具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
在直升机系统中,短波电台和超短波电台主要用于话音通信和数据传输,根据各电台工作频段和功能性能的要求,直升机系统中通常包括1个短波电台和3个超短波电台,与其对应的有1个短波天线和3个超短波天线(即第一超短波天线、第二超短波天线、第三超短波天线)。根据《电磁兼容工程设计手册》418页,4.2节“天线集合的合理布置”中的设计准则和国军标GJB2746-1996《机载天线通用规范》中4.8“检验方法”中的要求,对短波、超短波天线的设计和布局进行初步确定。在直升机系统中,短波天线以“鞭天线”的形式存在,安装在直升机机身后部,尾梁的侧面,短波天线编号记为A(参见图1E所示),工作频段为2MHz~30MHz;3个超短波天线以“马刀天线”的形式存在,位置初步定在直升机机身后部,尾梁的上方或下方,第一超短波天线编号记为B,工作频段为30MHz~88MHz;第二超短波天线编号记为C,工作频段为108MHz~400MHz;第三超短波天线编号记为D,工作频段为30MHz~88MHz,108MHz~400MHz。由于超短波天线D覆盖了整个超短波工作频段,致使1个短波天线和3个超短波天线存在着如图1E所示的互扰情况,因此需要与超短波天线B和C分开布局,综合上述分析,得到如图1A、图1B、图1C、图1D所示的4种布局方案。
参见图1A所示的第一种天线布局(简称为方案1):第三超短波天线安装在机身后部的尾梁上方;第一超短波天线、第二超短波天线顺次安装在尾梁下方;且在同一平面下观察时,第三超短波天线位于第二超短波天线之后;短波天线安装在尾梁侧方。
参见图1B所示的第二种天线布局(简称为方案2):第三超短波天线安装在机身后尾梁上方;第一超短波天线、第二超短波天线顺次安装在机身下方;且在同一平面下观察时,第三超短波天线位于第一超短波天线与第二超短波天线之间;短波天线安装在机身侧方。
参见图1C所示的第三种天线布局(简称为方案3):第一超短波天线与第二超短波天线顺次安装在机身后尾梁上方;第三超短波天线安装在尾梁下方;且在同一平面下观察时,第三超短波天线位于第一超短波天线与第二超短波天线之间;短波天线安装在机身侧方。
参见图1D所示的第四种天线布局(简称为方案4):第一超短波天线与第二超短波天线顺次安装在机身后尾梁上方;第三超短波天线安装在尾梁下方;且在同一平面下观察时,第三超短波天线位于第二超短波天线之后;短波天线安装在机身侧方。
为了改善短波电台与各超短波电台之间的电磁干扰问题,在直升机的天线布局方案(上述的4个方案)研制阶段,需要对直升机上的1个短波天线、3个超短波天线的4种布局方案进行电磁兼容性的评估,找出最佳的天线布局方案,使得电台间的干扰耦合达到最小。参见图2所示,本发明采用数字化干扰耦合模型与层次分析法相结合的方法对直升机机载天线布局进行量化评估,具体步骤有:
第一步:依据工作频率归类;
一般情况下,安装在直升机机体上的短波天线通过线缆与机舱内的短波电台相连接,超短波天线通过线缆与机舱内的超短波电台相连接,电台与天线的工作频段保持一致,所以,对于直升机系统一般包括有:工作频率为2MHz~30MHz的短波电台记为UA;工作频率为30MHz~88MHz的第一超短波电台记为UB、工作频率为108MHz~400MHz的第二超短波电台记为UC、工作频率为30MHz~88MHz,108MHz~400MHz的第三超短波电台记为UD。
第二步:获取天线干扰耦合关系;
依据图1E的互扰关系,短波电台与超短波电台之间容易产生相互干扰,特别是彼此间二次、三次谐波的干扰十分严重,该干扰主要通过天线进行传播,主要包括六种天线干扰耦合情况:
第一种天线干扰耦合关系记为U1:是指第一超短波电台UB与第二超短波电台UC之间的干扰,即UB与UC;
第二种天线干扰耦合关系记为U2:是指第一超短波电台UB与第三超短波电台UD之间的干扰,即UB与UD;
第三种天线干扰耦合关系记为U3:是指第二超短波电台UC与第三超短波电台UD之间的干扰,即UC与UD;
第四种天线干扰耦合关系记为U4:是指短波电台UA与第一超短波电台UB之间的干扰,即UA与UB;
第五种天线干扰耦合关系记为U5:是指短波电台UA与第二超短波电台UC之间的干扰,即UA与UC;
第六种天线干扰耦合关系记为U6:是指短波电台UA与第三超短波电台UD之间的干扰,即UA与UD;
从上述的六种天线干扰耦合关系来对直升机系统中短波电台、超短波电台间的互扰情况进行分析,将存在的设备间干扰耦合关系个数记为i,i∈[1,6],则直升机短波电台、超短波电台间的天线干扰耦合采用集合形式表达为:AU={U1,U2,U3,U4,U5,U6}。为了符合数字化的计算,直升机短波电台、超短波电台间的天线干扰耦合也可以表示为AU={U1,U2,…,Ui},Ui表示任意一种天线间的干扰耦合关系。
