图2-6.系统级射频干扰仿真平台EMIT
EMIT软件的仿真设计思路从射频干扰三要素(发射干扰源、耦合路径、接收机)出发,是与实际工程中射频抗干扰性能紧密结合的仿真分析方案,利用其先进功能,在设计、更改、设备验收或系统定型,维护系统开发,认证和评审的整个生命周期的各个阶段,方便快速诊断与分析各类复杂系统之间的电磁兼容性和射频干扰,是整体大平台项目在各个阶段性决策节点所需要的分析与支持工具。
ANSYS公司的EMIT软件提供丰富的Tx/Rx(发射机/接收机)模型参数、天线参数、射频器件模型参数等,可利用丰富的模型库组成复杂且完善的多个收发系统。软件输入为这些设备的RF通路及发射机和接收机频谱特性,输出为整个系统中敏感接收机的射频抗干扰余量(EMIBudget)。EMIT软件特有多重保真共址干扰预测技术可在复杂的射频环境下快速诊断并定位射频发射干扰源,可以帮助各总体单位实现系统级电磁兼容和射频抗干扰预估定性分析。
2.3.1 多系统共址的射频干扰冗余度计算
在分析多系统通道间的射频干扰问题时,对多系统共址建模尤为关键,这是一个复杂且跨越涉多学科的问题,如何管理多个系统的通道、器件以及天线数据成为最大的挑战。借助于EMIT丰富的通道、器件模型库可以方便快速地建立多系统共存原理图。如下图所示,左边是数个发射通道,右边的模块则是数个接收通道,发射频谱、杂散、谐波、接收敏感度、信噪比等通道指标都能以参数输入或者外部实测数据导入的形式赋予。在系统中的射频元器件的线性/非线性参数也可以人为输入或通过外部参数形式导入。
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图2-7. EMIT多系统通道共存原理图
对于其中任意一对收发通道,EMIT都可以单独对其进行仿真,将计算得到的接收机收到的干扰电平与其敏感度进行比对,从而得到出当前情况下接收机的射频干扰余量(EMI Margin),如下图的M(f)就是针对某发射机能量,经过收发链路和天线空间耦合后进入到接收机处的干扰电平与灵敏度的差值,如果大于1则表示干扰功率高于灵敏度接收功率,接收机性能将收到影响。
图2-8. 1对1收发系统射频干扰仿真
EMIT还可以仿真当多个发射系统同时工作时,在多个收发通道之间产生的有源互调交调产物,主要来源于两个方面。第一是多发射机同时工作,产生的发射频谱耦合到接收机后与接收通道上的射频前端非线性器件(如LNA等)产生的交叉调试。第二是不同发射通道之间的互调,发射频谱耦合到其他发射通道中,与其通道内的非线性器件(如PA等)也会互调,得到的互调产物会经由该发射通道往外二次耦合至接收通道,进而影响接收机灵敏度。
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图2-9. 多系统N对1射频干扰效应
多系统N对1仿真完成后,可以通过EMIT软件的可视化结果直观地观察到所有发射系统对特定接收信道的灵敏度影响,如下图右下方矩阵图所示,矩阵图中绿色单元表示对应的两个收发通道的耦合不会影响接收灵敏度,黄色单元表示收发系统间产生的干扰能量与接收灵敏度水平相当,红色表示干扰能量超过接收敏感电平,此时接收机灵敏度将会有所恶化。可以改变收发系统中各器件的非线性参数或者收发耦合量,就可以在矩阵图中实时观察到对接收灵敏度的改变。
图2-10. 多系统射频干扰仿真可视化结果
除了直观的矩阵图显示之外,EMIT还可以生成如下图所示多发射系统同时工作状态下接收机抗干扰余量,所有的通道间交调互调产物都可以直观显示,也可以看到每一个交调互调分量产生的来源,从而指引设计者找到消除恶化接收灵敏度的方法和途径。
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图2-11. 多发射通道同时工作时接收机的抗干扰余量
3.1 机载射频系统设计
机载射频系统主要包括通信系统,电子对抗系统,雷达系统和导航系统,分别负责情报交互,干扰/反干扰,目标探测和定位。为了适应现代作战环境的需要,无论是通信,电子对抗还是雷达系统的性能都越来越高,传统的设计采用的是单一化的思路,即在飞机上分别设计安装通信,电子对抗,雷达和导航系统,除了成本高昂之外,还会导致在一个狭小的空间中有多个系统相互争夺资源,影响作战配合能力和电磁兼容能力。为了克服独立射频系统的缺点,目前的机载射频系统往往使用综合射频系统,采用公共射频口径,宽频带的接收机,在尽可能接近天线的地方采用A/D转换完成信号的数字化,从而统一考虑雷达,通信,电子对抗和导航四个方面。采用综合射频系统可以降低射频系统成本,减轻重量,节约空间,并提高系统升级的灵活性,已经成为必然的发展趋势。
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综合射频系统构架
ANSYS软件具备机载综合射频系统的仿真能力,能够完成通信,电子对抗,雷达和导航子系统的设计和仿真,以下为具体应用说明。
3.1.1 综合射频系统仿真
综合射频系统要求实现:共用天线的多波束,并且每个波束可以智能地实现雷达,通信,电子对抗和导航中的一种功能;足够宽频带的T/R模块,采用数字化的频率合成技术,对应每种应用都要能够实现多载波的工作方式。
ANSYS软件可以实现电路和电磁场和协同仿真,通过控制射频电路的辐射和相位,从而动态的改变天线阵列的波束情况,实现多波束多频带扫描,并且可以分析射频电路的不一致性导致的天线波束的变化。
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