無(wú)論是對(duì)于飛機(jī)的安全性還是5G部署的經(jīng)濟(jì)可行性而言，緩解5G的干擾是現(xiàn)在比較急迫的一個(gè)問(wèn)題。下面給大家介紹一下，如何使用SIMULIA CST Studio套件中的電磁仿真工具來(lái)分析電磁干擾情況的仿真。一起來(lái)看看，5G信號(hào)是如何干擾雷達(dá)高度計(jì)的？

干擾或多或少是由外部源引起的電氣路徑或電路中的電氣噪聲。這可能發(fā)生在兩種情況下：

l這兩個(gè)系統(tǒng)的工作頻帶彼此非常接近，使得接收系統(tǒng)在其工作頻帶內(nèi)接收到來(lái)自發(fā)射系統(tǒng)的高水平帶外發(fā)射。

l這兩個(gè)系統(tǒng)的工作頻帶相距甚遠(yuǎn)，但是在接收機(jī)的工作頻帶中可以接收到發(fā)射頻譜的高次諧波。

在5G干擾飛機(jī)高度表的情況下，我們更多的是第一種場(chǎng)景。5G C波段在3.7到3.98 GHz之間，距離高度計(jì)的工作頻率只有220 MHz，這增加了干擾的風(fēng)險(xiǎn)，特別是當(dāng)發(fā)射器和接收器在物理上相互靠近時(shí)。這就是為什么在飛機(jī)接近和著陸期間干擾問(wèn)題是最危險(xiǎn)的，此時(shí)飛機(jī)離地高度非常關(guān)鍵。圖1.a顯示了一個(gè)場(chǎng)景，其中著陸的飛機(jī)在5G塔附近進(jìn)行翻滾機(jī)動(dòng)(該距離是5G塔和飛機(jī)之間的水平距離以及飛機(jī)離地高度的函數(shù))。

那么收發(fā)器的頻譜是怎么定義的呢？答案如圖1.b所示，其中5G-C頻段[3.7–3.98]GHz分為3個(gè)子頻段。當(dāng)前由Verizon占用的帶寬為100 MHz (2)。其他的將在不久的將來(lái)部署，其中一個(gè)也有100 MHz的寬度，最后一個(gè)是80 MHz寬，這在5G波段和高度計(jì)波段之間留下了220 MHz的保護(hù)波段。事實(shí)上，這3個(gè)頻帶中的每一個(gè)都被分成更小的20 MHz帶寬的頻帶。這個(gè)保護(hù)帶太小，不能讓5G發(fā)射器的諧波干擾高度計(jì)。因此，干擾很可能是由于5G天線的雜散發(fā)射功率造成的。這將在下一節(jié)中檢查。

圖一 (a)飛機(jī)著陸場(chǎng)景和(b)5G發(fā)射器和高度計(jì)收發(fā)器的頻譜

SIMULIA CST Studio套件如何幫助預(yù)測(cè)干擾？

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)干擾，我們需要：

l模擬天線之間的耦合。這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的多尺度場(chǎng)景，需要捕捉天線的亞毫米級(jí)細(xì)節(jié)以及相隔數(shù)百或數(shù)千米的飛機(jī)和蜂窩塔的巨大結(jié)構(gòu)。CST Studio Suite是Dassault Systèmes的SIMULIA品牌的電磁仿真包，它為運(yùn)行混合仿真提供了具有不同數(shù)值方法的多個(gè)解算器:例如，模擬天線性能的時(shí)域方法，并將其與SBR(發(fā)射和反彈射線)方法相結(jié)合，后者可以非常有效地處理大規(guī)模場(chǎng)景。這些方法的混合可以是完全雙向的，這考慮了可能由安裝天線的平臺(tái)引起的天線的任何最終不匹配。

l考慮產(chǎn)生最大干擾的最壞情況。在我們的案例中，我們認(rèn)為5G塔的主瓣是朝著飛機(jī)掃描的。同時(shí)，飛機(jī)應(yīng)該以17度的傾斜角執(zhí)行滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，以改變其水平方向。

圖2.a顯示了5G天線向飛機(jī)發(fā)射的功率密度圖示例。對(duì)幾個(gè)水平距離(在100和1200米之間)進(jìn)行模擬，以觀察它如何影響干擾。飛機(jī)和5G塔的高度分別固定在100米和30米。圖2.b顯示了5G天線和高度計(jì)在幾個(gè)距離上的耦合。自然地，當(dāng)距離增加時(shí)，耦合減少。

