仿真模型，并計算短波電臺的帶外非線性輸出頻譜；
[0024]根據(jù)短波電臺射頻模塊的設(shè)計方案，采用ADS射頻EDA軟件建立短波電臺射頻模塊的電路仿真模型，利用瞬態(tài)(Transient)仿真控制器,仿真計算短波電臺射頻模塊的帶外非線性輸出頻譜，帶外非線性輸出頻譜包括射頻模塊輸出的基波、2次和3次諧波功率。
[0025]步驟二:仿真計算裝機環(huán)境下短波和超短波天線的天線隔離度；
[0026]短波天線和超短波天線均位于飛機蒙皮上，采用CATIA專用軟件對飛機進行1:1尺寸建模，將該飛機模型導(dǎo)入到電磁仿真軟件FEKO中，以實現(xiàn)天線在裝機環(huán)境下的仿真。采用FEKO軟件對短波和超短波天線的天線隔離度進行仿真計算。通過天線隔離度的仿真，可以求得在短波電臺的諧波頻點上超短波電臺所接收的發(fā)射功率在天線端口間的衰減值(天線隔離度)。
[0027]機載平臺上天線隔離度的仿真屬于電大尺寸問題，整機仿真不可能計算，因此必須采取區(qū)域截取的方法。具體的截取原則如下:兩副機載收/發(fā)天線之外截取空域按近場仿真計算分析一截取球半徑(5?6) λ范圍，λ表示波長。若天線主波瓣等波瓣波束的覆蓋范圍(3dB波束寬度)射向飛機機體蒙皮及外部突出構(gòu)件、突出安裝設(shè)備表面，則將其覆蓋范圍作為截取區(qū)域。
[0028]步驟三:明確短波電臺干擾超短波電臺的判決條件并進行預(yù)評估的試驗布置；
[0029]在超短波電臺頻帶內(nèi)的某一頻率上，短波電臺的諧波干擾信號耦合到超短波電臺天線端口的功率用dB表示為:
[0030]Pri (fin) = Pti (fin) +Ltl (fin) +Ls (fin) +Lrl (fin) (I)
[0031]式中:fin為能夠落入接收系統(tǒng)通帶內(nèi)的工作頻率，Pu(fin)為接收頻帶內(nèi)的某一頻率上從干擾短波電臺耦合到受擾超短波電臺的功率，Pti(f J為短波電臺射頻模塊的帶外輸出信號功率，Ls(fin)為天線隔離度，Ltl (fin)為發(fā)射傳輸線損耗山Jfin)為接收傳輸線損耗。一般地，發(fā)射傳輸線損耗Ltl (fin)，接收傳輸線損SLrt (fin)可以查閱線纜的技術(shù)手冊獲得，天線隔離度Ls(fin)可以通過步驟二求得。
[0032]收發(fā)設(shè)備間的干擾現(xiàn)象可以由接收機對所接收信號的響應(yīng)來判斷，接收機的硬件系統(tǒng)對電磁能量有一響應(yīng)的閾值(敏感度)。當(dāng)干擾信號進入接收機，若干擾功率的大小超過敏感度一定的范圍，將會對接收機的工作性能產(chǎn)生嚴重的影響。求得接收機的干擾耦合功率(fin)的大小將有助于更精確地判斷接收機的被干擾程度。
[0033]最后，短波電臺干擾超短波電臺的判斷條件為:
[0034]Pri (fin)+Sffl ^ Ps^ (fin) (2)
[0035]其中，Ps, (fin)為接收系統(tǒng)的敏感度，S111為接收機的安全裕度(國家標準要求的安全裕度為6dB)。
[0036]若PH(fin)+Sm大于Ps，(fin)，那么短波電臺將有可能會干擾超短波電臺。
[0037]基于半實物仿真的機載短波與超短波電臺間天線耦合干擾的預(yù)評估試驗布置，如圖2所示，包括短波電臺物理模型、功分器、衰減器、數(shù)據(jù)采集卡或頻譜儀、顯示器、超短波接收電臺，其中短波電臺物理模型由PXI控制器、任意波形發(fā)生模塊(AWG)、上變頻模塊構(gòu)成。物理模型的輸出連接功分器的輸入，功分器的兩個輸出端分別連接衰減器和頻譜儀，衰減器的輸出端連接到超短波電臺的天線端口。
[0038]由于短波電臺物理模型輸出的最小功率可能不能達到超短波電臺天線端口耦合功率的最小限值要求，所以建議在短波電臺物理模型的輸出和超短波電臺的天線端口之間連接有衰減器，對應(yīng)地需 要同步修正天線隔離度的仿真結(jié)果。同時，采用頻譜儀或數(shù)據(jù)采集卡實時監(jiān)測短波電臺物理模型的非線性輸出。
[0039]步驟四:獲取用于描述天線耦合干擾的Taylor級數(shù)展開式中未知加權(quán)系數(shù)；
[0040]Taylor級數(shù)展開可以用于描述非線性系統(tǒng)的非線性特性，短波電臺對超短波電臺的天線耦合干擾實質(zhì)上是短波電臺的帶外諧波干擾信號及其在該諧波頻點上經(jīng)天線耦合衰減后落入超短波電臺通信頻帶內(nèi)的非線性現(xiàn)象。因此，Taylor級數(shù)展開適合用于描述短波電臺和超短波電臺間的天線耦合干擾。關(guān)于Taylor級數(shù)展開式中未知加權(quán)系數(shù)，需要結(jié)合圖2中的預(yù)評估試驗布置來確定。
[0041]參照圖2，令Pt Jfin)為短波電臺物理模型在某一頻率上的輸出功率，Ufin)為接收頻帶內(nèi)的某一頻率上從干擾短波電臺耦合到受擾超短波電臺的功率，Ldivider為功分器衰減，Lattenuator為衰減器衰減，能量傳輸關(guān)系用dB表示，則有
