一種基於工作頻率與層次分析法的機載天線布局的量化評估方法
2023-05-04 05:36:21
專利名稱：一種基於工作頻率與層次分析法的機載天線布局的量化評估方法
技術領域：
本發明涉及電磁兼容中對機載天線布局的一種處理方法，更特別地說，是指一種機載天線布局的量化評估方法。
背景技術：
當今的直升機系統在有限空間範圍內安裝大量的電子設備，當所有設備按照其工作模式工作時，會出現彼此間的幹擾，很難兼容工作，所以在直升機的方案研製階段，對直升機整機的電磁兼容性進行評估顯得十分重要。直升機整機電磁兼容性評估主要從四個方面進行，包括有機載天線布局評估、電磁環境評估、大功率輻射發射評估、以及線纜間耦合評估。其中，機載天線布局評估主要是考察機載帶天線設備之間的相互幹擾問題，這類幹擾是機載設備間相互幹擾的主要途徑之一。通過工程經驗發現，在這類幹擾中，短波、超短波電臺之間的幹擾尤為嚴重，幹擾主要是發射設備的二次、三次諧波通過天線耦合到接收設備中形成。消除設備間幹擾的主要手段，就是通過調整、優化天線布局，增大天線間隔離度來實現。在對機載天線進行布局時，當對一個天線的位置進行調整時，同時也影響了該天線與其他天線之間的能量耦合關係，使得在整個布局過程中，很難找到一個折中點使整個系統的天線布局達到最優。
發明內容
本發明的一種機載天線布局的評估方法，該方法步驟一遴選出容易產生相互幹擾的天線對，並構建機載天線對集合AU = (U1, U2, U3, U4, U5, U6I ;步驟二計算發射設備的二次、三次諧波在接收設備中的幹擾值；步驟三計算發射設備與接收設備的幹擾耦合餘量S ;步驟四計算耦合餘量矩陣A ;步驟五確定各天線對相對於整機的重要程度，構建權重矩陣W ；步驟六確定對於整機的幹擾餘量超標值z ;步驟七對各種方案的評估結果進行排序，確定出機載天線布局的最佳方案。本發明通過對超短波電臺二次、三次諧波對短波、超短波電臺幹擾的分析，確定短波、超短波天線的優化布局方案。本發明分析了 從發射設備產生幹擾信號到幹擾信號進入 接收設備的整個信號傳輸過程，通過採用電磁場仿真軟體仿真、參照國軍標計算、參考工程經驗公式及經驗值等方法，將幹擾信號整個傳輸過程進行了量化；根據國軍標1389A-2005中對於系統間電磁兼容性的要求，本發明將安全裕度值作為一項考核指標，引入到天線間幹擾耦合分析當中；本發明採用層次分析法，對各天線對相對於整機的重要程度進行量化評估，從而實現對整機幹擾餘量的量化分析。通過以上方法，最終實現對於整機天線布局的量化評估，為指導直升機天線布局提供理論依據。
圖IA是第一種天線的布局示意圖。
圖IB是第二種天線的布局示意圖。圖IC是第二種天線的布局不意圖。圖ID是第四種天線的布局示意圖。圖IE是短波天線和3個超短波天線之間的互擾圖。圖2是本發明機載天線布局的量化評估流程圖。圖3是直升機系統中天線接收至發射的信號頻段示意圖。圖3A是直升機系統中天線至發射模擬圖。
