典型通信裝備帶內雙頻連續波電磁輻射效應預測方法

李　偉,魏光輝,潘曉東,盧新福,萬浩江,李　卉

(1.軍械工程學院電磁環境效應國家級重點實驗室,河北 石家莊 050003;2.中國人民解放軍63783部隊,新疆 喀什 844000)

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典型通信裝備帶內雙頻連續波電磁輻射效應預測方法

李偉1,魏光輝1,潘曉東1,盧新福1,萬浩江1,李卉2

(1.軍械工程學院電磁環境效應國家級重點實驗室,河北 石家莊 050003;2.中國人民解放軍63783部隊,新疆 喀什 844000)

針對復雜電磁環境下用頻裝備輻射敏感度試驗研究的不足,對用頻裝備帶內雙頻電磁輻射效應預測方法進行了研究。通過對用頻裝備帶內干擾機理和耦合機理的分析建立了帶內雙頻電磁輻射效應預測模型,并以某型超短波通信電臺為受試對象,設計了通信電臺電磁輻射效應試驗方案。通過通信電臺帶內單頻和雙頻連續波電磁輻射效應試驗,研究了受試電臺在帶內雙頻不同權重組合作用下電磁輻射敏感度變化規律。試驗結果表明不同頻率組合、不同功率強度組合下雙頻連續波電磁輻射效應預測模型系數都在1左右,預測誤差都在±1 dB以內,驗證了帶內雙頻連續波電磁輻射效應預測模型的有效性。

雙頻; 電磁輻射; 電磁效應; 敏感度; 預測

0　引　言

隨著科學技術的不斷發展,用頻裝備不斷增加,戰場電磁環境日益復雜,突出表現為輻射場強高、多輻射源并存等。復雜電磁環境是裝備建設和軍事斗爭必須面對的客觀現實。在復雜電磁環境下,各種電磁環境效應已經對裝備的安全性以及生存能力構成了很大的影響。因此,復雜電磁環境下的裝備效能評估方法研究,對于預測復雜電磁環境下的戰備綜合保障能力、提高裝備戰備完好率和任務成功率具有重要價值。

需要注意,當前國內外電磁兼容標準[1-3]所規定的輻射敏感度試驗均是在單輻射源條件下開展的,試驗得到的干擾、損傷臨界場強不能代表受試設備在實際戰場電磁環境下的生存能力,而在實際戰場電磁環境下,用頻裝備面臨的電磁輻射源在空域上縱橫交錯、時域上持續不斷、頻域上密集重疊、效能上隨機多變,也就是說在絕大多數情況下面臨的是多源同時輻射的情況。在這種情況下,如果輻射源的輻射頻率、極化方向搭配合適,很有可能使通信裝備在單源輻射效應評估的安全范圍之內受到干擾。為了評價用頻裝備在復雜電磁環境下的輻射效應,一般可以利用實驗室的半實物電磁環境模擬系統對用頻裝備進行相應的電磁環境效應試驗。但是,戰場電磁環境錯綜復雜,環境模擬根本難以窮盡,對于用頻裝備在未來戰場上可能面臨到的任意多源輻射組合的情況,不可能全部通過實驗室的環境模擬和效應試驗方法一一進行測試和評價。因此,很有必要對用頻裝備的多源電磁輻射效應預測方法進行深入研究。

目前,國內外學者已經認識到傳統輻射敏感度試驗的不足,并開展了相應的研究。多個射頻干擾已經用于軍用飛機和數字電視接收器[4]的測試中。文獻[5]分析了用于汽車功能安全的電磁兼容測試的不足之處,指出在電磁兼容測試中沒有考慮同時出現的干擾。在實際的電磁環境中電磁干擾可能同時出現,包括兩個或多個頻率的射頻干擾、一個輻射干擾加上一個傳導干擾或靜電脈沖等。同時出現的多個干擾會通過互調或檢波過程產生新的頻率成份,從而對受試設備產生干擾。文獻[6]指出通過單頻敏感度測試的設備對多個同時出現的干擾信號更加敏感,盡管此時各個干擾信號的幅值要低于單頻敏感度閾值。文獻[7]在混響室中用多源輻射敏感度試驗測試了互調效應。文獻[8]通過雙源掃頻的方法提出了針對互調效應的敏感度測試方法,但沒有相關的試驗驗證。文獻[9-10]研究了雙源連續波條件下電磁輻射敏感度規律。其他研究則主要從宏觀出發[11],將復雜電磁環境中影響設備電磁環境效應因素均考慮在內,運用神經網絡、混沌、模糊數學等統計分析方法,最終評估受試設備在復雜電磁環境下的生存能力。

