安 輝

(民航寧夏空管分局，寧夏 銀川 750009)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，民航飛行量不斷增加，甚高頻(Very High Frequency，VHF)通信設備也不斷增多。民航VHF臺站的電磁環(huán)境維護，一直是相關維護部門的重點和難點。近年來，隨著機場臺站周圍的商業(yè)化發(fā)展，各類供電線路、照明設施和亮化工程等供電設備的使用也參差不齊，由電磁泄漏造成的干擾也日漸突出，再加上各種無線電通信、移動基站和無線廣播的使用，使機場及VHF臺站周圍的電磁環(huán)境日益復雜，由此導致無線電干擾漸趨日常化。在無線通信過程中，VHF電臺周圍無用高能量信號通過直接或間接耦合造成的信號干擾會導致VHF通信質量降低或通信中斷，此類事件直接影響民用航空運行保障安全。本文采用間隙放電模型進行分析，深入闡述了電暈電火花放電干擾產生機理，通過實驗得出數據，并在此基礎上通過計算給出民航VHF天線接收端允許的最大干擾功率，在最后結合實際給出抗干擾緩解措施。

1 民航VHF系統(tǒng)

1.1 VHF系統(tǒng)簡介

VHF通信作為飛機與飛機、飛機與管制之間的雙向話音和數據通信手段，其頻率范圍是118.000～136.975 MHz。采用調幅工作方式，其頻道間隔25 kHz。飛行員通過VHF通信系統(tǒng)中某個指定頻率，即可進行地空端接收和發(fā)射。由于VHF系統(tǒng)使用VHF無線電波，故為視距傳播，有效作用范圍較短，在高度為300 m時距離為74 km，作用距離隨高度變化。目前在民航通信中，VHF作為主要通信手段用于飛機起飛、降落以及巡航階段，機組人員和地面管制人員的雙向語音通信[1]。在飛機起飛和降落時期是問題最繁忙時期，也是最容易在整個飛行過程中發(fā)生事故的階段，因此必須保證VHF通信的可靠性和穩(wěn)定性，所以民航飛機上一般都裝有一套主用、一套備用和一套應急系統(tǒng)。

VHF通信系統(tǒng)的基本組成模塊包括：收發(fā)信機、控制盒和天線。發(fā)射機產生基準載波信號，并將語音調制到載波上，通過天線發(fā)射。接收機通過天饋系統(tǒng)接收信號，并經過放大—檢波—濾波處理，獲取語音信號，傳輸到管制員/飛行員耳機中。天線系統(tǒng)一般架設在航管樓樓頂或塔臺頂等較為空曠的地帶。由于設置電臺頻段較多，均采用天線共用系統(tǒng)[2]。

1.2 VHF天線共用系統(tǒng)

VHF天線共用系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。相比傳統(tǒng)的單體電臺，現(xiàn)在規(guī)劃建設VHF臺站時都考慮使用天線共用系統(tǒng)，它采用中饋天線，分別加入帶通濾波器、隔離器等措施，使多個電臺在共用天線過程中相互隔離且各自匹配[2]，能明顯減少天線數量，降低電臺間干擾的可能，充分發(fā)揮VHF共用系統(tǒng)信道多、容量大和通信質量好的優(yōu)勢，大大提高了VHF系統(tǒng)的通信能力。

圖1 VHF天線共用系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Structure block diagram of VHF antenna common system

2 電暈放電干擾

2.1 無線電干擾原理

無線電干擾信號主要通過耦合方式進入設備端接收信道。耦合方式分為直接耦合和間接耦合，主要對有用無線電信號產生影響，使之性能下降，降低質量，信息出現(xiàn)差錯或者丟失，甚至中斷通信功能。因此，無線電干擾通常表述為在通信過程中，有用信號被無用信號干擾引起的接收質量下降或者損害的過程。無線電干擾通常分為同頻率干擾、互調干擾、交調干擾和雜散干擾等[3]。

2.2 電暈現(xiàn)象

電暈(放電)是指導線局部高電壓使周圍空氣電離形成的自激導電現(xiàn)象[4]。簡單來說，電暈現(xiàn)象是由于導體曲率半徑較小，導致對周邊空氣放電，是一種自持放電形式。通常在輸電線路的選擇和使用過程中，都工作在其最大工作電壓下，但導線表面最大場強遠遠低于電暈的起始場強。然而在線路建設或使用過程中難免會產生機械損傷(毛刺、擦傷)、污穢沾染(油滴、灰塵)和空氣濕度較大(水露、霜雪)等，使導線表面結構發(fā)生變化，局部電場強度上升，使得在正常供電傳輸過程中，在電壓遠比自持放電起始電壓低時發(fā)生電暈放電[5]。電暈放電會產生光、聲和熱等效應以及化學反應，帶來許多不利影響。例如，電暈電壓繼續(xù)升高，在電流柱不斷熄滅和重新爆發(fā)時，會出現(xiàn)脈沖放電現(xiàn)象，引起電磁干擾。