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。在直升機系統中，短波電臺和超短波電臺主要用於話音通信和數據傳輸，根據各電臺工作頻段和功能性能的要求，直升機系統中通常包括I個短波電臺和3個超短波電臺，與其對應的有I個短波天線和3個超短波天線(即第一超短波天線、第二超短波天線、第三超短波天線)。根據《電磁兼容工程設計手冊》418頁，4. 2節「天線集合的合理布置」中的設計準則和國軍標GJB2746-1996《機載天線通用規範》中4. 8 「檢驗方法」中的要求，對短波、超短波天線的設計和布局進行初步確定。在直升機系統中，短波天線以「鞭天線」的形式存在，安裝在直升機機身後部，尾梁的側面，短波天線編號記為A (參見圖IE所示)，工作頻段為2MHz 30MHz ；3個超短波天線以「馬刀天線」的形式存在，位置初步定在直升機機身後部，尾梁的上方或下方，第一超短波天線編號記為B，工作頻段為30MHf88MHz ;第二超短波天線編號記為C，工作頻段為108MHz 400MHz ;第三超短波天線編號記為D，工作頻段為30MHz 88MHz，108MHz 400MHz。由於超短波天線D覆蓋了整個超短波工作頻段，致使I個短波天線和3個超短波天線存在著如圖IE所示的互擾情況，因此需要與超短波天線B和C分開布局，綜合上述分析，得到如圖1A、圖1B、圖1C、圖ID所示的4種布局方案。參見圖IA所示的第一種天線布局(簡稱為方案I):第三超短波天線安裝在機身後部的尾梁上方；第一超短波天線、第二超短波天線順次安裝在尾梁下方；且在同一平面下觀察時，第三超短波天線位於第二超短波天線之後；短波天線安裝在尾梁側方。參見圖IB所示的第二種天線布局(簡稱為方案2):第三超短波天線安裝在機身後尾梁上方；第一超短波天線、第二超短波天線順次安裝在機身下方；且在同一平面下觀察時，第三超短波天線位於第一超短波天線與第二超短波天線之間；短波天線安裝在機身側方。參見圖IC所示的第三種天線布局(簡稱為方案3):第一超短波天線與第二超短波天線順次安裝在機身後尾梁上方；第三超短波天線安裝在尾梁下方；且在同一平面下觀察時，第三超短波天線位於第一超短波天線與第二超短波天線之間；短波天線安裝在機身側方。參見圖ID所示的第四種天線布局(簡稱為方案4):第一超短波天線與第二超短波天線順次安裝在機身後尾梁上方；第三超短波天線安裝在尾梁下方；且在同一平面下觀察時，第三超短波天線位於第二超短波天線之後；短波天線安裝在機身側方。為了改善短波電臺與各超短波電臺之間的電磁幹擾問題，在直升機的天線布局方案(上述的4個方案)研製階段，需要對直升機上的I個短波天線、3個超短波天線的4種布局方案進行電磁兼容性的評估，找出最佳的天線布局方案，使得電臺間的幹擾耦合達到最小。參見圖2所示，本發明採用數位化幹擾耦合模型與層次分析法相結合的方法對直升機機載天線布局進行量化評估，具體步驟有第一步依據工作頻率歸類；一般情況下，安裝在直升機機體上的短波天線通過線纜與機艙內的短波電臺相連接，超短波天線通過線纜與機艙內的超短波電臺相連接，電臺與天線的工作頻段保持一致，所以，對於直升機系統一般包括有工作頻率為2MHz 30MHz的短波電臺記為Ua ;工作頻率為30MHz 88MHz的第一超短波電臺記為Ub、工作頻率為108MHz 400MHz的第二超短波電臺記為U。、工作頻率為30MHz 88MHz，108MHz 400MHz的第三超短波電臺記為UD。
