发射机谐波干扰导航设备分析

摘要：采用频域分析方法分析机动平台的电磁频谱特性，针对发射机系统产生的谐波对Glonass导航设备所造成的电磁干扰，利用电磁仿真设计软件EMC Studio进行仿真计算，从而获得最大干扰路径和干扰信号幅度，并给出具体的改进设计方法和处理措施，实现系统兼容工作。
关键词：机动平台；Glonass导航设备；谐波干扰；电磁仿真

0 引言
    机动平台的发射机系统可以用于对特定电磁信号进行干扰，是目前不受地域限制的重要干扰手段之一，在电子对抗应用中具有举足轻重的作用。某机动平台上既集成有自身保障系统，又集成有任务电子系统，即发射机系统。自身保障系统中的导航控制系统是机动平台快速移动目标、有效完成任务的重要保证。因此，在一些机动平台上不只安装一种导航设备，它们互为备份，可以相应提高机动平台在特定时期的抗干扰能力和生存能力。
    当前主要的卫星定位导航设备包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass系统等，它们都具有定位、导航、信息采集等功能。发射机系统主要对特定区域内的特定信号进行干扰。当发射机系统满功率发射时，将产生较强的谐波信号。若谐波信号落入机动平台上非常灵敏的导航设备接收通带内，就会产生潜在干扰，从而影响机动平台的正常运行和作战使命。这是因为导航设备所能接收到的卫星信号非常弱，需要把接收机的灵敏度设计得很高，从而导致接收机很容易受到外界其他电磁信号的干扰。因此，针对如何减少发射机系统谐波对导航设备的干扰和提高导航设备自身的抗干扰性能进行设计分析，就显得极为重要。

1 谐波干扰仿真分析
1．1 潜在干扰分析
    若要实现机动平台复杂电磁信号兼容设计，就必须全面掌握机动平台电子设备和收发天线的总体布局。为使导航天线在同一时间内能尽量多接收几颗卫星提供的信号，需把它布局在机动平台顶部且不受任何物体遮挡；干扰天线采用微带天线结构，其优点是体积小、重量轻、低剖面，易与高速机动平台共形，且电性能多样化，尤其适合大规模生产。干扰天线为了完成对特定区域内特定信号的辐射干扰，需布局在平台两侧，且能保证机动平台按一定轨迹高速运动时，天线方向图能指向所设定的干扰区域。在分析整个机动平台电磁信号频谱特性过程中，因特殊原因不具体描述各设备的工作频率和干扰机理。
    机动平台主要电磁信号频谱特性示意图如图1，图2所示。

    在进行机动平台主要电磁频谱特性分析时，发现可能存在两个潜在干扰，即机载发动机电磁辐射频率和发射机某次谐波频率覆盖了相应接收机的工作带宽。发动机工作时的电磁辐射特性见图2，结合图1可以明显看出机动平台发动机工作时产生的辐射频谱较宽，已覆盖了大多数接收设备的工作频段，似乎存在潜在干扰。在机动平台自身的鉴定试验中已经证明，发动机不会对接收机造成干扰。这是因为发动机工作时尽管产生了尖脉冲，尖脉冲前沿陡峭，在频谱展开时具有很丰富的频率分量，但都是不带调制的单载波，且持续时间极短，信号幅度小，几乎没什么干扰能力；另外，接收机本身也具备抑制象这种单载波弱信号干扰的能力。
    机动平台的发射机系统包含高、低两个频段的发射机，主要针对某些特定区域特定信号进行干扰，要实现这个功能，它们的发射功率都较大。因此，当它们满功率工作时，将产生较强的谐波信号和交调信号，若这些信号落入了机动平台接收设备的通带内，就有可能造成干扰。通过仔细分析谐波和交调信号频率，仅发现低频段发射机一部分工作频率的谐波落入了Glonass导航设备的接收通带内，将对Glonass导航设备造成潜在干扰。为了获得谐波干扰的主要路径和干扰程度，就需利用工程软件进行仿真分析，便于在研制过程中采取相应控制措施降低谐波干扰程度或者增大敏感设备抗干扰能力。
1．2 干扰频率分析
    机动平台发射机系统包含高、低两个频段大功率发射机，将产生的电磁辐射干扰主要包括基波干扰、谐波干扰和交调干扰。基波干扰最大，需在方案设计初期通过频谱管理避开基波对平台内其他设备的电磁干扰。谐波和交调频率非常丰富，对它们可能产生的电磁辐射干扰也不容忽视，需要对各种组合频率情况进行详细分析，充分明确是否有干扰频率落入了机动平台内相应接收设备的工作频带。平台内的接收设备主要包括两类，一类是任务接收设备，一类是导航保障设备。任务接收设备主要为发射机系统提供相应信息，共用天线，分时工作，因此不会受到发射机的干扰。导航保障设备需要不间断工作，不允许受到外来干扰。GPS导航设备的工作频率在(1 575．42±1．5)MHz，Glonass导航设备的工作频率在(1 602±7)MHz，通带均较窄。首先通过频谱管理确保了发射机基波不会对两种导航设备造成干扰。其次对发射机的交调信号进行分析，当同时发射高、低频段两组干扰信号时，将产生如表1中所示频率范围内的交调信号。

