系統間電磁兼容預測分析與方法研究

張廣軍 柳銳鋒 徐常偉 郭 浩

(1.洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)(2.華中科技大學 武漢 430074)

系統間電磁兼容預測分析與方法研究

張廣軍1,2柳銳鋒1徐常偉1郭 浩1

(1.洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)(2.華中科技大學 武漢 430074)

復雜電磁環境下電子信息裝備呈現出用頻設備多、覆蓋頻帶寬、頻率交錯重疊嚴重的特點,極易出現系統之間的電磁互擾,進行系統間電磁兼容預測成為保證系統間不出現頻譜沖突的重要手段。介紹了無線電設備系統間電磁兼容預測分析的基本原理,以電磁干擾預測方程為基礎,深入分析了無線電設備發射機的電磁發射技術指標、接收機的電磁響應技術指標以及天線的技術指標在系統間電磁兼容預測分析中的應用方法。

電磁兼容預測; 電磁發射; 電磁響應

Class Number O44

1 引言

現代戰爭是復雜電磁環境下的體系與體系之間的對抗,在戰場上電子信息裝備種類繁多、型號各異、信息化程度高,呈現出用頻設備多、覆蓋頻帶寬、頻率交錯重疊嚴重的特點,極易出現系統之間的電磁互擾,甚至導致通信中斷、雷達致盲、導彈失控,嚴重影響體系作戰的整體效能。此類問題主要是已方電子信息裝備無線電設備之間頻譜不兼容造成的,該電磁環境稱為系統間電磁兼容環境,是戰場復雜電磁環境的重要組成部分。解決系統間的電磁兼容性問題,一方面需在裝備研制時對無線電設備的電磁兼容指標進行科學設計和嚴格控制,另一方面需根據電子信息裝備的實際布局和技術狀態進行系統間的電磁兼容性預測。

本文以無線電設備系統間電磁干擾預測方程為基礎,討論系統間電磁兼容預測分析的技術要素和應用方法。

2 系統間電磁兼容預測原理分析

無線電系統是利用電磁波進行工作的系統,包括廣播、電視、通信、雷達、導航等。其基本工作方式是通過向空間發射有用的電磁波信號并通過空間傳播后再接收這些電磁波信號來工作的。這些電磁波信號對于無線電系統本身是必須的、有用的。但是,它們對不需要這些信號的電子系統或者設備形成干擾。電磁干擾的形成必須同時具備以下三個因素[1]:電磁干擾源,指產生電磁干擾的元件、器件、設備、分系統、系統或者自然現象；敏感設備,指對電磁干擾發生響應的設備；耦合通道,指把能量從干擾源耦合(或者傳播)到敏感設備上,并使該設備產生響應的通路或者媒介。通常將這三個因素稱為電磁干擾三要素,如圖 1 所示。

圖1 電磁干擾三要素

在系統間電磁兼容性預測分析中,干擾源是發射機,敏感設備是接收機,耦合通道是電磁波從發射機發射后到達接收機的通道。發射機、接收機和耦合通道是系統間電磁兼容性分析的三要素,建立此三個要素的物理、數學模型是系統間電磁兼容性預測分析的基礎[2]。在系統間電磁兼容預測分析中,接收機輸入端的干擾功率與接收機輸入端敏感度門限之差稱為電磁干擾裕量IM[3]:

IM(f,t,d,p)=PT(fT,t)+GT(fT,t,d,p)

-PS(fR,t)+CF(BT,BR,Δf)

(1)式中,fT為發射機電磁發射頻率,既可能是基波發射頻率,也可能是諧波發射或雜散發射頻率(MHz)；fR為接收機電磁響應頻率,既可能是基波響應頻率,也可能是亂真響應頻率或等效互調響應頻率(MHz)；d為收發天線間距離(km)；p為收發天線間的相對方向；PT為發射機在頻率fT時的發射功率,該處的電磁發射既可能是基波發射,也可能是諧波發射或雜散發射(dBm)；GT為發射天線在頻率fT時,在接收天線方向的增益(dB)；L為收發天線間在頻率fT時的傳播損耗(dB)；GR為接收天線在頻率fT時,在發射天線方向的增益(dB)；PS為接收機在響應頻率為fR時的敏感門限(dBm)；CF為考慮發射機帶寬BT與接收機帶寬BR以及頻率間隔Δf=|fT-fR|時的修正系數(dB)；