第二步獲取天線幹擾耦合關係；依據圖IE的互擾關係，短波電臺與超短波電臺之間容易產生相互幹擾，特別是彼此間二次、三次諧波的幹擾十分嚴重，該幹擾主要通過天線進行傳播，主要包括六種天線幹擾耦合情況第一種天線幹擾耦合關係記為U1 :是指第一超短波電臺Ub與第二超短波電臺U。之間的幹擾，即Ub與Uc ;第二種天線幹擾耦合關係記為U2 :是指第一超短波電臺Ub與第三超短波電臺Ud之間的幹擾，即Ub與Ud ;第三種天線幹擾耦合關係記為U3:是指第二超短波電臺U。與第三超短波電臺Ud之間的幹擾，即U。與Ud ;第四種天線幹擾耦合關係記為U4 :是指短波電臺Ua與第一超短波電臺Ub之間的幹擾，即Ua與Ub ;第五種天線幹擾耦合關係記為U5:是指短波電臺Ua與第二超短波電臺U。之間的幹擾，即Ua與Uc ;第六種天線幹擾耦合關係記為U6:是指短波電臺Ua與第三超短波電臺Ud之間的幹擾，即Ua與Ud ;從上述的六種天線幹擾耦合關係來對直升機系統中短波電臺、超短波電臺間的互擾情況進行分析，將存在的設備間幹擾耦合關係個數記為i，i G [1，6]，則直升機短波電臺、超短波電臺間的天線幹擾耦合採用集合形式表達為AU= (U1, U2, U3, U4, U5, U6I 為了符合數位化的計算，直升機短波電臺、超短波電臺間的天線幹擾耦合也可以表示為AU =(U1, U2,…，UJ，Ui表示任意一種天線間的幹擾耦合關係。第三步計算發射設備的二次、三次諧波在接收設備中的幹擾耦合功率；在天線幹擾稱合關係AU = (U1, U2,, Uj中，發射設備與接收設備之間的幹擾率禹合關係是互易的，發、接設備既是幹擾設備，也是受擾設備，所以只選取一種情況進行分析。參見圖3所示，在本發明中，採用單頻點分析方法對所述天線幹擾耦合關係AU =IU11U2,…，UJ中設備間幹擾進行分析，當發射設備的發射機發射的二次、三次諧波，落入接收設備的接收機工作頻段範圍之內時，就會對接收設備產生潛在幹擾可能。發射設備的發射機發射功率pt，經過發射機帶外抑制LtB、線纜損耗Atl、發射天線效率損耗ntl、發射機天線增益Gt、空間衰減Aspara、接收機天線增益Gr、接收天線效率損耗Hrl、線纜損耗Ari等過程後，會在接收設備的接收機埠處產生幹擾信號Pin，所述幹擾信號Pin即為噪聲門限。整個過程可以表述為Pin = Pt-LtB-Atl- n ti+Gt-Aspace+Gr- nrl-Arl。當Pin超過接收機的幹擾門限時，接收機就會受到幹擾。針對發射機帶外抑制LtB、線纜損耗Atl、發射天線效率損耗ntl、發射機天線增益Gt、空間衰減Asp■、接收機天線增益Gr、接收天線效率損耗Hr1、線纜損耗Art的幹擾分析過程如圖3、圖3A表示。其中，發射機天線增益Gt、空間衰減Asp■、接收機天線增益4，構成兩天線間的隔尚度，記為 Ltr,則 Lte — Aspace_Gt_GroI)在本發明中，通過在計算機上採用三維電磁場仿真軟體FEKO (6. 0版)，仿真得到天線對間的隔離度值Ltk ;所述隔離度值Ltk的單位為分貝dB ；2)對於發射機帶外衰減LtB的取值，參照GJB151A-1997中CE106的規定發射設、備二次和三次諧波應抑制50+101gP (P為基波峰值輸出功率，W)或80dB，取抑制要求較小者；3)對於線纜衰減取值,總線纜衰減A1=發射端線纜衰減Atl+接收端線纜衰減Ari,根據工程經驗，取總線纜衰減A1=SdB ；4)對於發射天線效率ntl和接收天線效率Hr1，根據生產廠家提供的短波天線、超短波天線的性能指標進行取值；在第一種天線幹擾耦合關係U1下產生的幹擾功率記為Pb。