1 引言
飛機安裝有大量的無線電收發設備，如機載導航、通信和客艙信息系統。這些系統可能會受到機上其它電子電氣設備工作時輻射發射的電磁場影響。這個影響在新發布標準中定義為前門耦合干擾。在商用飛機設計過程中，機載接收機前門耦合干擾越來越受到適航審查的重視。因此在民用飛機設計之初即確定重要系統潛在的前門耦合干擾并加以避免是必要的。
2 基本原理
機載接收機前門耦合是指機上電子電氣設備/部件輻射發射的電磁能量通過飛機縫隙、窗體等繞射至機載天線，從而對通信、導航接收機產生干擾，圖1示出了前門耦合干擾的機理。
圖1 前門耦合干擾機理
從圖1可以看出，是否引起接收機前門耦合干擾取決于機載設備的輻射發射通過天線耦合到接收機天線端口的能量。因此，在分析前門耦合干擾時就必須分析機載設備的輻射發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，與輻射源和敏感設備特性無關。所以，在分析前門耦合問題時，均可等效為對IPL的求解。
若將機載設備的輻射發射看作為一個全向天線的輻射發射，那么對干擾路徑損耗的計算又可等效為兩部天線組成的二端口網絡S參數求解。
常用的對S參數求解的方法有很多種，而本文采用了應用較少的矩量法（MOM）。矩量法是一種基于積分方程的嚴格的數值方法，其精度主要取決于目標幾何建模精度和正確的基權函數的選擇及阻抗元素的計算。其思想主要是將幾何目標剖分離散，再定義合適的基函數，然后建立積分方程，用權函數檢驗從而產生一個矩陣方程，通過對該矩陣方程求解，得到幾何目標上的電流分布，從而得到其它近/遠場信息。
3 算法驗證
在文獻中提到，通過建立機體簡化模型，采用時域有限差分方法（FDTD）對機載接收機前門耦合問題進行了仿真計算。為驗證MOM求解該問題的有效性，建立相同的模型分別采用FDTD和MOM方法進行求解。圖2為機體簡化模型，圖中A為模擬機載設備輻射發射的偶極子天線，B為安裝在飛機外部殼體上的機載天線。
圖2 機體簡化模型
仿真計算的頻段為50MHz-500MHz，該頻段囊括了大部分易受前門耦合干擾的機載接收機工作頻段，計算結果如圖3所示。
圖3 為兩種不同算法得到的計算結果
從圖3可以看出兩種方法的計算結果吻合較好。
4 算例分析
在工程應用中，干擾源設備遍布飛機內部各艙室，包括駕駛艙、客艙、電子電氣設備艙（E/E艙）、貨艙等，多部機載天線位于機身背部和腹部。在建模時，還需要考慮艙門的縫隙和窗體結構等。圖4為客機簡化模型。
圖4 客機簡化模型
飛機E/E艙是機載設備集中安裝的區域，而位于機身腹部的甚高頻通信天線距離E/E艙最近，因此建立數學模型如圖5所示。
圖5 前門耦合天線布置
圖5中，TX為發射天線，放置在E/E艙內，模擬機載設備的輻射發射；RX為接收天線，模擬VHF通信天線。
本算例使用商業軟件FEKO進行計算，頻段為118~137MHz，與VHF通信的工作頻段一致，目標為求解兩部天線端口間的S參數。
為確保計算精度和計算量，網格刨分大小設為0.27m，約為最大頻率波長的8分之1。
由于飛機窗體、縫隙尺寸較小，為確保精度，增大在其邊緣刨分密度，設置在其邊緣處的網格刨分大小為0.1m，刨分后的模型如圖6所示。
圖6 平面劃分后的網格模型
5 結果分析
通過計算得到了VHF通信工作頻段內的S參數，如圖7所示。
圖7 VHF-1收發機工作頻段的S參數
從圖7中可以看出在125MHz頻點處，兩個天線之間的隔離度約為-33dBm。在國產某型支線飛機研制過程中，VHF通信在125MHz產生了較大噪聲，VHF收發機的靈敏度為-100dBm，可以確定安裝在電子電氣艙內的設備輻射發射功率測量不應超過-67dBm。按照該結論，對安裝在電子電氣艙電子電氣設備輻射發射功率進行檢查發現，飛控計算機（FCC）在125MHz的輻射發射功率約為-60dBm。可以初步確定FCC可能是導致干擾的輻射源。
為此在機上開展了VHF收發機的前門耦合測試。在FCC開機情況下，VHF天線端口125MHz處接收到較大信號，功率約為92dBm，在FCC關機情況下測量該信號消失。可見該計算結果不僅在研制階段可以指導工程設計，在飛機試飛階段同樣指導了飛機故障排除工作。
本文提出的S參數等效仿真計算方法，經過計算結果應用于飛機排故工作的驗證，表明其具有較高的準確度和有效性，能夠滿足工程實際需求。同時在接收機前門耦合計算中，簡化了計算量并減少了建模復雜度。
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本文標題：基于FEKO的機載接收機前門耦合研究
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