圖二。(a)來(lái)自5G天線的發(fā)射功率密度(b)天線之間的耦合

現(xiàn)在的想法是在干擾計(jì)算中加入耦合參數(shù)。這可以通過(guò)使用SIMULIA CST Studio套件的干擾任務(wù)輕松完成。除了耦合之外，我們還需要為5G和高度計(jì)收發(fā)器定義無(wú)線電參數(shù)。對(duì)于發(fā)射器(5G)，我們應(yīng)該指定通道(3)的數(shù)量及其寬度、發(fā)射功率或PSD(功率譜密度)以及寄生功率。接收器也由信道的數(shù)量(1)和它們的寬度以及它們的靈敏度指定。RTCA(航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì))在其論文N 274-20/PMC-2073中公布了一些關(guān)于高度計(jì)靈敏度和5G天線發(fā)射功率的數(shù)字(3)。

下圖顯示了所使用的無(wú)線電。對(duì)于5G發(fā)射，我們考慮了一個(gè)城市天線桿，其中天線的輸出峰值EIRP(有效全向輻射功率)為70 dBm(或50 dBm的峰值功率，因?yàn)?G天線增益約為20 dBs)，雜散發(fā)射為-20 dBm，導(dǎo)致PSD為50 dBm/MHz。至于高度計(jì)，我們選擇了適合所有FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)模型的特性，其中保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)涉及假高度信息，靈敏度等于-103 dBm。高度計(jì)的飽和度設(shè)置為-10 dBm。

圖3。(a) 5G天線(b)高度計(jì)的無(wú)線電定義

例如，我們將展示5G塔和飛機(jī)之間水平距離為100米時(shí)獲得的結(jié)果。左圖顯示了高度計(jì)的接收功率，右圖顯示了帶內(nèi)和帶外的EMI余量。我們可以看到，帶內(nèi)和帶外明顯存在具有高EMI余量的干擾。顯然，帶內(nèi)余量是由5G天線的雜散發(fā)射造成的。

圖4。(a)高度計(jì)的接收功率，(b) EMI余量

我們可以清楚地看到，對(duì)于100米的距離，我們有很高的EM裕量值(全部為正)，因此干擾很大。提醒一下，干擾閾值設(shè)置為-10 dB，這意味著如果容限低于-10 dB，我們認(rèn)為沒(méi)有干擾。如果容限在-10到0 dB之間，我們認(rèn)為干擾的風(fēng)險(xiǎn)很高。最后，如果裕量高于0 dB，干擾是確定的。這些結(jié)果可以從違例矩陣中直觀地解釋出來(lái)，作為輸出給出。綠色、黃色和紅色分別告訴我們所處的環(huán)境。

由于距離越大，耦合越小，因此干擾也越小。下表顯示了不同距離情況下的違規(guī)矩陣，范圍從100米到1200米不等。當(dāng)距離變大時(shí)，我們趨向于完全沒(méi)有干擾。圖5中給出了每個(gè)5G信道的相應(yīng)余量，作為距離的函數(shù)。

圖5。5G塔和飛機(jī)之間不同距離的違規(guī)矩陣

EMI裕量與距離的關(guān)系，顯示危險(xiǎn)區(qū)(紅色)、危險(xiǎn)區(qū)(黃色)和清除區(qū)(綠色)

上圖清楚地表明，避免干擾的最簡(jiǎn)單解決方案是避免在機(jī)場(chǎng)附近部署5G塔，因?yàn)樵黾泳嚯x會(huì)減少干擾。然而，這并不總是可能的——如果5G天線所在的發(fā)射塔已經(jīng)部署在機(jī)場(chǎng)附近，該怎么辦？解決方案是在兩個(gè)系統(tǒng)的傳輸鏈中增加濾波器，實(shí)現(xiàn)高帶外抑制。下圖左側(cè)顯示了添加濾波器后的耦合結(jié)果，與100米距離的原始耦合結(jié)果進(jìn)行了比較。在右側(cè)，我們可以看到濾波器有助于大幅降低干擾，裕量低于-10 dB。

使用模擬來(lái)預(yù)測(cè)電磁干擾

射頻干擾是無(wú)線電收發(fā)器之間非常常見(jiàn)的問(wèn)題，通過(guò)仿真預(yù)測(cè)射頻干擾有助于減少不必要的測(cè)量研究。最重要的是，它有助于為設(shè)備、乘客、機(jī)組人員和旁觀者創(chuàng)造一個(gè)更安全的環(huán)境。SIMULIA CST Studio Suite擁有所有工具，可用于設(shè)計(jì)從天線和RF組件等最小組件到完整通信信道的RF系統(tǒng)，可用于模擬干擾、信道脈沖響應(yīng)(CIR)和許多其他重要KPI。