，是指將第一超短波電臺Ub發射的幹擾信號在第二超短波電臺Uc的接收機埠處產生的幹擾信號；在第二種天線幹擾耦合關係U2下產生的幹擾功率記為PBD，是指將第一超短波電臺Ub發射的幹擾信號在第三超短波電臺Ud的接收機埠處產生的幹擾信號；在第三種天線幹擾耦合關係U3下產生的幹擾功率記為Pm，是指將第二超短波電臺Uc發射的幹擾信號在第三超短波電臺Ud的接收機埠處產生的幹擾信號；在第四種天線幹擾耦合關係U4下產生的幹擾功率記為PAB，是指將短波電臺Ua發射的幹擾信號在第一超短波電臺Ub的接收機埠處產生的幹擾信號；在第五種天線幹擾耦合關係U5下產生的幹擾功率記為PA。，是指將短波電臺Ua發射的幹擾信號在第二超短波電臺U。的接收機埠處產生的幹擾信號；在第六種天線幹擾耦合關係U6下產生的幹擾功率記為PAD，是指將短波電臺Ua發射的幹擾信號在第三超短波電臺Ud的接收機埠處產生的幹擾信號。為了數位化計算方便，用Pin表示上述任意一種天線幹擾耦合關係AU = (U1, U2,…，UJ下產生的幹擾耦合功率中的一種，即Pin G [PBC, Pbd, Pcd, Pab, Pac, Pad]。因此，發射設備的二次、三次諧波在接收設備中的幹擾耦合功率為Pin G [PBC, Pbd, Pcd, Pab, Pac Pad]。在本發明中，三維電磁場仿真軟體FEK0( 6. 0版)運行在計算機中，所述計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速地進行大量數值計算和各種信息處理的現代化智能電子設備。最低配置為CPU 2GHz，內存2GB，硬碟IOGB ;作業系統為windows 2000/2003/XPo第四步計算發射設備與接收設備的幹擾耦合餘量；根據國軍標1389A_2005，「5. I安全裕度」的要求，對於安全或者完成任務有關鍵性影響的功能，系統應具有至少6dB的安全裕度。 將短波電臺Ua的接收機靈敏度記為Annin ；將第一超短波電臺Ub的接收機靈敏度記為Bnilin ；
將第二超短波電臺Uc的接收機靈敏度記為Cnilin ；將第三超短波電臺Ud的接收機靈敏度記為D in。為了保證直升機系統能夠進行正常工作，需要保證到達接收機埠的幹擾信號低於接收機靈敏度至少6dB，接收機埠幹擾信號與接收機靈敏度之間的餘量記為Sin，表示為第一種耦合餘量情況記為S1,即；第二種耦合餘量情況記為S2,即S2=D_-PBD-6dB ；第三種耦合餘量情況記為S3,即S3=D_-Pm-6dB ；第四種耦合餘量情況記為S4,即S4=B_-PAB-6dB ；
第五種耦合餘量情況記為S5,即S5=Crfflin-PAC-6dB ； 第六種耦合餘量情況記為S6,即S6=Drmin-PAD-6dB0為了數位化計算方便，用Sin表示以上六種耦合餘量情況中的一種，SPSin G [S1, S2, S3, S4, S5, S6]。當Sin > 0時，說明兩帶天線設備之間不存在幹擾，則Sin的取值記為0，即接收機埠幹擾信號與接收機靈敏度之間的餘量相同記為DSin = 0 ；DSin表示接收機埠幹擾一靈敏度當Sin < 0時，說明兩帶天線設備之間可能存在幹擾，則Sin的取值為I Sin|，即接收機埠幹擾一靈敏度
權利要求
