黄井秀

（中国西南电子技术究所，四川成都，610036）

0 引言

近些年，在大量的性能考核飞行试验过程中发现：经常出现“装上飞机平台后电子设备性能指标下降，但是单独对设备进行测试，指标依然满足要求”的情况；无独有偶，装配在舰船上的设备也陆陆续续在试验过程出现类似情况。经过大量的测试验证、数据采集和数据分析，我们总结以下经验：应用于复杂武器平台的无线通信设备，不仅要关注设备本身的指标，也需要关注设备装载到平台后表现出的指标。因为，平台本身的材质、形状[1]、平台上其他电子设备以及平台所处的自然环境等均会对通信设备的指标造成不可忽视的影响。这些影响，直接表现为作用距离不够、接收信号质量下降等，具体原因是天线辐射方向图畸[2]、接收机灵敏度下降、环境底噪抬升等等。尤其是短波和超短波频段的通信设备，通常在实验室验证正常甚至超额满足要求，一旦装上飞机或者舰船等复杂武器平台后，就容易出现作用距离不够的情况。

本文基于机载超短波通信电台装机后作用距离不够，分析环境温度、外部电磁环境干扰对应用于复杂武器平台无线通信设备接收机灵敏度的影响，同时推导出外部电磁环境干扰与接收机内部噪声系数间的关系以及在复杂武器平台通信设备灵敏度预算时两者的取舍权衡。

1 接收灵敏度影响因素

机载超短波通信设备在多次试飞过程中出现作用距离不够的问题。从Friss传输公式可以看出，作用距离与发射功率、发射天线增益、接收天线增益、接收系统灵敏度以及工作频率有关。

其中，Pt为发射功率，Pr为接收信号电平，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，λ为工作信号波长，R为作用距离。天线增益方向图很容易受装机位置、载体材料、天线罩等影响，在装上平台以后产生畸变，从而导致某个角域增益方向图出现凹陷，天线增益下降。天线增益方向图的受平台影响已被广泛熟知，并在系统设计之初，就会对天线布局、装机后的方向图进行整机仿真分析，并采取改进措施。

通过式（1）可推导作用距离公式见式（2）和式（3）所示：

利用故障树法对作用距离影响要素：包括发射天线增益（装机后）、设备输出功率、电缆损耗、接收天线增益（装机后）等逐一进行排查，最后定位为设备接收灵敏度不够导致。将机载超短波电台拿回实验室测试却无法复现故障，相同的设备装机后就必然出现。显然，这是一个平台影响设备指标的问题，到底是哪些因素在灵敏度预算中该考虑却被忽略，从而导致设备在复杂武器平台上出现灵敏度下降。

灵敏度是接收系统的一个重要指标，它定义为：在给定接收机解调器前所要求的输出信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平[3]。通常，我们在分析接收链路可以实现的理论灵敏度时，习惯上直接使用式（4）进行分析。

其实，式（4）所示的公式中隐含了两个条件：一是接收机噪声系数的参考噪声温度是标准噪声温度290K（绝对零度为273K，环境温度17℃），二是天线引入的外部噪声等效噪声温度为290K。第一个条件我们可以认为是一种约定，第二个条件实际是个假设。

完整的接收灵敏度公式如式（5）所示：

其中，Pin,min为接收灵敏度；k 为玻尔兹曼常数1.38× 10-23J/K；B 为接收机最小带宽；Ta为天线引入的噪声温度；F 为接收机内部的噪声系数；T0为标准噪声温度290K；(S NR)o，min为接收机解调器前所要求的信噪比。

从式（5）可以看出，当Ta=T0时，式（5）就可以简化成Pin,min=kBF( S NR)o，min，与式（4）等效。正如前面所说，Ta=T0是一种假设，是一种特例，实际使用过程中，不能完全等效。这也是我们在初步预算的时候经常忽略的一个问题。下面分析除解调信噪比和带宽外，接收灵敏度可能受那些因素影响。

1.1 环境温度对接收机灵敏度的影响

一般复杂武器平台都会对搭载的设备提环境适应性要求，其中典型的机载设备工作环境温度为-55℃～+70℃。下面分析环境温度对接收灵敏度的影响。

1.1.1 环境温度对天线引入噪声功率密度的影响

对接收机而言，天线引入的噪声温度可以看成是环境噪底，即kTa。表1选取几个典型的温度值，对环境噪底进行计算。从表1可以看出：在整个工作温度范围内，环境温度越高，环境噪底越高；在整个工作环境温度范围内，环境噪底的变化2dB。

表1 环境温度对环境噪底的影响

1.1.2 环境温度对接收机噪声系数的影响

接收机中主要存在的电子元器件都可以分解为最基础的电阻、双极型晶体三极管、场效应管、电抗类（电感、电容）元器件。这些元器件的噪声主要包括热噪声、散粒噪声和闪烁噪声，其中，只有热噪声与环境温度相关[1]。

电阻热噪声功率可以用NA=kTB 表示；工作于可变电阻区的场效应管热噪声功率谱密度可以表示为[1]：

式（7）中，γ是工艺系数，gd0为VDS=0时的漏源电导。可见，接收机内有源元器件噪声功率对环境温度的响应与表1所示一致，均随环境温度线性变化。

噪声系数是输入信噪比与输出信噪比的比值，如式（8）所示，其中输出噪声功率等于外部输入噪声功率与增益的乘积加上元器件内部的噪声功率（即No= Ni×G+N内）。但是，由于Ni和N内都与4kTB成正比，在不考虑负载电阻和有源器件内阻阻值随环境温度变化的情况下，元器件的噪声系数不会随环境温度变化而变化。