通信電臺作為典型的戰場用頻裝備,是保障各作戰單元和武器裝備之間信息暢通的重要工具和手段,在信息化戰爭中發揮著舉足輕重的作用。基于此本文以典型通信電臺出現阻塞干擾效應為例,理論研究帶內雙頻連續波在固定組合模式下裝備的最敏感狀態,提出通信電臺在帶內雙頻連續波輻射作用下輻射敏感度的表征方式,建立通信電臺帶內雙頻連續波輻射效應預測模型;搭建通信裝備雙頻連續波輻射效應試驗平臺,通過通信電臺的帶內雙頻連續波輻射效應試驗,研究受試電臺在帶內雙頻不同權重組合作用下的電磁輻射敏感度變化規律,驗證通信電臺帶內雙頻連續波輻射效應預測模型。

1　效應機理分析與模型建立

1.1電磁環境分析

復雜電磁環境指在一定空域、時域、頻域和功率域上,多種電磁信號同時存在,對武器裝備運用和作戰行動產生一定影響的電磁環境[12]。復雜電磁環境的各種電磁輻射源紛繁多樣,電磁信號類型有很多種分類方法,按信號樣式進行劃分,主要有噪聲信號、連續波信號、脈沖信號。對于用頻裝備來說電磁環境效應都有帶內耦合、帶外耦合兩種,其作用機理也不盡相同。噪聲信號和連續波信號主要是通過帶內天線耦合,對用頻裝備造成阻塞干擾;脈沖信號則主要通過帶外孔縫腔體耦合,通過地電位波動對用頻裝備造成死機、重啟等影響。通信電臺的敏感度研究應重點關注阻塞干擾等影響其通信質量的效應與作用規律[13],所以帶外強場造成的電臺死機、重啟、顯示器異常甚至硬損傷等效應暫時不予考慮。根據傅里葉級數的原理,任何滿足狄里赫利條件的信號都可以分解為直流和許多三角函數的分量,所以正弦波是組成復雜電磁環境的基本信號?；诖吮疚膹碾p頻正弦連續波輻射產生的電磁環境入手,對典型通信裝備在帶內雙頻正弦連續波輻射下的效應進行預測。

1.2效應機理分析

從不同的角度出發電磁干擾的分類方法不同,按照電子系統接收機對電磁干擾的響應可以將電磁干擾分為線性干擾和非線性干擾[14](見圖1)。線性干擾通常包括同頻干擾和鄰頻干擾,此時接收機相當于帶通濾波器。而常見的非線性干擾有交調干擾、互調干擾、亂真響應等,都是由于電子系統的非線性產生的。阻塞干擾的定義有很多種,廣義上來說,由于干擾信號的作用,超出了電子系統中電子器件的動態范圍,或者改變電子器件的偏置,從而使接收機的靈敏度下降,有用信號的增益顯著降低的現象都可以稱為阻塞干擾[15]。所以上述幾種干擾也可以劃分為阻塞干擾的范疇中。對于用頻裝備的帶內干擾都屬于大信號阻塞干擾,不會產生交調、互調等現象。

圖1　電磁干擾分類Fig.1　Electromagnetic interference category

電磁波經過天線耦合進入接收機的射頻前端都會先經過限幅器或者帶通濾波器,對輸入信號進行選擇抑制,考慮接收機受到一個正弦連續波干擾信號的干擾,即輸入信號為

(1)