1. 一種基於工作頻率與層次分析法的機載天線布局的量化評估方法，所述機載天線布局包括有4種方案； 方案I :第三超短波天線D安裝在機身後尾梁上方；第一超短波天線B、第二超短波天線C順次安裝在尾梁下方；且在同一平面下觀察時，第三超短波天線D位於第二超短波天線C之後；短波天線A安裝在尾梁側方； 方案2 :第三超短波天線D安裝在機身後尾梁上方；第一超短波天線B、第二超短波天線C、順次安裝在尾梁下方；且在同一平面下觀察時，第三超短波天線D位於第一超短波天線B與第二超短波天線C之間；短波天線A安裝在尾梁側方； 方案3 :第一超短波天線B與第二超短波天線C順次安裝在機身後尾梁上方；第三超短波天線D安裝在尾梁下方；且在同一平面下觀察時，第三超短波天線D位於第一超短波天線B與第二超短波天線C之間；短波天線A安裝在尾梁側方； 方案4 :第一超短波天線B與第二超短波天線C順次安裝在機身後尾梁上方；第三超短波天線D安裝在尾梁下方；且在同一平面下觀察時，第三超短波天線D位於第二超短波天線C之後；短波天線A安裝在尾梁側方； 其特徵在於所述機載天線布局的量化評估包括有下列步驟 第一步依據工作頻率歸類； 工作頻率為2MHz 30MHz的短波電臺記為Ua ； 工作頻率為30MHz 88MHz的第一超短波電臺記為Ub ； 工作頻率為108MHz 400MHz的第二超短波電臺記為Uc ； 工作頻率為30MHz 88MHz, 108MHz 400MHz的第三超短波電臺記為Ud ； 第二步獲取天線幹擾耦合關係； 依據短波電臺與超短波電臺之間產生的二次、三次諧波的幹擾，該幹擾通過天線進行傳播，即天線幹擾耦合關係為AU = (U1, U2, U3, U4, U5, U6I ； 第一種天線幹擾耦合關係記為U1 :是指第一超短波電臺Ub與第二超短波電臺U。之間的幹擾，即Ub與Uc ; 第二種天線幹擾耦合關係記為U2 :是指第一超短波電臺Ub與第三超短波電臺Ud之間的幹擾，即Ub與Ud ; 第三種天線幹擾耦合關係記為U3:是指第二超短波電臺U。與第三超短波電臺Ud之間的幹擾，即Uc與Ud ; 第四種天線幹擾耦合關係記為U4 :是指短波電臺Ua與第一超短波電臺Ub之間的幹擾，即Ua與Ub ; 第五種天線幹擾耦合關係記為U5 :是指短波電臺Ua與第二超短波電臺Uc之間的幹擾，即Ua與Uc ; 第六種天線幹擾耦合關係記為U6 :是指短波電臺Ua與第三超短波電臺Ud之間的幹擾，即Ua與Ud ; 第三步計算發射設備的二次、三次諧波在接收設備中的幹擾耦合功率； 在天線幹擾稱合關係AU = (U1, U2, U3, U4, U5, U6I中，發射設備與接收設備之間的幹擾耦合關係是互易的，發、接設備既是幹擾設備，也是受擾設備，所以幹擾耦合功率為Pin E [Pbc，Pbd) PCD，Pab) Pao Pad];在第一種天線幹擾耦合關係U1下產生的幹擾功率記為Pb。，是指將第一超短波電臺Ub發射的幹擾信號在第二超短波電臺U。的接收機埠處產生的幹擾信號； 在第二種天線幹擾耦合關係U2下產生的幹擾功率記為Pbd，是指將第一超短波電臺Ub發射的幹擾信號在第三超短波電臺Ud的接收機埠處產生的幹擾信號； 在第三種天線幹擾耦合關係U3下產生的幹擾功率記為Pm，是指將第二超短波電臺Uc發射的幹擾信號在第三超短波電臺Ud的接收機埠處產生的幹擾信號； 在第四種天線幹擾耦合關係U4下產生的幹擾功率記為Pab，是指將短波電臺U4發射的幹擾信號在第一超短波電臺Ub的接收機埠處產生的幹擾信號； 在第五種天線幹擾耦合關係U5下產生的幹擾功率記為Pa。