第三步:计算发射设备的二次、三次谐波在接收设备中的干扰耦合功率;
在天线干扰耦合关系AU={U1,U2,…,Ui}中,发射设备与接收设备之间的干扰耦合关系是互易的,发、接设备既是干扰设备,也是受扰设备,所以只选取一种情况进行分析。
参见图3所示,在本发明中,采用单频点分析方法对所述天线干扰耦合关系AU={U1,U2,…,Ui}中设备间干扰进行分析,当发射设备的发射机发射的二次、三次谐波,落入接收设备的接收机工作频段范围之内时,就会对接收设备产生潜在干扰可能。发射设备的发射机发射功率Pt,经过发射机带外抑制LtB、线缆损耗Atl、发射天线效率损耗ηtl、发射机天线增益Gt、空间衰减Aspace、接收机天线增益Gr、接收天线效率损耗ηrl、线缆损耗Arl等过程后,会在接收设备的接收机端口处产生干扰信号Pin,所述干扰信号Pin即为噪声门限。整个过程可以表述为:Pin=Pt-LtB-Atl-ηtl+Gt-Aspace+Gr-ηrl-Arl。
当Pin超过接收机的干扰门限时,接收机就会受到干扰。针对发射机带外抑制LtB、线缆损耗Atl、发射天线效率损耗ηtl、发射机天线增益Gt、空间衰减Aspace、接收机天线增益Gr、接收天线效率损耗ηrl、线缆损耗Arl的干扰分析过程如图3、图3A表示。
其中,发射机天线增益Gt、空间衰减Aspace、接收机天线增益Gr,构成两天线间的隔离度,记为LTR,则LTR=Aspace-Gt-Gr。
1)在本发明中,通过在计算机上采用三维电磁场仿真软件FEKO(6.0版),仿真得到天线对间的隔离度值LTR;所述隔离度值LTR的单位为分贝dB;
2)对于发射机带外衰减LtB的取值,参照GJB151A-1997中CE106的规定:发射设备二次和三次谐波应抑制50+10lgP(P为基波峰值输出功率,W)或80dB,取抑制要求较小者;
3)对于线缆衰减取值,总线缆衰减Al=发射端线缆衰减Atl+接收端线缆衰减Arl,根据工程经验,取总线缆衰减Al=3dB;
4)对于发射天线效率ηtl和接收天线效率ηrl,根据生产厂家提供的短波天线、超短波天线的性能指标进行取值;
在第一种天线干扰耦合关系U1下产生的干扰功率记为PBC,是指将第一超短波电台UB发射的干扰信号在第二超短波电台UC的接收机端口处产生的干扰信号;
在第二种天线干扰耦合关系U2下产生的干扰功率记为PBD,是指将第一超短波电台UB发射的干扰信号在第三超短波电台UD的接收机端口处产生的干扰信号;
在第三种天线干扰耦合关系U3下产生的干扰功率记为PCD,是指将第二超短波电台UC发射的干扰信号在第三超短波电台UD的接收机端口处产生的干扰信号;
在第四种天线干扰耦合关系U4下产生的干扰功率记为PAB,是指将短波电台UA发射的干扰信号在第一超短波电台UB的接收机端口处产生的干扰信号;
在第五种天线干扰耦合关系U5下产生的干扰功率记为PAC,是指将短波电台UA发射的干扰信号在第二超短波电台UC的接收机端口处产生的干扰信号;
在第六种天线干扰耦合关系U6下产生的干扰功率记为PAD,是指将短波电台UA发射的干扰信号在第三超短波电台UD的接收机端口处产生的干扰信号。
为了数字化计算方便,用Pin表示上述任意一种天线干扰耦合关系AU={U1,U2,…,Ui}下产生的干扰耦合功率中的一种,即Pin∈[PBC,PBD,PCD,PAB,PAC,PAD]。因此,发射设备的二次、三次谐波在接收设备中的干扰耦合功率为Pin∈[PBC,PBD,PCD,PAB,PAC,PAD]。
在本发明中,三维电磁场仿真软件FEKO(6.0版)运行在计算机中,所述计算机是一种能够按照事先存储的程序,自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz,内存2GB,硬盘10GB;操作系统为windows 2000/2003/XP。
第四步:计算发射设备与接收设备的干扰耦合余量;
根据国军标1389A-2005,“5.1安全裕度”的要求,对于安全或者完成任务有关键性影响的功能,系统应具有至少6dB的安全裕度。
将短波电台UA的接收机灵敏度记为Armin;
将第一超短波电台UB的接收机灵敏度记为Brmin;
将第二超短波电台UC的接收机灵敏度记为Crmin;
将第三超短波电台UD的接收机灵敏度记为Drmin。
为了保证直升机系统能够进行正常工作,需要保证到达接收机端口的干扰信号低于接收机灵敏度至少6dB,接收机端口干扰信号与接收机灵敏度之间的余量记为Sin,表示为:
第一种耦合余量情况记为S1,即S1=Crmin-PBC-6dB;
第二种耦合余量情况记为S2,即S2=Drmin-PBD-6dB;
第三种耦合余量情况记为S3,即S3=Drmin-PCD-6dB;
第四种耦合余量情况记为S4,即S4=Brmin-PAB-6dB;
第五种耦合余量情况记为S5,即S5=Crmin-PAC-6dB;
第六种耦合余量情况记为S6,即S6=Drmin-PAD-6dB。
为了数字化计算方便,用Sin表示以上六种耦合余量情况中的一种,即Sin∈[S1,S2,S3,S4,S5,S6]。
当Sin≥0时,说明两带天线设备之间不存在干扰,则Sin的取值记为0,即接收机端口干扰信号与接收机灵敏度之间的余量相同记为DSin=0;DSin表示接收机端口干扰—灵敏度
当Sin<0时,说明两带天线设备之间可能存在干扰,则Sin的取值为|Sin|,即接收机端口干扰—灵敏度DSin=|Sin|;
将上述数据处理过程用函数表示为
同理可得,
将数据处理后的耦合余量用矩阵的形式表示,记为DS,DS=[DS1 DS2 DS3 DS4 DS5 DS6]。
第五步:根据短波电台与超短波电台的使用优先级,构建各电台相对于整机的权重矩阵;
由于短波电台在直升机中很少使用,其功能基本上可以用超短波电台进行代替,所以超短波电台的使用优先级高于短波电台;
又由于第三超短波电台UD的工作频段包含了第一超短波电台UB和第二超短波电台Uc的工作频段,所以第三超短波电台UD在功能上能够代替第一超短波电台UB和第二超短波电台Uc,则第三超短波电台UD的使用优先级别高于第一超短波电台UB和第二超短波电台Uc;第一超短波电台UB和Uc在相等的使用优先级上。
根据各电台的使用优先级,采用层次分析法,构建各干扰耦合关系对于整机的作用程度矩阵:
w1表示干扰耦合关系U1对于整机的作用程度;
w2表示干扰耦合关系U2对于整机的作用程度;
w3表示干扰耦合关系U3对于整机的作用程度;
w4表示干扰耦合关系U4对于整机的作用程度;
w5表示干扰耦合关系U5对于整机的作用程度;
w6表示干扰耦合关系U6对于整机的作用程度。
将天线的使用优先级采用权重值的形式表示为W,W=[w1 w2 w3 w4 w5 w6]。
步骤501:构建指标体系层次结构关系;
依据2009年7月国防工业出版社,出版的《效能评估方法研究》,董尤心主审,张杰、唐宏、苏凯著;在《效能评估方法研究》的第23页、第24页公开了层次分析法,即AIP法。
在本发明中,将直升机干扰耦合余量DS=[DS1 DS2 DS3 DS4 DS5 DS6]作为目标层;将第一步中获得的直升机短波、超短波电台间的干扰耦合关系集合AU={U1,U2,U3,U4,U5,U6}作为准则层;将短波电台和各超短波电台的使用优先级W=[w1 w2 w3 w4 w5 w6]作为措施层,从而构建得到直升机层次结构关系。
步骤502:根据短波、超短波电台的使用优先级W=[w1 w2 w3 w4 w5 w6],获得存在干扰关系的电台在正常工作时,对于整机的指标权重标度;
天线的使用优先级通过各电台使用的优先级别进行确定,对照表1所示。
表1短波-超短波天线对比较对照表
耦合关系比较 |
对比值 |
耦合关系比较 |
对比值 |
U1对U2 |
1/2 |
U2对U6 |
6 |
U1对U3 |
1/2 |
U3对U4 |
7 |
U1对U4 |
5 |
U3对U5 |
7 |
U1对U5 |
5 |
U3对U6 |
6 |
U1对U6 |
4 |
U4对U5 |
1 |
U2对U3 |
1 |
U4对U6 |
1/2 |
U2对U4 |
7 |
U5对U6 |
1/2 |
U2对U5 |
7 |
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将表1中6对存在干扰耦合关系的设备依次比较结果用矩阵的形式表示,记为权重判决矩阵K;根据表1中的比较结果,所述权重判决矩阵K具体化为:
步骤503:对权重判决矩阵K中的每一列向量进行归一化处理,并取算术平均值,得到短波、超短波电台的使用优先级权重矩阵W=[w1 w2 w3 w4 w5 w6],即W=[0.210.320.320.040.040.07];在本发明中,通过计算分析使得权重判决矩阵K符合一致性检验的要求。
第六步:确定对于整机的干扰余量超标值;
将耦合余量矩阵DS=[DS1 DS2 DS3 DS4 DS5 DS6]与天线对权重矩阵W=[w1 w2 w3 w4 w5 w6]的转置进行矩阵相乘,得到对于整机的干扰余量超标值记为Z;
第七步:根据4种天线布局方案,重复第一步至第六步,对各种布局方案进行量化,确定出天线的最佳布局方案。