式中,ud為干擾信號;us為有用信號。

輸入信號經過限幅器或者帶通濾波器后為

AdUdcosωdt+AsUscosωst

(2)

式中,Ad和As分別為限幅器或者濾波器對角頻率為ωd和ωs信號的幅頻系數,接收機在真實的電磁環境中絕大多數情況都工作在線性區域,所以這里認為Ad和As都是常數。

然后輸入信號進入低噪聲放大器和混頻器等非線性器件中,由電路的基本知識可知,一般非線性電路的輸入輸出信號之間的關系都可以用冪級數表示為

(3)

式中,u0為輸出信號;ui為輸入信號;Bn(n=0,1,2,…)是與系統轉移特性有關的常數。

將式(2)代入式(3)中得到

uo(t)=B0+B1(AdUdcosωdt+AsUscosωst)+

B2(AdUdcosωdt+AsUscosωst)2+

(4)

分解后得到直流分量為

基波分量為

和

由于帶內干擾產生的諧波分量、交調分量和互調分量基本不會對接收機造成影響,在這里就不再贅述。

如果干擾信號幅度足夠強,通過接收機的通帶后影響仍然不可忽視,接收機輸出的有用信號就會減小甚至消失,這種現象就是大信號阻塞干擾。由此可知有用信號的增益為

(5)

1.3預測模型

用頻設備單源抗擾度試驗得到的敏感度是確定的,但是在戰場復雜電磁環境下,頻率錯綜復雜,用頻裝備往往在單源輻射效應評估的安全范圍內就達到了敏感度閾值。電磁輻射頻率、場強能夠任意組合,通過試驗方法確定設備在復雜電磁環境下的敏感度沒有可操作性,因此本文從用頻裝備的效應機理出發,建立用頻裝備帶內雙頻連續波輻射效應預測模型。

根據式(5)可知單頻干擾下有用信號增益為

(6)

(7)

(8)

式中,u1、u2為不同頻率的兩個干擾信號。當接收機受到雙頻連續波干擾時,經過限幅器或者帶通濾波器選頻抑制后得到

A1U1cos ω1t+A2U2cos ω2t+AsUscos ωst

(9)

將式(9)代入到式(3)中得到

uo(t)=B0+B1(A1U1cos ω1t+

A2U2cos ω2t+AsUscos ωst)+

B2(A1U1cos ω1t+A2U2cos ω2t+AsUscos ωst)2+

B3(A1U1cos ω1t+A2U2cos ω2t+AsUscos ωst)3+…

(10)

分解后得到直流分量為

基波分量分別為

由第三個基波分量可知有用信號增益為

(11)

系統在不同頻率、不同強度的干擾信號作用下達到電磁敏感度閾值,說明此時干擾信號對系統的影響程度相同,則有用信號增益大小相同。聯立式(6)、式(7)和式(11),當有用信號大小相同時,得到

則

(12)

可以看出帶內雙頻場強組合作用下電磁輻射敏感度變化規律是一個與單頻干擾場強閾值有關橢圓函數,由于場強值都為非負數,所以模型為橢圓函數在第一象限的部分。

由帕斯瓦爾恒等式可知正弦連續波信號平均功率為U2/2R,則式(12)可記作

(13)

2　通信電臺輻射效應試驗

為了驗證上述所建模型的正確性,本文某型超短波電臺為試驗對象,分別對受試電臺進行了單頻連續波電磁輻射效應試驗和雙頻連續波電磁輻射效應試驗。

2.1輻射效應判定

從電磁干擾預測的角度來看,包括通信設備的大多數電子系統都以表征能量的干擾余量作為電磁敏感度判據[16]。對于模擬通信系統來說,干擾余量作為判據不能正確給出系統的工作狀態,也不能描述系統的受擾程度,所以評價模擬通信質量最直觀是語音的清晰度;對于數字通信系統來說,表征能量的干擾余量反應的是在接收機射頻前端的干擾大小,而忽視了數字通信糾錯編碼的功能,所以評價數字通信質量應該采用誤碼率作為敏感度判據。因此本