，是指將短波電臺Ua發射的幹擾信號在第二超短波電臺Uc的接收機埠處產生的幹擾信號； 在第六種天線幹擾耦合關係U6下產生的幹擾功率記為Pad，是指將短波電臺Ua發射的幹擾信號在第三超短波電臺Ud的接收機埠處產生的幹擾信號； 第四步計算發射設備與接收設備的幹擾耦合餘量； 將短波電臺Ua的接收機靈敏度記為Anilin ； 將第一超短波電臺Ub的接收機靈敏度記為Bnilin ； 將第二超短波電臺Uc的接收機靈敏度記為Cnilin ； 將弟二超短波電臺Ud的接收機靈敏度記為Dnilin ； 為了保證直升機系統能夠進行正常工作，需要保證到達接收機埠的幹擾信號低於接收機靈敏度至少6dB，接收機埠幹擾信號與接收機靈敏度之間的餘量為Sin G [S1, S2, S3, S4, S5, S6]； 第一種耦合餘量情況記為S1,即； 第二種耦合餘量情況記為s2，即S2=DMin-PBD-6dB ； 第三種耦合餘量情況記為s3，即S3=DMin-Pm-6dB ； 第四種耦合餘量情況記為S4,即SfBr.-Pm-edB ； 第五種耦合餘量情況記為S5,即S5=CMin-PAC-6dB ； 第六種耦合餘量情況記為S6,即SfDr.-Pm-edB ； 當Sin > O時，說明兩帶天線設備之間不存在幹擾，則Sin的取值記為O，接收機埠幹擾一靈敏度DSin = O ； 當Sin < O時，說明兩帶天線設備之間可能存在幹擾，則Sin的取值為IsinI，接收機埠幹擾一.靈敏度DSin= Sin ；將上述數據處理過程用函數表示為
2.根據權利要求I所述的基於工作頻率與層次分析法的機載天線布局的量化評估方法，其特徵在於短波天線以鞭天線的形式存在，工作頻段為2MHz 30MHz ;第一超短波天線以馬刀天線的形式存在，工作頻段為30MHz 88MHz ;第二超短波天線以馬刀天線的形式存在，工作頻段為108MHz 400MHz ;第三超短波天線以馬刀天線的形式存在，工作頻段為30MHz"88MHz, 108MHz 400MHz。
3.根據權利要求I所述的基於工作頻率與層次分析法的機載天線布局的量化評估方法，其特徵在於採用單頻點分析方法對所述天線幹擾耦合關係AU = (U11U21U3, U4, U5, U6I中設備間幹擾進行分析，當發射設備的發射機發射的二次、三次諧波，落入接收設備的接收機工作頻段範圍之內時，就會對接收設備產生潛在幹擾可能；發射設備的發射機發射功率記為Pt，經過發射機帶外抑制LtB、線纜損耗Atl、發射天線效率損耗ntl、發射機天線增益Gt、空間衰減Asp■、接收機天線增益4、接收天線效率損耗、線纜損耗Art過程後，會在接收設備的接收機埠處產生幹擾信號Pin = Pt-Lte-Atl- n ti+Gt-Aspace+Gr- nrl-Ari 所述幹擾信號Pin即為噪聲門限；當Pin超過接收機的幹擾門限時，接收機就會受到幹擾。
全文摘要
本發明公開了一種機載天線布局的評估方法，該方法步驟一遴選出容易產生相互幹擾的天線對，並構建機載天線對集合AU＝{U1,U2,U3,U4,U5,U6}；步驟二計算發射設備的二次、三次諧波在接收設備中的幹擾值；步驟三計算發射設備與接收設備的幹擾耦合餘量S；步驟四計算耦合餘量矩陣A；步驟五確定各天線對相對於整機的重要程度，構建權重矩陣W；步驟六確定對於整機的幹擾餘量超標值z；步驟七對各種方案的評估結果進行排序，確定出機載天線布局的最佳方案。
文檔編號H01Q1/28GK102723576SQ201210200680
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月14日 優先權日2012年6月14日
發明者吳藻菡, 蘇東林, 賈雲峰, 馬新超, 馬超, 魏嘉利 申請人:北京航空航天大學