阻塞干擾雙頻鈍感效應規律與作用機理

趙 凱 魏光輝

(陸軍工程大學石家莊校區電磁環境效應國家重點實驗室 石家莊 050003)

1 引言

隨著信息技術的飛速發展和電子設備的廣泛應用，各種電磁信號在空域、時域、頻域密集重疊，電磁環境更加惡劣，裝備工作的可靠性以及生存能力受到嚴重威脅。當干擾信號進入接收機時，會使有用信號增益降低，導致裝備性能降級甚至受損。準確預測裝備在復雜電磁環境中的生存能力是提高其電磁防護性能的基礎工作。

現行的抗擾度測試標準幾乎都以單源、單頻為背景，這與實際電磁環境有所出入[1-3]。有研究指出，通過單輻射源抗擾度試驗后，裝備可能會在強度較低的多輻射源環境中受到干擾，包括不同射頻干擾和互調干擾的貢獻[4-6]。在非互調干擾效應方面，根據阻塞干擾的機理，可將用頻裝備分為場強有效值敏感型和場強幅值敏感型兩類，其中場強幅值敏感型對雙頻干擾更為敏感，針對這兩種類型分別建立了干擾預測模型并進行試驗驗證[7-11]。然而，通過試驗中發現，場強有效值敏感型裝備在某些情形下對雙頻干擾表現出鈍感，導致預測模型誤差增大。

本文首先通過電路非線性失真分析，從理論上探索了場強有效值敏感型裝備雙頻鈍感效應規律與作用機理，而后以某型Ku波段頻率步進雷達為受試裝備進行試驗驗證，對提高用頻裝備電磁防護能力提供了技術支撐。

2 理論分析

接下來探究雙頻干擾中單個分量強度變化對干擾效果的影響。假定系統受到雙頻干擾，其中干擾分量1強度保持恒定，則干擾分量2對有用信號增益的影響可通過下式分析

上述對雙頻鈍感效應的規律進行了理論分析，結合冪級數展開式中非線性系數的特性可知，a1,a5>0對有用信號起到了放大作用，而a3<0起到了阻塞作用。由此可認為，當系統開始出現非線性失真時，僅需保留冪級數展開式的a1與a3項，系統對干擾信號的場強有效值敏感，此時不存在鈍感現象；隨著非線性失真程度增加，a5項的作用不可忽視，致使雙頻鈍感現象出現。下面通過開展雷達雙頻電磁輻射效應試驗，對以上理論分析內容進行驗證與完善。

3 試驗驗證

3.1 試驗準備

受試裝備為某型0中頻體制Ku波段頻率步進連續波雷達，工作頻率為f0±100 MHz(f0為中心頻率)，具備靜目標測距功能，并可顯示不同目標回波的電平[13]。具體試驗布置如圖1所示。使用兩臺信號發生器產生正弦連續波干擾信號，輻射天線同時充當雷達的探測目標。頻譜儀通過定向耦合器監測干擾功率，并結合位置替換法與線性外推/內插法獲取試驗點處實際干擾場強[14]。

圖1 試驗配置圖

試驗中用目標回波峰值電平的壓縮量反映有用信號增益的變化。一般來說，當增益壓縮1 dB時，可認為系統出現了不可忽視的非線性失真[15]。為比較阻塞程度強弱對雙頻電磁輻射效應規律的影響，將峰值電平壓縮1.5 dB, 6 dB和12 dB分別作為阻塞干擾敏感判據進行試驗研究。

3.2 雙頻臨界干擾特性測試

基于不同的敏感判據與雙頻干擾頻偏，測定受試雷達的單頻、雙頻臨界干擾場強。對于雙頻干擾頻率的選擇，首先要涉及受試雷達工作頻帶內與帶外頻率，以增加驗證的可信性；其次，要防止雙頻干擾信號的3階互調頻率落入工作頻帶內造成額外干擾[16]；另外，若2階互調差頻頻率(即兩者頻差)小于接收機末級混頻器后低通濾波器帶寬，則在某些情形下同樣會造成阻塞干擾[17]，故雙頻干擾信號的頻差要顯著高于低通濾波器帶寬。結合受試雷達零中頻體制的特性，可選擇干擾頻偏為0 Hz,90 MHz與-150 MHz, 150 MHz的雙頻干擾信號進行試驗。

為便于表示，將雙頻臨界干擾場強組合(E1,E2)相對其單頻臨界干擾場強E10,E20進行歸一化處理，并按場強有效值敏感雙頻電磁輻射效應模型式(6)計算得到雙頻電磁輻射阻塞效應指數R，結果如表1-表3所示。