2.3 放電產生原理

電暈放電的形成機制與尖端電極的極性密切相關，并且因電暈放電時空間電荷的分布狀況和積累不同而不同，可分為正極性電暈和負極線電暈。在直流電壓作用下，正/負極性電暈均可在尖端電極附近聚集起空間電荷[6]。在負極性電暈中，當電子引起碰撞發(fā)生電離后會形成負離子，此時電子被驅往遠離尖端電極的地方，正離子則聚集在靠近電極表面的地方。當電場持續(xù)加強時，正離子逐漸被吸進電極，形成脈沖電暈電流，此時負離子被擴散到間隙空間。重復上述過程，循環(huán)開始下一個電離及帶電粒子運動過程，便會出現(xiàn)脈沖電暈電流。繼續(xù)升高電壓，電暈電流的脈沖頻率會增加，幅值也會增大，隨后轉變?yōu)樨撦x光放電，加速放電發(fā)展，持續(xù)升高放電電壓，將出現(xiàn)負流注放電(又稱為羽狀放電或刷狀放電)。當負流注放電擊穿整個間隙，發(fā)展到對面電極時，就成為火花放電。工頻交流電在正半周為正電分量，負半軸為負電分量，故其產生的放電過程與直流正、負電暈放電原理基本相同。交流電暈電流與電壓相位同相，能反映出電暈功率的損耗。工程應用中的電暈特性常使用外加電壓與電暈電荷量的關系表示，稱為電暈的伏庫特性[7]。架空輸電線路導線的電暈起始電場強度Es可表示為：

(1)

式中，δ為空氣相對密度；m為絞線系數；R為導線半徑，單位cm。當δ=1，m=0.5，R=0.9 cm時，Es=19.7 kV/cm。但在實際應用中，導線表面狀況不同(如損傷、雨滴、附著物等)都會容易產生電暈放電[8]。文中的干擾原因就是繞線接頭松動，產生間隙放電而導致的電暈火花放電現(xiàn)象。

3 電暈電火花放電干擾實驗

3.1 實驗裝置

為探索電暈及電火花放電頻譜特性，采用如圖2所示的電路進行模擬間隙放電實驗。將測量天線放置在離放電回路一定距離處，使用頻譜儀對天線所接收到的電磁波信號進行對比分析，并記錄相關數據[9]。

圖2 間隙放電電路Fig.2 Circuit diagram of gap discharge

局部放電試驗裝置電源產生器如圖3所示。將220 V交流電輸入后經自耦調壓器和隔離變壓器施加到升壓變壓器，其中隔離變壓器的作用為抑制電源中含有的高次諧波，并能阻止經地線竄入測量系統(tǒng)的高次諧波。采用半波整流電路(由硅堆構成，硅堆最高承受電壓為200 kV)對電容器充電實現(xiàn)脈沖放電工作模式[10]。要實現(xiàn)交流放電工作模式可短接硅堆并斷開電容器。去離子水制成的水阻起到保護電阻作用，阻值取值范圍為0.5～1.5 MΩ，主要作用是限制變壓器負載短路電流，以免由于電容器初始充電電流過高或實驗時擊穿而燒壞變壓器，同時也能改善變壓器繞組上的電位分布，避免損壞變壓器。電容器選用脈沖電容器，其容量為300 pF，耐壓50 kV。

圖3 放電實驗電源Fig.3 Power supply of discharge experiment

3.2 實驗方法

實驗測量裝置主要由寬帶天線構成的測量系統(tǒng)和頻譜儀(E7404A)相連組成[10]。由于火花放電頻譜范圍較寬，本實驗裝置主要測量高頻及高頻段頻率范圍內電磁能量分布情況。實驗將頻譜儀測量頻率范圍調至50 MHz～1 GHz。

3.3 實驗結果

在進行高壓交流放電時，接通電源回路，閉合開關，逐漸升高電源電壓，直到放電間隙出現(xiàn)放電情況，讀取頻譜儀。針-板放電試驗時測得的試驗結果如圖4所示，對應放電電壓幅值約為7 kV[10]。