文選擇分別語音質量和誤碼率作為評價模擬通信和數字通信的效應參數。結合前期預試驗和國軍標《語音通信干擾效果評定準則》[17]、《數字通信干擾效果評定準則》[18],選擇工作破壞級(通信接收設備的工作狀態在干擾信號作用下遭到破壞,失去了接收功能,無法通信)作為語音通信的敏感度判據,誤碼率等于10%作為數字通信的敏感度判據。

2.2單頻連續波電磁輻射效應試驗

電臺單頻連續波電磁輻射效應試驗在開闊場進行,具體的試驗配置如圖2所示。信號源產生干擾信號經過功率放大后通過對數周期天線產生輻射場。為了模擬2臺電臺之間的遠距離通信,將發射電臺與輻射天線之間連接40dB左右的衰減器。在接收電臺一側,在接收天線和接收電臺之間連接定向耦合裝置,通過耦合裝置的檢測端口連接點對點光纖信號傳輸系統,并通過光纖傳輸在遠端監測接收電臺主機輸入端口處的前向電壓(功率)。試驗過程中各天線的姿態與電臺之間的相對位置保持不變。收發電臺工作頻率為40 MHz、60 MHz、80 MHz分別進行試驗。試驗結果如圖3所示,圖中fs為電臺的工作頻率,fi為干擾信號頻率,此時的輻射敏感度用接收電臺的輸入功率來表示,“*”表示語音通信時語音信號完全被阻斷干擾信號的功率敏感度大小,“o”表示數字通信時誤碼率達到10%干擾信號的功率敏感度大小。

圖2　通信電臺單頻連續波電磁輻射效應試驗配置圖Fig.2　Single frequency electromagnetic radiation effect test configuration for radio

圖3　通信電臺單頻連續波電磁輻射效應敏感度曲線Fig.3　Single frequency electromagnetic radiation effect susceptibility curve for radio

由圖3可以看出受試電臺在不同的工作頻率時電磁干擾的敏感帶寬都為±30 kHz左右,這是由于射頻前端濾波器幅頻特性決定的,干擾頻率偏離電臺工作頻率超過30 kHz后,臨界干擾功率提高不小于40 dB,受試電臺帶外抗干擾能力很強。

2.3雙頻連續波電磁輻射效應試驗

電臺雙頻連續波電磁輻射效應試驗與單頻連續波試驗基本相同,不同的是雙頻干擾信號由兩個信號發生器產生,然后通過功率合成器進行功率合成,經過功率放大后由對數周期天線輻射出去,其他試驗條件與單頻試驗保持一致,具體的試驗配置如圖4所示。

當收發電臺工作頻率為40 MHz、60 MHz、80 MHz時,在不同的干擾頻率組合,不同的臨界干擾功率組合下對受試電臺的數字通信、語音通信進行了多組試驗。隨機選出其中4組試驗結果如圖5所示。

圖4　通信電臺雙頻頻連續波電磁輻射效應試驗配置圖Fig.4　Dual-frequency electromagnetic radiation effect test configuration for radio

由圖5可以看出受試電臺在雙頻連續波干擾下功率敏感度的組合基本呈負相關的關系,一個干擾功率增大,另一個干擾功率減小。

圖5　通信電臺雙頻連續波電磁輻射效應敏感度曲線Fig.5　Dual-frequency electromagnetic radiation effect susceptibility curve for radio

2.4模型驗證

根據式(13)所建預測模型對上述四組試驗數據進行驗證,結果如表1～表4所示。

由驗證結果可以看出,不同頻率組合、不同功率強度組合下雙頻連續波電磁輻射效應預測模型系數都在1左右,預測誤差在±1 dB以內,優于軍用標準±3 dB的允差要求,證明了本文所建模型的正確性和有效性。這就意味著當通信電臺處于某一已知頻率和強度的雙頻電磁場中,只要知道通信電臺在該頻率下單頻輻射效應敏感度閾值,就能對受試設備的輻射效應進行預測,這對指導工程實踐具有重要意義。

