未雨绸缪是良策——Ansys产品经理看美国5G部署引发的航空安全性争议

本文原刊登于semiwiki.com：《The 5G Rollout Safety Controversy》

作者：Matt Commens | Ansys首席产品经理（HFSS）

编辑整理：罗辉 | Ansys高频应用工程师

最近关于美国电信运营商 AT&T 和 Verizon 联合推出最新的 Sub-6GHz 频段 5G 无线电接入网络 (RAN)的新闻引起了很多关注。根据计划，上述美国两大电信运营商本应在2021年1月5日全面推出新的5G网络频段，但是美国联邦航空局（FAA）和航空业却申明该新频段的推出将对部分民航机型的安全设备产生影响，对飞机自动驾驶仪和着陆系统的潜在安全问题表示严重担忧，由此美国的一些国际和国内航班相继取消。经过多方反复地沟通谈判，AT&T和Verizon同意在美国某些特定机场附近推迟5G系统的实施计划。

美国联邦通信委员会（FCC） 早在 2020 年12 月拍卖了 3700-3980 MHz C波段频率，这些无线频谱被认为与民航飞机高度计雷达系统工作的 4200-4400 MHz 频段太接近了。关键、敏感的高度计雷达系统将射频信号从地面反射，以确定飞机的相对高度，供飞机的自动驾驶仪和自动着陆系统使用。显然，来自该系统的高度信息如果出错将会导致严重的安全问题，尤其是在飞机起飞和着陆期间将带来致命的风险。

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表面上看，这两个系统运行在不同的频段，似乎根本不会存在相互干扰的问题。但是，在讨论由各种有源组件组成的射频系统时，这并不是那么简单。射频系统内的有源设备会产生携带大量杂散的带外信号，尽管这些信号的幅度可能比带内基波频率上的幅度低得多，但它们仍然可以大到足以干扰在其他频段运行的附近系统。此外，雷达高度计系统的设计非常敏感，因为来自地形的反射信号的幅度可能会根据海拔高度以及地形的特征和形状而有很大差异，所以从理论上来说，5G C波段的带外杂散信号如果一旦落在高度计系统的工作频带以内，将很有可能影响高度计雷达的接收机灵敏度，导致飞机高度读数发生错误。

另外，因为部分民航飞机上的高度计雷达系统设计已经超过三十年，当时在临近频段并没有其他高功率无线射频系统工作，所以设计者没有在接收机前端使用滤波器来滤除带外干扰，这就导致了高度计雷达系统的带外抑制度很差，当5G C波段部署成功后，这个新的5G频段（如下图淡蓝色频谱）将极有可能给高度计雷达系统带来阻塞、临道泄漏、交调等影响，恶化接收机的灵敏度。

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让人感到意外的是，自2020年12月5G C频段拍卖至2022 年1月网络推出，中间长达一年多的实施时间，居然在前期5G网络部署阶段没有预料到会给航空安全性带来如此巨大的争议；而美国联邦航空局（FAA）基于安全考虑而取消的大量国际国内航班已带来巨大的经济损失；而且还有计划将对部分机型的高度计雷达系统进行重新设计，并投入更多成本对新系统进行大量测试，而这些为规避安全性风险和新系统验证完全可以通过工程仿真的手段来辅助执行。例如Ansys EMIT 等仿真工具就可以在前期对这些严重的射频干扰问题进行仿真和评估。

下图即显示了Ansys EMIT软件对典型多射频系统共存工况下的抗干扰分析，在该复杂工况中包括了多个天线和无线电设备。该系统可以是飞机本身，也可以是包括飞机和机场附近的地面5G系统在内的多个子系统的组合。EMIT使用来自各种来源的器件模型快速便捷地搭建各个射频系统，在这个例子里，它可以使用由Ansys HFSS电磁场求解器以及SBR 高频近似电磁场求解器得到的仿真结果来作为准确的场耦合模型。

作为专用于解决棘手射频干扰问题的仿真工具，Ansys EMIT 是 Ansys Electronics Desktop 的一个组成部分，也是 Ansys HFSS 产品家族的一部分，旨在考虑宽带发射机发射并评估其对宽带接收机特性的影响。此外，发现的任何问题都能通过追溯方法直观地识别，使设计人员能够轻松了解干扰源头和干扰路径，帮助系统设计师快速找到缓解干扰的方案。

EMIT 考虑了通道内和带外效应。除了发射机和接收机之外，进行射频干扰仿真还必须考虑天线的影响。Ansys HFSS 是对天线的物理特性、安装效果和耦合进行建模和仿真的行业标准，即使是仿真长距离和地形反射的天线耦合问题也能适用。

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肖运辉 | Ansys产品技术经理

肖运辉，电磁场仿真软件专家，对电磁场仿真算法体系及相关软件有系统性了解和研究。现任Ansys中国高频产品线技术经理，负责高频行业技术开发和管理工作，对Ansys电磁产品，多物理场耦合产品，Ansys平台方案等有关产品及方案应用有全面的了解和经验。