专利名称：一种基于工作频率与层次分析法的机载天线布局的量化评估方法
技术领域：
本发明涉及电磁兼容中对机载天线布局的一种处理方法，更特别地说，是指一种机载天线布局的量化评估方法。
背景技术：
当今的直升机系统在有限空间范围内安装大量的电子设备，当所有设备按照其工作模式工作时，会出现彼此间的干扰，很难兼容工作，所以在直升机的方案研制阶段，对直升机整机的电磁兼容性进行评估显得十分重要。直升机整机电磁兼容性评估主要从四个方面进行，包括有机载天线布局评估、电磁环境评估、大功率辐射发射评估、以及线缆间耦合评估。其中，机载天线布局评估主要是考察机载带天线设备之间的相互干扰问题，这类干扰是机载设备间相互干扰的主要途径之一。通过工程经验发现，在这类干扰中，短波、超短波电台之间的干扰尤为严重，干扰主要是发射设备的二次、三次谐波通过天线耦合到接收设备中形成。消除设备间干扰的主要手段，就是通过调整、优化天线布局，增大天线间隔离度来实现。在对机载天线进行布局时，当对一个天线的位置进行调整时，同时也影响了该天线与其他天线之间的能量耦合关系，使得在整个布局过程中，很难找到一个折中点使整个系统的天线布局达到最优。
发明内容
本发明的一种机载天线布局的评估方法，该方法步骤一遴选出容易产生相互干扰的天线对，并构建机载天线对集合AU = (U1, U2, U3, U4, U5, U6I ;步骤二计算发射设备的二次、三次谐波在接收设备中的干扰值；步骤三计算发射设备与接收设备的干扰耦合余量S ;步骤四计算耦合余量矩阵A ;步骤五确定各天线对相对于整机的重要程度，构建权重矩阵W ；步骤六确定对于整机的干扰余量超标值z ;步骤七对各种方案的评估结果进行排序，确定出机载天线布局的最佳方案。本发明通过对超短波电台二次、三次谐波对短波、超短波电台干扰的分析，确定短波、超短波天线的优化布局方案。本发明分析了 从发射设备产生干扰信号到干扰信号进入 接收设备的整个信号传输过程，通过采用电磁场仿真软件仿真、参照国军标计算、参考工程经验公式及经验值等方法，将干扰信号整个传输过程进行了量化；根据国军标1389A-2005中对于系统间电磁兼容性的要求，本发明将安全裕度值作为一项考核指标，引入到天线间干扰耦合分析当中；本发明采用层次分析法，对各天线对相对于整机的重要程度进行量化评估，从而实现对整机干扰余量的量化分析。通过以上方法，最终实现对于整机天线布局的量化评估，为指导直升机天线布局提供理论依据。
图IA是第一种天线的布局示意图。
图IB是第二种天线的布局示意图。图IC是第二种天线的布局不意图。图ID是第四种天线的布局示意图。图IE是短波天线和3个超短波天线之间的互扰图。图2是本发明机载天线布局的量化评估流程图。图3是直升机系统中天线接收至发射的信号频段示意图。图3A是直升机系统中天线至发射模拟图。
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I个短波电台和3个超短波电台，与其对应的有I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IE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30MHf88MHz ;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I个短波天线和3个超短波天线存在着如图IE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ID所示的4种布局方案。参见图IA所示的第一种天线布局(简称为方案I):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IB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IC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ID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I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U。、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IE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U。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U。与第三超短波电台Ud之间的干扰，即U。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U。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 G [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, U6I 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,…，UJ，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；在天线干扰稱合关系AU = (U1, U2,, Uj中，发射设备与接收设备之间的干扰率禹合关系是互易的，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 =IU11U2,…，UJ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ntl、发射机天线增益Gt、空间衰减Aspara、接收机天线增益Gr、接收天线效率损耗Hrl、线缆损耗Ari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- n ti+Gt-Aspace+Gr- nrl-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ntl、发射机天线增益Gt、空间衰减Asp■、接收机天线增益Gr、接收天线效率损耗Hr1、线缆损耗Art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Asp■、接收机天线增益4，构成两天线间的隔尚度，记为 Ltr,则 Lte — Aspace_Gt_GroI)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Ltk ;所述隔离度值Ltk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+101gP (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A1=发射端线缆衰减Atl+接收端线缆衰减Ari,根据工程经验，取总线缆衰减A1=SdB ；4)对于发射天线效率ntl和接收天线效率Hr1，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Pb。，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Pm，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PA。，是指将短波电台Ua发射的干扰信号在第二超短波电台U。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,…，UJ下产生的干扰耦合功率中的一种，即Pin G [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 G [PBC, Pbd, Pcd, Pab, Pac Pad]。在本发明中，三维电磁场仿真软件FEK0( 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IOGB ;操作系统为windows 2000/2003/XPo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. I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Annin ；将第一超短波电台Ub的接收机灵敏度记为Bnilin ；