若經計算IM≤0,則認為發射機的電磁發射對接收機不構成干擾,否則,需進一步計算電磁干擾對接收機的影響程度,目前,通常用信干噪比作為評估標準。處于同一區域的無線電接收系統和發射系統,發射機和接收機之間的傳輸函數包含多種途徑,在進行電磁兼容預測分析中,采用逐對考慮的方式,即每次選一個接收機和一個發射機及一種耦合方式,構成“發射-響應對”。

3 系統間電磁兼容預測方法分析

由電磁干擾預測方程可知,進行系統間電磁兼容預測需考慮發射機、接收機、天線、傳播途徑等各個環節。

3.1 發射機模型

發射機的主要功能是產生電磁能量,這種電磁能量在一個確定的頻帶內包含著直接的或間接的信息。除了所需的能量之外,發射機還在一些寄生頻率上產生許多不需要的輻射。從頻率上來分,發射機產生如下三類發射:基波發射、諧波發射、非諧波發射。一般而言,基波發射的是信號組成部分的有用的電磁波。除基波外,其余兩類發射都是無用的。有用和無用的輻射都會在接收機中產生電磁干擾。因此,從電磁兼容的觀點來看,所有的發射機都必須作為潛在的干擾源來加以對待。

3.1.1 發射機幅度模型

1) 基波發射幅度

在發射機的各項發射中,由于基波有較高的功率電平,是潛在最嚴重的干擾源。基波發射有關的特性通常由設備規格書給出,因而此數據容易得到。但是,給定發射機型號的各個設備其基波功率輸出變化很大,存在由于設備不同而導致能量輸出不同的較嚴重情況。因此,發射機的基波發射幅度只能用統計方法來描述[4]。假定以 dBm表示的基波功率變化是正態分布的隨機變量,則此分布由平均值和標準偏差確定。如果沒有現成的具體數據,其平均值等于發射機的額定功率,標準偏差等于2dB。

2) 諧波發射幅度

諧波發射原則上為任何無線電發射設備所固有,諧波的幅度通常在所有發射機輸出當中是除了基波以外最大的。據統計,同一型號不同編號的發射機所發射諧波幅度隨機差值可以高達幾十dB,所以限定發射機頻譜的確定形狀是不現實的。為了很好地表示發射機諧波輸出必須確定平均發射電平。通常假設:發射機諧波發射的平均電平隨諧波數的增加而減少；每個諧波發射功率是正態分布的隨機變量,標準偏差與諧波次數無關。因此,諧波輻射的平均功率為[5]

(2)

3) 非諧波發射幅度

發射機產生的非諧波信號的功率電平通常低于諧波發射功率電平。然而,在低于基頻的情況下,非諧波發射仍有必要考慮,因為基頻諧波在這一頻段內并不存在。低于基頻情況的非諧波發射的一般模式,可用類似于式(2)的公式來表示。惟一的區別是把NfoT用一個連續變量f來代替,并設常數A′和B′,即[6]:

(3)

3.1.2 發射機的頻率特性

電磁干擾信號有各種不同的波形,是決定電磁干擾頻譜的主要因素。通過對干擾信號波形的傅立葉分析,得出干擾源的頻譜特性,但是,要得到非周期性波形的連續頻譜或周期性波形的離散頻譜線,所涉及的解往往較為復雜。因此,通常利用近似技術,確定關于非周期性波形的連續頻譜函數的上界近似包絡或關于周期性波形的離散頻譜線的上界近似包絡,按照電磁干擾能量的頻率分布,確定出干擾源的基波、諧波和非諧波發射頻譜特性。當發射機存在調制發射信號時,基波的能量分布主要由基帶調制特性來決定。附加輻射的能量分布形式大致也與基波的頻譜特性相類似或占有較寬的頻帶。能量分布的精確描述是很困難的。因而,對每一種發射機來說可利用通用化的頻帶模式,載頻附近的能量分布主要由發射機的基帶調制特性來決定。

1) 基波發射頻率特性

基波發射頻率特性的調制包絡函數采用折線擬合法,由分段線性函數來近似,可表示為

(4)