圖4 放電頻譜儀測量頻譜Fig.4 Measured spectrum of discharge spectrum analyzer

由圖4可以看出，去掉背景低頻信號的干擾后，頻譜儀測得了輻射能量較強的頻率信號，且該信號連續(xù)分布在測試的整個頻段(包括超高頻段0.5～1 GHz)；其中在70～150 MHz之間有較高幅值信號，200～800 MHz之間幅值有所降低較為平緩，800 MHz～1 GHz又有所增加，在400 MHz左右有明顯尖峰幅值信號。

3.4 實驗結論

經過多次實驗后，從頻譜儀記錄情況可分析出，在間隙放電未產生火花之前的電暈干擾，其幅值隨頻率升高而衰減。當頻率低于1 MHz時，衰減微弱；當頻率高于1 MHz時，急劇衰減，電暈放電干擾對VHF系統(tǒng)影響不大。當間隙開始放電產生火花時，在頻譜儀上容易測量出很寬頻率范圍的火花放電干擾，在50 MHz～1 GHz的頻率的電磁波輻值比較大。

VHF(30～300 MHz)通信正好處于干擾區(qū)間范圍內?！睹裼脵C場與地面航空無線電臺(站)電磁環(huán)境測試規(guī)范》AP-118-TM-2013-01中明確規(guī)定，對于VHF周圍最大允許干擾場強為9 dBμV/m[11]。電磁環(huán)境測試規(guī)范中對VHF的要求是以電場強度的形式給出的，所以將場強轉化為功率以便直觀判定。首先通過式(2)和式(3)算出場強功率密度：

U=20·lg(u/u0)，

(2)

p=u2/zc，

(3)

式中，u0=1 μV；Zc的自由空間阻抗為120π=377 Ω，帶入上述最大允許干擾場強，可計算出場強功率密度p=2.109 3×10-14W。天線輸出端得到的接收功率密度等于最大接收方向的來波功率密度乘以等效面積，而VHF半波天線的等效面積計算為：

s=λ2×g/(4π)，

(4)

p1=p×s，

(5)

式中，λ為天線工作波長，按頻率127 MHz設計，對應工作波長λ=300/127=2.36 m[12]；g為偶極子天線增益，0 dBd=2.15 dBi=1.64；所以計算得出等效面積s=0.726 m2。天線端得到功率密度p1=1.531 4×10-14W。按照場強功率計算：

P=10·lg(p1/p0)，

(6)

式中，p0=1 mW。將上述計算結果帶入，得出VHF天線端最大允許干擾場強為-108.15 dBm。從實驗數據看出，火花放電在VHF(118～136.975 MHz)段內輻射功率在-70～-30 dBm之間，遠遠大于VHF天線端最大允許干擾場強，所以會造成共用天線系統(tǒng)內全頻段干擾，影響VHF臺站運行。

4 干擾緩解措施

4.1 輸電線路與無線電設備距離

通過對現(xiàn)運行供電線路的大量實測數據分析表明，無線電干擾水平和傳輸距離有著密切關系，隨著輸電線路與電臺的橫向距離的增大而急速減弱[13]；一般情況下，當距離達到150 m時，放電干擾信號將降低到很弱的程度，而在1 km以外就可忽略。

在無線電通信的收信基站中心，按傳統(tǒng)規(guī)定輸電線路直線距離應該大于2 km。但由于民航各類導航臺所使用的頻率，均屬高頻或以上，對這樣高的頻率，輸電線路所產生的電暈干擾將很快衰減到背景水平(5 dB)，要求距離大于400 m?！逗娇諢o線電導航臺和空中交通管制雷達站設置場地規(guī)范》明確要求，在進入導航臺200 m以外處的電纜必須進行地埋[14]。

4.2 供電線路維護

對民航VHF臺站附近高壓線路除了按以上規(guī)定建設外，供電部門應定期對其維護。除正常維護項目外，可采用紅外探溫器對線路電纜的運行溫度進行記錄，著重對各終端桿、轉角桿處有接頭的地方進行檢測，及早發(fā)現(xiàn)運行隱患，杜絕由于松動所致的火花放電現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 結束語

通過介紹和分析可以得出，電暈及電火花放電是一種供電線路特有的放電形式，但在電磁環(huán)境日益復雜的今天，這種放電形式所產生的電磁干擾也是今后工作中必須重視的一個方面。本文通過間隙放電實驗測出火花放電對外輻射出的電磁強度，再將相關標準轉換計算出VHF天線端最大允許干擾場強，并將二者數據進行對比得出火花放電對VHF全頻段得干擾強度。最后給出有效措施，降低或消除其對民航VHF無線電的干擾，對今后VHF臺站建設和運行方面具有指導意義。