    从分析结果可以看出，同时发射高、低频段两组干扰信号时所产生的交调信号未落入两种导航设备的接收通带内，不会出现潜在干扰频率问题。最后对谐波信号进行分析，发现低频段发射机工作时，其中一部分谐波频率落入了Glonass导航设备的接收通带内，有潜在干扰Glonass导航设备正常工作的可能。
    通过以上频率分析已经明确，机动平台的主要干扰问题为谐波干扰，即发射机系统的一部分谐波可能潜在干扰Glonass导航设备。
1．3 谐波干扰仿真
1．3．1 仿真物理模型
    根据机动平台电子设备和天线布局情况以及平台本身的低电磁屏蔽性进行分析，谐波干扰途径主要有两种，即电缆耦合和天线辐射，其他途径造成的干扰都应比它们更小。
    在明确干扰源、干扰路径和敏感体之后，就可以细化仿真物理模型，由机动平台、线缆线束、低频段发射天线及Glonass导航天线构建的仿真物理模型如图3所示，其中机动平台介电常数为1．2，导电率为100 S／m，设备为导体。

1．3．2 线缆结点设备连接关系
    在建立仿真模型时，首先应明确干扰设备在仿真模型中的结点设备连接关系和Glonass天线馈线连接关系，其次是源端结点设备内部电路(含信号源)，最后是终端Glonass天线结点设备内部电路(含探针)。
1．3．3 仿真结果分析
    发射机系统低频段发射天线在预设的谐波1 602 MHz的辐射方向图见图3所示。假设低频段发射机输出基波功率为50 dBm，在谐波为1 602 MHz处抑制70 dB，刚好满足国军标对二、三次谐波的基本抑制要求，则发射天线等效输入谐波功率为-20 dBm；若天线馈线的屏蔽效能为90 dB，则电缆等效泄露功率为-110 dBm。现在可以通过预设条件来获得如下仿真结果：
    Glonass天线接收到发射天线对外辐射的三次谐波功率为-98．5 dBm，高于导航设备接收灵敏度近30 dB，存在明显干扰。
    Glonass天线馈线在接收机一端的感应功率为-131．0 dBm；在另一端的感应功率为-131．3 dBm，不存在明显干扰。
    对仿真结果进行分析可以发现，Glonass导航设备所受到的谐波干扰，主要来源于收发天线的空间耦合，通过线缆耦合感应的干扰信号远小于天线间耦合路径，但也不能忽视对线缆的360°屏蔽端接要求。

2 改进设计与建议
2．1 改进设计
    在明确干扰路径之后，需要采取相应措施进行改进设计。仿真分析的结果表明，采取以下改进设计方法可以解决谐波的干扰问题，实现系统兼容的目标。
    (1)增大发射天线金属背板的表面积，既可以减小发射天线后瓣干扰，也可以增大发射天线与Glonass导航天线间的隔离度，从而减小发射天线谐波对Glonass导航天线的干扰。但同时也减小了基波的辐射方向图，因此，在满足基波辐射方向图的条件下，尽量增大发射天线金属背板的表面积。
    (2)增大收发天线在谐波频段内的隔离度，发射天线谐波辐射方向图尽量偏离Glonass导航天线接收方向图，且Glonass导航天线方向图尽量朝向空中。
    (3)优化导航天线的安装布局，优化结果是GPS导航天线的安装位置最佳。若直接互换位置，就会减弱GPS导航天线接收卫星信号的能力；若直接布局在同一个位置，就必须首先解决导航天线间的相互干扰。在现阶段，集成了以上这两种导航方式的天线已研制成功，并增加了预选功能，增强了抗干扰能力，外形结构示意图见图4。该天线体积为104 mm×71 mm×10 mm；重量较轻为100 g，与单个GPS导航天线外形和安装方式一致。另外，采用综合传感器方式，可以相应减少平台内天线数量，从而相应减小天线布局的难度。

2．2 处理措施
    根据所需实施的改进设计要求，建议作如下处理措施：
    (1)适当增大发射天线金属背板的表面积，也可在发射天线的安装面涂敷金属涂料或加装导电碳纤维夹层。
    (2)优先采用前级具备滤波功能的“二合一”导航天线和接收机。
    (3)调整天线间距，或将天线地金属层设计成“周期性非理想地”，在谐波处可以增加10～15 dB的隔离。
    (4)提高发射机谐波抑制性能。
    (5)加强系统中射频连接的阻抗匹配设计。
    (6)大功率连接器选用没有镀镍工艺的连接器。
    (7)提高电缆的屏蔽效能。
    (8)系统中应采取多点接地措施，特别是大功率滤波器类的接地。

3 结语
    机动平台在某些特定时期的作用将越来越大，需要集成的功能将越来越多，采用综合传感器方式将是未来科技发展的趋势。本文根据机动平台发射机系统谐波对Glonass导航设备所造成的电磁干扰进行了全面分析，并通过电磁仿真获得最大干扰路径和干扰程度。为了解决干扰问题，给出了所需实施的改进设计方法和处理措施，从而为此类机动平台干扰系统的顺利研制提供了一套行之有效的设计手段。伴随某工程的顺利研制，验证了它在工程设计中的有效性和使用价值，具有进一步推广应用的基础。