式中,Δf=|f-foT| 為實際頻率f與發射機基波頻率foT之間的差值；Δfi=fi-foT為第i區的頻帶；M(Δfi) 為頻帶Δfi邊緣上的帶外輻射功率相對于0dB的下降值；Mi為第i頻帶范圍內頻譜包絡函數的斜率。

與調制包絡有關的重要參數之一是發射機的標稱帶寬即3dB帶寬。發射機功率的大部分在此區內,此區外的功率隨頻率間隔增大迅速減小。發射機標稱帶寬通常可由發射機規格書確定。

2) 諧波發射頻率特性

通常,發射機的所有輸出當中,基波的諧波NfoT是除了基波之外電平最高的。假設與基波諧波相關的調制包絡與描述基波輸出的基帶調制包絡有同樣的形狀,所占的帶寬對所有諧波都一樣,等于基波帶寬,即BT(NfoT)=BT(foT)。因此,諧波輻射的頻譜包絡仍按式(4)計算,其中Δf=|f-NfoT|。

3) 非諧波發射頻率特性

某些發射機在一些與基波頻率為非諧波關系的頻率上,有很強的輻射。這種非諧波的寄生輻射,不能在頻率方面有準確的預測,只可能了解在距基頻foT有一特定頻率間隔Δf的頻率區間B中有輻射輸出的概率,這種可能的概率可用下式表示為

(5)

式中,H為取決于發射機種類的一個常數；B為所考慮的頻帶寬度。

H的幾個不同值描述整個頻段上的統計特性。除非所考慮的接收機具有相當大的帶寬,否則產生干擾的非諧波輸出的概率是小的。因此,在系統間電磁兼容性預測分析中,在采用多級預測原理時,在帶寬修正與頻率間隔修正階段中忽略非諧波發射。

3.2 接收機模型

電磁干擾預測方程中PS(fR,t)為接收機在響應頻率為fR時的敏感度。與電磁兼容相關的接收機敏感度指標包括靈敏度、亂真響應敏感度、互調響應敏感度、中頻響應和鏡頻響應敏感度等。

3.2.1 接收機靈敏度

靈敏度是接收機在規定的信噪比或信納比條件下的最小可接收調諧信號電平,當發射機的基波發射和雜散發射落入接收機帶寬范圍內時,以該參數作為接收機的敏感度限值,此時敏感響應頻率fR為接收機的調諧頻率。

3.2.2 亂真響應敏感度

亂真響應是接收機由于其電路或結構上的原因,對接收帶寬以外的信號產生的響應。在設備技術手冊中,通常只給出亂真響應抑制度的技術指標,亂真響應敏感度是接收機靈敏度和亂真響應抑制度之和。但技術手冊中沒有給出亂真響應的頻率值,此時利用式(6)進行頻率值的估計:

(6)

式中,m為接收機本振頻率的諧波次數,根據經驗,m≤2；n為混頻器輸入信號諧波次數,根據經驗,n≤2；fOSC為一級本振頻率(MHz)；fIF為接收機一級中頻頻率(MHz)。

要實現精確的預測,需通過測試獲取精確的亂真響應頻率及相應頻率上的敏感度,如果對應每個調諧工作頻率點的亂真響應存在較大的起伏,則需建立以調諧工作頻率為自變量的函數模型。

3.2.3 互調響應敏感度

當兩個非調諧信號由于接收機的非線性作用而組合出新的干擾信號時,若該干擾信號的頻率落入中頻帶寬內時,便構成接收機的互調干擾響應。經驗表明,2階和3階互調干擾最為嚴重,互調干擾頻率具有以下組合關系:

2階互調fR=f1±f2

3階互調fR=2f1±f2或fR=2f2±f1

2階和3階等效干擾電平由式(7)和式(8)確定[7]:

(7)

(8)

式中,IM2和IM3分別稱為2階互調系數和3階互調系數,可通過實測建立相應的模型。

設備技術手冊中給出的是3階互調抑制度指標,3階互調抑制度與3階互調系數之間存在式(9)所示的換算關系[8]:

IM3=-2DIM3-2PR

(9)