[0042]Pri (fin) = Pto (fin) +Ldivider+L



attenuator



(3)
[0043]根據(jù)公式(I)，利用步驟一短波電臺帶外非線性輸出頻譜的計算結(jié)果和步驟二短波和超短波天線天線隔離度的仿真結(jié)果，就可以得到短波電臺物理模型在諧波頻點上的輸出功率PtJfin):
[0044]Pto (fin) = Pti (fin) +Ls.(fin) +Ltl (fin) +Lrl (fin) -Ldivider (4)
[0045]其中，Ls，(fin)為經(jīng)衰減器修正后的天線隔離度，Ls，(fin) = Ls(fin)-Lattenuatorο通過查閱技術(shù)手冊，得知 Ltl (fin)為-3dB, Lrl (fin)為-3dB, Ldivider 為 _3dB。衰減器 Lattenuator 的大小依據(jù)實際情況選擇而定。
[0046]通過公式(4)可以得到在基波、2、3次諧波頻點上，短波電臺物理模型的輸出功率。
[0047]Taylor級數(shù)展開式中未知加權(quán)系數(shù)是利用短波電臺物理模型諧波頻點的輸出功率求解得到的，兩者關(guān)系的具體描述如下:
[0048]假設(shè)輸入信號為U。(t) = UcmCos (wct)，Ucm為電壓幅值，Wc為信號頻率，Taylor級數(shù)展開式為
【權(quán)利要求】
1.一種基于半實物仿真的機載短波與超短波電臺間天線耦合干擾預(yù)評估方法，具體包括以下幾個步驟: 步驟一:建立短波電臺射頻模塊的電路仿真模型，并計算短波電臺的帶外非線性輸出頻譜； 根據(jù)短波電臺射頻模塊的設(shè)計方案，采用仿真軟件建立短波電臺射頻模塊的電路仿真模型，計算短波電臺射頻模塊的帶外非線性輸出頻譜，帶外非線性輸出頻譜包括射頻模塊輸出的基波、2次和3次諧波功率； 步驟二:仿真計算裝機環(huán)境下短波和超短波天線的天線隔離度； 短波天線和超短波天線均位于飛機蒙皮上，采用仿真軟件對飛機進行1:1尺寸建模，將該飛機模型導(dǎo)入到電磁仿真軟件中，對短波和超短波天線的天線隔離度進行仿真，得到短波和超短波天線的天線隔離度； 步驟三:明確短波電臺干擾超短波電臺的判決條件，并進行預(yù)評估的試驗布置； 明確短波電臺干擾超短波電臺的判決條件:
Pri (fin)+Sffl ≥ Ps'(fin) (1) 其中，Ps, (fJ為接收系統(tǒng)的敏感度，Sni為接收機的安全裕度，若KfinHsni大于Ps，(f in)，則短波電臺干擾超短波電臺； 其中，
Pri (fin) = Pti (fj +Ltl (fin) +Ls (fin) +Lrl (fin) (2 ) 式中:fin為能夠落入接收系統(tǒng)通帶內(nèi)的工作頻率，^fin)為接收頻帶內(nèi)的某一頻率上從干擾短波電臺耦合到受擾超短波電臺的功率，Pti (f J為短波電臺射頻模塊的帶外輸出信號功率，Ls(fin)為天線隔離度，Ltl (fin)為發(fā)射傳輸線損耗，Lrt (fin)為接收傳輸線損耗；基于半實物仿真的機載短波與超短波電臺間天線耦合干擾的預(yù)評估試驗布置，包括短波電臺物理模型、功分器、衰減器、數(shù)據(jù)采集卡或頻譜儀、顯示器、超短波接收電臺，其中短波電臺物理模型由PXI控制器、任意波形發(fā)生模塊、上變頻模塊構(gòu)成；物理模型的輸出連接功分器的輸入，功分器的兩個輸出端分別連接衰減器和頻譜儀，衰減器的輸出端連接到超短波電臺的天線端口； 步驟四:獲取用于描述天線耦合干擾的Taylor級數(shù)展開式中未知加權(quán)系數(shù)； 短波電臺物理模型在諧波頻點上的輸出功率PtJfin)為:
Pto (fin) — Pti (fin)+LS’(fin)+Ltl (fin)+Lrl (fin)-Ldivider (3) 其中，W (fin)為經(jīng)裳減器修正后的天線隔尚度，Ls> (fin) = Ls(fin) _Lattenuator, Ldivider為功分器衰減，Lattenuator為衰減器衰減； 通過公式(3)得到在基波、2、3次諧波頻點上，短波電臺物理模型的輸出功率Pwl、Pw2、Pw3 ; 設(shè)a” a2、a3、a4、a5分別表示Taylor級數(shù)展開式中加權(quán)系數(shù)，Taylor級數(shù)展開式為: vo = O1Vi + a，vf + a3vf + a4v^ + a5vf H--------(4) 其中，a1、a2、a3、a4、a5分別表示加權(quán)系數(shù)，忽略三次方以上的高次項，a” a2、a3為:
【文檔編號】G06F17/50GK103927413SQ201410130816
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】戴飛, 包貴浩, 蘇東林, 劉焱, 賈云峰, 李文杰, 曾達 申請人:北京航空航天大學(xué)