将第二超短波电台Uc的接收机灵敏度记为Cnilin ；将第三超短波电台Ud的接收机灵敏度记为D in。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；第二种耦合余量情况记为S2,即S2=D_-PBD-6dB ；第三种耦合余量情况记为S3,即S3=D_-Pm-6dB ；第四种耦合余量情况记为S4,即S4=B_-PAB-6dB ；
第五种耦合余量情况记为S5,即S5=Crfflin-PAC-6dB ； 第六种耦合余量情况记为S6,即S6=Drmin-PAD-6dB0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，SPSin G [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一灵敏度当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I Sin|，即接收机端口干扰一灵敏度
权利要求
1. 一种基于工作频率与层次分析法的机载天线布局的量化评估方法，所述机载天线布局包括有4种方案； 方案I :第三超短波天线D安装在机身后尾梁上方；第一超短波天线B、第二超短波天线C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D位于第二超短波天线C之后；短波天线A安装在尾梁侧方； 方案2 :第三超短波天线D安装在机身后尾梁上方；第一超短波天线B、第二超短波天线C、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D位于第一超短波天线B与第二超短波天线C之间；短波天线A安装在尾梁侧方； 方案3 :第一超短波天线B与第二超短波天线C顺次安装在机身后尾梁上方；第三超短波天线D安装在尾梁下方；且在同一平面下观察时，第三超短波天线D位于第一超短波天线B与第二超短波天线C之间；短波天线A安装在尾梁侧方； 方案4 :第一超短波天线B与第二超短波天线C顺次安装在机身后尾梁上方；第三超短波天线D安装在尾梁下方；且在同一平面下观察时，第三超短波天线D位于第二超短波天线C之后；短波天线A安装在尾梁侧方； 其特征在于所述机载天线布局的量化评估包括有下列步骤 第一步依据工作频率归类； 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； 依据短波电台与超短波电台之间产生的二次、三次谐波的干扰，该干扰通过天线进行传播，即天线干扰耦合关系为AU = (U1, U2, U3, U4, U5, U6I ； 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U。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U。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 ; 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； 在天线干扰稱合关系AU = (U1, U2, U3, U4, U5, U6I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，所以干扰耦合功率为Pin E [Pbc，Pbd) PCD，Pab) Pao Pad];在第一种天线干扰耦合关系U1下产生的干扰功率记为Pb。，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U。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Pm，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U4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Pa。，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； 第四步计算发射设备与接收设备的干扰耦合余量； 将短波电台Ua的接收机灵敏度记为Anilin ； 将第一超短波电台Ub的接收机灵敏度记为Bnilin ； 将第二超短波电台Uc的接收机灵敏度记为Cnilin ； 将弟二超短波电台Ud的接收机灵敏度记为Dnilin ； 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为Sin G [S1, S2, S3, S4, S5, S6]； 第一种耦合余量情况记为S1,即； 第二种耦合余量情况记为s2，即S2=DMin-PBD-6dB ； 第三种耦合余量情况记为s3，即S3=DMin-Pm-6dB ； 第四种耦合余量情况记为S4,即SfBr.-Pm-edB ； 第五种耦合余量情况记为S5,即S5=CMin-PAC-6dB ； 第六种耦合余量情况记为S6,即SfDr.-Pm-edB ； 当Sin > O时，说明两带天线设备之间不存在干扰，则Sin的取值记为O，接收机端口干扰一灵敏度DSin = O ； 当Sin < O时，说明两带天线设备之间可能存在干扰，则Sin的取值为IsinI，接收机端口干扰一.灵敏度DSin= Sin ；将上述数据处理过程用函数表示为
2.根据权利要求I所述的基于工作频率与层次分析法的机载天线布局的量化评估方法，其特征在于短波天线以鞭天线的形式存在，工作频段为2MHz 30MHz ;第一超短波天线以马刀天线的形式存在，工作频段为30MHz 88MHz ;第二超短波天线以马刀天线的形式存在，工作频段为108MHz 400MHz ;第三超短波天线以马刀天线的形式存在，工作频段为30MHz"88MHz, 108MHz 400MHz。
3.根据权利要求I所述的基于工作频率与层次分析法的机载天线布局的量化评估方法，其特征在于采用单频点分析方法对所述天线干扰耦合关系AU = (U11U21U3, U4, U5, U6I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记为Pt，经过发射机带外抑制LtB、线缆损耗Atl、发射天线效率损耗ntl、发射机天线增益Gt、空间衰减Asp■、接收机天线增益4、接收天线效率损耗、线缆损耗Art过程后，会在接收设备的接收机端口处产生干扰信号Pin = Pt-Lte-Atl- n ti+Gt-Aspace+Gr- nrl-Ari 所述干扰信号Pin即为噪声门限；当Pin超过接收机的干扰门限时，接收机就会受到干扰。
全文摘要
本发明公开了一种机载天线布局的评估方法，该方法步骤一遴选出容易产生相互干扰的天线对，并构建机载天线对集合AU＝{U1,U2,U3,U4,U5,U6}；步骤二计算发射设备的二次、三次谐波在接收设备中的干扰值；步骤三计算发射设备与接收设备的干扰耦合余量S；步骤四计算耦合余量矩阵A；步骤五确定各天线对相对于整机的重要程度，构建权重矩阵W；步骤六确定对于整机的干扰余量超标值z；步骤七对各种方案的评估结果进行排序，确定出机载天线布局的最佳方案。
文档编号H01Q1/28GK102723576SQ201210200680
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者吴藻菡, 苏东林, 贾云峰, 马新超, 马超, 魏嘉利 申请人:北京航空航天大学