式中,DIM3為3階互調抑制度(dB)；PR為接收機靈敏度(dBm)。

三階互調干擾最為嚴重,且在接收機調諧頻率f0附近發生,若沒有精細的模型,需在|fj-f0|≤0.2f0范圍內考慮三階互調干擾,其中fj為干擾信號頻率。

3.2.4 中頻響應和鏡頻響應敏感度

中頻響應和鏡頻響應是接收機帶外電磁干擾響應中最嚴重的情況,可通過實測獲取準確的數據或建立模型[9]。中頻響應和鏡頻響應敏感度分別是接收機靈敏度與中頻響應抑制度和鏡頻響應抑制度之和。

3.3 天線模型

電磁干擾預測方程中GT為發射天線在接收天線方向的增益,GR為接收天線在發射天線方向的增益。天線的增益、波束寬度、副瓣電平等指標是對天線有效工作頻段范圍內天線增益方向圖的簡要描述,但是對于發射天線來說,發射頻率不只是基波發射,還存在諧波、雜散和互調等無意發射,這些無意發射大部分處在發射天線有效工作頻帶之外。接收天線也存在類似情況,接收機的亂真響應頻率、互調響應頻率等也可能處于接收天線有效工作頻段之外。此時,對于天線有效工作頻段之外的頻率,利用相關技術手冊中給出的技術指標作為電磁干擾預測方程的輸入將會存在一定的誤差,因此,要獲得較高精度的預測結果,需在很寬的頻率范圍內測量天線的增益方向圖,并建立相應的模型。

3.4 頻率修正系數

電磁干擾預測方程中CF為頻率修正系數。該系數由電磁干擾信號調制包絡和接收機選擇性曲線,以及電磁干擾中心頻率fT與接收機敏感頻率fR之間的頻率間隔Δf=|fT-fR|來決定。以下是簡易的計算流程:

1) 首先判斷干擾信號是否調諧到接收機工作頻率,根據以下準則進行判斷:

2) 對于調諧信號,CF近似為

(10)

對于非調諧信號,FDR近似為

(11)

根據以上計算過程可見,電磁干擾預測方程需電磁發射信號的頻譜包絡和接收機的中頻選擇性作為輸入,電磁發射信號的頻譜包絡由發射機電磁發射信號的調制方式決定,可通過實測數據建立相應的模型,相關文獻資料[10～11]提供了某些種類調制信號的頻譜包絡模型。接收機的中頻選擇性優先選擇實測數據,無實測數據時可使用技術手冊中給出的中頻選擇性指標。

4 結語

系統間電磁兼容預測所需的技術參數包括:發射機的基波發射功率、諧波發射抑制、雜散發射抑制、互調發射抑制、信號帶寬和信號的頻譜包絡；接收機的靈敏度、亂真響應敏感度、互調響應敏感度、中頻抑制度、鏡頻抑制度、接收機帶寬、雙信號選擇性；天線的增益、極化和方向圖等。由電磁干擾預測方程得到的結論只能夠得到相對于敏感度的干擾裕度,用于判定在發射機的電磁干擾下是否能夠在接收機中產生響應,若要進一步確定干擾程度,還需采用接收機的噪聲系數指標,并計算有用信號電平。在目前裝備信息化程度越來越高,頻譜沖突越來越嚴重的形勢下,為保證頻譜的充分利用,進行系統間電磁兼容預測是非常有價值的。

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Prediction Analysis and Methods on System-level EMC

ZHANG Guangjun1,2LIU Ruifeng1XU Changwei1GUO Hao1

(1. Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003) (2. Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074)

Electronic information equipment under complicated electromagnetic environment present a cover band width and frequency with frequency equipment, the characteristics of crisscross overlap seriously, system between electromagnetic interference appear easily, so system-level EMC prediction become an important means to assure the system not appear spectrum conflict. The basic principle of electromagnetic compatibility prediction analysis of radio equipment system is introduced. On the basis of electromagnetic interference prediction equation, in-depth analysis of the electromagnetic launch technology index of the radio transmitter, a receiver of electromagnetic response between the technical index of the technical indicators and the antenna in the system the application of the electromagnetic compatibility prediction analysis method.

electromagnetic compatibility prediction, electromagnetic emission, electromagnetic response

2016年7月12日,

2016年8月18日

張廣軍,男,工程師,研究方向:雷達與電磁兼容。柳銳鋒,男,碩士,工程師,研究方向:雷達與電磁兼容。徐常偉,男,博士,工程師,研究方向:雷達與電磁兼容。郭浩,男,碩士,工程師,研究方向:雷達與電磁兼容。

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.036