表1　電臺工作頻率為40 MHz時進行數字通信驗證試驗

表2　電臺工作頻率為60 MHz時進行數字通信驗證試驗

表3　電臺工作頻率為40 MHz時進行語音通信驗證試驗

表4　電臺工作頻率為80 MHz時進行語音通信驗證試驗

3　結　論

(1)本文從用頻裝備出現大信號阻塞干擾角度出發,通過帶內正弦連續波輻射對用頻裝備的干擾機理和耦合機理分析建立了雙頻連續波輻射效應預測模型,并以某型超短波通信電臺為試驗對象,不同頻率組合、不同功率強度組合下雙頻連續波電磁輻射效應預測模型系數都在1左右,預測誤差都在±1 dB以內,驗證了預測模型的有效性。

(2)對于雙頻甚至多頻的電磁輻射敏感度研究,國內外學者都意識到了傳統輻射敏感度試驗的不足,但只是指出了具體問題,沒有具體的解決方法。本文創新性的從理論出發,建立了帶內雙頻連續波輻射效應預測模型,對復雜電磁環境下武器裝備的戰場生存能力研究做出了探索,具有重大的軍事需求和使用價值。

(3)本文提出的帶內雙頻連續波輻射效應預測模型,在理論推導上拓展到3個頻率或者多頻的預測模型形式與雙頻基本類似,但由于試驗條件的限制沒有進行進一步的驗證,在接下來的研究中需要進行深入探討。

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Electromagnetic radiation effects forecasting method about in-band dual-frequency continuous wave for typical communication equipment

LI Wei1,WEI Guang-hui1,PAN Xiao-dong1,LU Xin-fu1,WAN Hao-jiang1,LI Hui2

(1.National Key Laboratory of Electromagnetic Environment Effects,College of Ordnance Engineering, Shijiazhuang 050003,China; 2.Unit 63783 of the PLA,Kashi 844000,China)

Aiming at the deficiency of the frequency equipment radiation susceptibility test in the complex electromagnetic environment,the prediction method of the in-band dual-frequency continuous wave electromagnetic radiation effect is studied.The in-band dual-frequency electromagnetic radiation effect prediction model is established based on interference mechanism and coupling mechanism of the frequency equipment,and the electromagnetic radiation effect test scheme is designed with a VHF radio as the test object.The communication equipment electromagnetic radiation effect test is carried out with single frequency and double frequency,the electromagnetic radiation susceptibility regular pattern under the combined action of the in-band dual frequency different weights is discussed.Experimental results show that the prediction model coefficients of the dual frequency continuous wave electromagnetic radiation effect are about 1 in different frequency combinations and different power intensities,and the prediction error is within ±1dB.The validity of the model to forecast the in-band dual-frequency continuous wave electromagnetic radiation effect is verified finally.

dual-frequency; electromagnetic radiation; electromagnetic effect; susceptibility; forecasting

2016-04-19；

2016-09-19；網絡優先出版日期：2016-10-08。

國家自然科學基金(61372040)資助課題

TM 937

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.04

李偉(1988-),女,博士研究生,主要研究方向為電磁環境效應試驗、評估和預測技術,電磁兼容。

E-mail:liwei_oec@163.com

魏光輝(1964-),男,教授,主要研究方向為電磁防護、電磁環境效應試驗評估技術、電磁兼容。

E-mail:wei-guanghui@sohu.com

潘曉東(1980-),男,講師,博士,主要研究方向為電磁環境效應試驗、評估和預測技術,電磁兼容。

E-mail:panxiaodong1980@sina.com

盧新福(1988-),男,博士研究生,主要研究方向為電磁環境效應試驗、評估和預測技術,電磁兼容。

E-mail:luxinfu123@126.com

萬浩江(1983-),男,講師,博士,主要研究方向為雷電防護、電磁環境效應試驗、評估和預測技術,電磁兼容。

E-mail:hbwhj1983@163.com

李卉(1988-),女,工程師,主要研究方向為衛星測控、電磁兼容試驗。

E-mail:jilinmeihemaini@126.com

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20161008.1500.008.html