但是，实际测试过程中会发现，接收链路的噪声系数会随着环境温度的变化而变化。根据噪声系数级联公式，从式（9）可以看出：

链路级联噪声系数不仅与每一级器件的噪声系数相关，还与每一级器件的增益相关，特别是第一级低噪声放大器的增益。由于放大器增益会随环境温度变化而变化，一般情况下，增益随温度下降而提高，随温度升高而降低[2]。

因此，链路噪声系数还是会随环境温度而变化，从以往多个接收机的实际测试数据看，变化范围为1～2dB。在实际工程中，链路噪声系数指标的分解和提出，均已考虑工作环境温度的变化；实际接收设备的实现和性能考核测试也会严格按照温度环境条件执行。在本文的后续的分析中将不考虑本因素。

1.2 外部电磁环境干扰对接收机灵敏度的影响

在电磁兼容试验过程中，也发现设备受开关电源频率和时钟频率的谐波、杂散等因素影响，在短波和超短波频段无意辐射电平显著抬高，如图1所示。

图1 无意辐射电平（单位:dBμV）

复杂武器平台装载的电子设备众多，每个设备设计的工作频段和要求的技术性能指标都不一样，选用的时钟频率、开关电源的频率也不同，导致复杂武器平台电磁环境复杂。对无线通信设备来说，其他电子设备的有意辐射或者无意辐射，落入接收机带内的都是外部电磁环境干扰。

外部电磁环境干扰落入接收机中频带内，导致底噪抬高，可等效视为由天线引入的环境温度（即Ta）升高了，从而影响接收机灵敏度。

下面举例进行计算分析：假设外部电磁环境电平密度为-150dBm/Hz，接收机噪声系数为6dB，接收机中频带宽为68kHz，解调信噪比要求为12dB，那么，根据式（5）计算得到在这种电磁环境下接收机的实际灵敏度为-89.9dBm，计算步骤如下：

①根据外部电磁环境电平密度计算出等效天线引入的环境温度Ta；②根据接收机噪声系数计算出接收机在标准噪声温度290K的等效噪声温度Te；③根据灵敏度公式（5）计算接收灵敏度，计算结果为-89.9dBm；④根据灵敏度公式（4）计算出来的灵敏度值，计算结果为-108dBm。

从数值上看，利用两个公式计算结果相差近18dB，对应作用距离就有8倍之差，即若-108dBm对应的作用距离为300km，那么-89.9dBm对应的作用距离只有37.5km。可见，外部电磁环境干扰对接收灵敏度会产生巨大的影响，远远超过工作环境温度变化带来的影响，从而导致作用距离骤降。

因此，在系统方案论证时，必须充分考虑复杂武器平台上可能存在的外部电磁干扰，导致电子设备底噪抬升带来的灵敏度指标可达性恶化，根据历史经验数据提出实际工程可实现的作用距离指标。

同时，为了满足客户的终极应用需求，需要和平台提供商一起，对平台上可能的电磁环境进行综合设计，提出严格的要求，进一步分解到各个电子设备，最终实现各个功能、设备的兼容工作。

2 外部环境干扰和接收通道噪声系数之间的权衡

从上述分析可以看出，由于外部电磁干扰等效的环境噪底抬升对接收灵敏度存在巨大的影响。那么，在预算复杂武器平台接收灵敏度时，是不是直接将外部电磁干扰等效的底噪电平取代-174dBm/Hz就可以呢？实际操作过程中，我们发现，实际测试的接收机灵敏度优于这样计算出来的接收机灵敏度数值，差别主要体现在：接收机内部噪声系数是否需要叠加计算。

那么，计算灵敏度时接收机噪声系数和环境底噪数值如何考虑？下面通过理论推导进行分析。

其中，ζ为一个常数，表征系统接收通道噪声系数等效噪声温度与外部环境等效噪声温度的比值。ζ越大，表征接收机内部噪声系数对接收机灵敏度影响越大，需要重视；ζ越小，表征外部电磁环境对接收机灵敏度影响越大，在达到一定数值时，可以忽略接收机内部噪声系数的影响。

3 结束语

本文基于工程实践中遇到的问题，对天线增益、发射功率、线路损耗等可能的影响因素进行了大量的测试验证和数据分析后一一排除，确定了复杂武器平台对接收机灵敏度产生了影响。从而进一步分析了环境温度和外部电磁环境干扰对接收机灵敏度的影响，从文中的分析可知：工作环境温度对底噪电平带来变化，外部电磁环境干扰可等效为底噪电平变化，从而对接收机灵敏度造成影响。文章最后通过理论计算推导出接收灵敏度可以忽略接收机噪声系数影响的关系式。分析结果表明：工作环境温度在-55℃～+70℃范围变化时会对接收机底噪电平带来2dB的影响，因此，建议在无线通信链路预算中都需要至少保有2dB的链路余量；外部电磁干扰带来的等效底噪电平抬升一般比较大，对接收机灵敏度的影响巨大，从而可能带来作用距离成倍的降低。可见，在工作环境温度和外部电磁干扰这两个因素中，外部电磁干扰带来的等效噪底电平抬升是影响接收机灵敏度的主要因素，需要在设计和论证阶段着重关注。另外，本文基于外部电磁环境的影响分析和灵敏度公式，推导出灵敏度预算时可忽略接收机内部噪声系数影响的关系式，该式可直接用于接收机灵敏度预算与核算。