1 引言

    飛機(jī)安裝有大量的無(wú)線電收發(fā)設(shè)備，如機(jī)載導(dǎo)航、通信和客艙信息系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能會(huì)受到機(jī)上其它電子電氣設(shè)備工作時(shí)輻射發(fā)射的電磁場(chǎng)影響。這個(gè)影響在新發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)中定義為前門耦合干擾。在商用飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)載接收機(jī)前門耦合干擾越來(lái)越受到適航審查的重視。因此在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)之初即確定重要系統(tǒng)潛在的前門耦合干擾并加以避免是必要的。

2 基本原理

    機(jī)載接收機(jī)前門耦合是指機(jī)上電子電氣設(shè)備/部件輻射發(fā)射的電磁能量通過(guò)飛機(jī)縫隙、窗體等繞射至機(jī)載天線，從而對(duì)通信、導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)生干擾，圖1示出了前門耦合干擾的機(jī)理。

圖1 前門耦合干擾機(jī)理

    從圖1可以看出，是否引起接收機(jī)前門耦合干擾取決于機(jī)載設(shè)備的輻射發(fā)射通過(guò)天線耦合到接收機(jī)天線端口的能量。因此，在分析前門耦合干擾時(shí)就必須分析機(jī)載設(shè)備的輻射發(fā)射在傳輸路徑上的衰減，即干擾路徑損耗（Interference Path Loss，IPL）。干擾路徑損耗只與傳輸路徑和媒介有關(guān)，與輻射源和敏感設(shè)備特性無(wú)關(guān)。所以，在分析前門耦合問(wèn)題時(shí)，均可等效為對(duì)IPL的求解。

    若將機(jī)載設(shè)備的輻射發(fā)射看作為一個(gè)全向天線的輻射發(fā)射，那么對(duì)干擾路徑損耗的計(jì)算又可等效為兩部天線組成的二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)求解。

    常用的對(duì)S參數(shù)求解的方法有很多種，而本文采用了應(yīng)用較少的矩量法（MOM）。矩量法是一種基于積分方程的嚴(yán)格的數(shù)值方法，其精度主要取決于目標(biāo)幾何建模精度和正確的基權(quán)函數(shù)的選擇及阻抗元素的計(jì)算。其思想主要是將幾何目標(biāo)剖分離散，再定義合適的基函數(shù)，然后建立積分方程，用權(quán)函數(shù)檢驗(yàn)從而產(chǎn)生一個(gè)矩陣方程，通過(guò)對(duì)該矩陣方程求解，得到幾何目標(biāo)上的電流分布，從而得到其它近/遠(yuǎn)場(chǎng)信息。

3 算法驗(yàn)證

    在文獻(xiàn)中提到，通過(guò)建立機(jī)體簡(jiǎn)化模型，采用時(shí)域有限差分方法（FDTD）對(duì)機(jī)載接收機(jī)前門耦合問(wèn)題進(jìn)行了仿真計(jì)算。為驗(yàn)證MOM求解該問(wèn)題的有效性，建立相同的模型分別采用FDTD和MOM方法進(jìn)行求解。圖2為機(jī)體簡(jiǎn)化模型，圖中A為模擬機(jī)載設(shè)備輻射發(fā)射的偶極子天線，B為安裝在飛機(jī)外部殼體上的機(jī)載天線。

圖2 機(jī)體簡(jiǎn)化模型

    仿真計(jì)算的頻段為50MHz-500MHz，該頻段囊括了大部分易受前門耦合干擾的機(jī)載接收機(jī)工作頻段，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 為兩種不同算法得到的計(jì)算結(jié)果

    從圖3可以看出兩種方法的計(jì)算結(jié)果吻合較好。

4 算例分析

    在工程應(yīng)用中，干擾源設(shè)備遍布飛機(jī)內(nèi)部各艙室，包括駕駛艙、客艙、電子電氣設(shè)備艙（E/E艙）、貨艙等，多部機(jī)載天線位于機(jī)身背部和腹部。在建模時(shí)，還需要考慮艙門的縫隙和窗體結(jié)構(gòu)等。圖4為客機(jī)簡(jiǎn)化模型。

圖4 客機(jī)簡(jiǎn)化模型

    飛機(jī)E/E艙是機(jī)載設(shè)備集中安裝的區(qū)域，而位于機(jī)身腹部的甚高頻通信天線距離E/E艙最近，因此建立數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 前門耦合天線布置

    圖5中，TX為發(fā)射天線，放置在E/E艙內(nèi)，模擬機(jī)載設(shè)備的輻射發(fā)射；RX為接收天線，模擬VHF通信天線。

    本算例使用商業(yè)軟件FEKO進(jìn)行計(jì)算，頻段為118~137MHz，與VHF通信的工作頻段一致，目標(biāo)為求解兩部天線端口間的S參數(shù)。

    為確保計(jì)算精度和計(jì)算量，網(wǎng)格刨分大小設(shè)為0.27m，約為最大頻率波長(zhǎng)的8分之1。

    由于飛機(jī)窗體、縫隙尺寸較小，為確保精度，增大在其邊緣刨分密度，設(shè)置在其邊緣處的網(wǎng)格刨分大小為0.1m，刨分后的模型如圖6所示。

圖6 平面劃分后的網(wǎng)格模型

5 結(jié)果分析

    通過(guò)計(jì)算得到了VHF通信工作頻段內(nèi)的S參數(shù)，如圖7所示。

圖7 VHF-1收發(fā)機(jī)工作頻段的S參數(shù)

    從圖7中可以看出在125MHz頻點(diǎn)處，兩個(gè)天線之間的隔離度約為-33dBm。在國(guó)產(chǎn)某型支線飛機(jī)研制過(guò)程中，VHF通信在125MHz產(chǎn)生了較大噪聲，VHF收發(fā)機(jī)的靈敏度為-100dBm，可以確定安裝在電子電氣艙內(nèi)的設(shè)備輻射發(fā)射功率測(cè)量不應(yīng)超過(guò)-67dBm。按照該結(jié)論，對(duì)安裝在電子電氣艙電子電氣設(shè)備輻射發(fā)射功率進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，飛控計(jì)算機(jī)（FCC）在125MHz的輻射發(fā)射功率約為-60dBm。可以初步確定FCC可能是導(dǎo)致干擾的輻射源。

    為此在機(jī)上開(kāi)展了VHF收發(fā)機(jī)的前門耦合測(cè)試。在FCC開(kāi)機(jī)情況下，VHF天線端口125MHz處接收到較大信號(hào)，功率約為92dBm，在FCC關(guān)機(jī)情況下測(cè)量該信號(hào)消失。可見(jiàn)該計(jì)算結(jié)果不僅在研制階段可以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，在飛機(jī)試飛階段同樣指導(dǎo)了飛機(jī)故障排除工作。

    本文提出的S參數(shù)等效仿真計(jì)算方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于飛機(jī)排故工作的驗(yàn)證，表明其具有較高的準(zhǔn)確度和有效性，能夠滿足工程實(shí)際需求。同時(shí)在接收機(jī)前門耦合計(jì)算中，簡(jiǎn)化了計(jì)算量并減少了建模復(fù)雜度。

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本文標(biāo)題：基于FEKO的機(jī)載接收機(jī)前門耦合研究

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