表1 以峰值電平壓縮1.5 dB為敏感判據試驗結果

表2 以峰值電平壓縮6 dB為敏感判據試驗結果

表3 以峰值電平壓縮12 dB為敏感判據試驗結果

表1是以峰值電平壓縮1.5 dB為敏感判據的試驗結果，雙頻臨界干擾歸一化場強組合均小于1，說明雙頻干擾信號對受試雷達造成有效干擾時，各干擾分量所需能量小于其單獨作用；雙頻電磁輻射阻塞效應指數約為1，說明其符合有效值敏感雙頻電磁輻射效應模型，此時系統可由冪級數展開式1,3階項來描述。表2、表3分別是以峰值電平壓縮6 dB, 12 dB為敏感判據的試驗結果，出現臨界干擾時部分干擾分量歸一化場強大于1，說明雙頻阻塞效應出現了明顯的減弱現象，雙頻干擾信號反而削弱了干擾效果；雙頻阻塞效應指數均有所上升，高至1.51，采用有效值敏感雙頻電磁輻射效應模型評估其干擾效果誤差明顯增大。綜合以上試驗結果可以看出，當峰值電平壓縮6 dB, 12 dB時，相較于壓縮1.5 dB，系統非線性失真程度增大，冪級數展開式5階項的作用不可忽略，導致出現雙頻鈍感效應；若此時雙頻干擾信號場強滿足效應指數R=1，則受試雷達實際上并未達到臨界干擾狀態。上述試驗結果與第2節理論分析相符。

3.3 有效電平相同時單頻、雙頻干擾效果對比

表4 單頻臨界干擾場強與選擇系數比

對受試雷達同時施加雙頻干擾。選定不同的干擾頻偏組合，結合選擇系數比A1/A2調整兩個干擾分量場強E1, E2，使雙頻干擾信號有效電平與表4中單頻臨界干擾有效電平相等，測量峰值電平壓縮量。按照ΔU1,2=|A1E1?A2E2|計算雙頻干擾信號兩分量的有效電平差，由于測試的目的僅在于分析規律，故可令A2=1 m進行計算。結果如表5、表6所示。

由表5、表6可知，當單頻、雙頻干擾信號有效電平相等時，在雙頻干擾下峰值電平壓縮量低于單頻情形，雙頻干擾效果差于單頻；雙頻干擾信號兩個分量的有效電平越接近，峰值電平壓縮量越小，干擾效果越差，受試雷達對雙頻干擾越鈍感，與第2節理論分析相符。

表5 頻偏0 Hz, 90 MHz雙頻干擾試驗結果

表6 頻偏-150MHz, 150 MHz雙頻干擾試驗結果

3.4 分量強度變化對干擾效果的影響

對受試雷達施加雙頻干擾。選定敏感判據，調整干擾分量1的場強E1，使受試雷達在其單獨作用下處于臨界干擾狀態，在此基礎上調整干擾分量2場強E2，記錄峰值電平壓縮量的變化，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，當干擾分量1單獨作用使峰值電平壓縮12 dB時，隨著干擾分量2的增強，峰值電平壓縮量先下降后上升，即有用信號增益先上升而后下降。增益上升的現象與第2節規律分析相一致，其機理在于冪級數展開式的5階項放大了有用信號；當干擾分量2增強到一定程度后，干擾分量1的作用可忽略，此時有用信號增益的變化與單頻干擾類似[12]，隨干擾分量2的增強而下降。當干擾分量1單獨作用分別使得峰值電平壓縮1.5 dB, 6 dB時，隨著干擾分量2的增強，有用信號增益下降。其中，當峰值電平壓縮6 dB時，根據前文分析，系統輸入輸出冪級數展開式的5階項不可忽略，但是由于此時干擾分量1的強度相對較弱，3階項仍處于主導地位，鈍感現象不明顯，有用信號增益的上升過程不明顯，被試驗誤差掩蓋。

圖2 峰值電平壓縮量隨干擾信號2場強的變化

4 結論

本文通過理論分析與試驗驗證，對有效值敏感型裝備的雙頻鈍感效應規律與作用機理進行了探究，得到結論如下：

(1)場強有效值敏感型裝備的雙頻鈍感現象是由冪級數展開式中5階項引起的。當干擾信號較弱、系統非線性失真程度較低時，非線性系統的傳遞函數可由精確到3階項的冪級數展開式來描述，單頻、雙頻干擾信號臨界干擾有效電平相等，有用信號增益決定于干擾信號場強有效值，此時不存在雙頻鈍感現象；當干擾信號增強、系統非線性失真程度增加時，冪級數展開式的5階項不可忽略，出現雙頻鈍感現象。

(2)作為敏感判據的峰值電平壓縮量越大，雙頻信號干擾效率下降越嚴重，甚至會出現雙頻臨界干擾場強分量高于單頻臨界干擾場強的情況；當單頻、雙頻干擾信號有效電平相等時，雙頻干擾效果差于單頻，且兩個干擾分量有效電平越接近，干擾效果越差。若在單頻干擾基礎上額外施加單頻干擾，隨著該單頻干擾的增強，有用信號增益先增加后減弱。

(3)對于不同裝備而言，需要基于不同敏感現象來選擇具體的敏感判據，但敏感現象實質上是由有用信號增益壓縮引起的。因此，盡管本文中以峰值電平壓縮量作為敏感判據，但據此得到的相關結論完全可向其他情形推廣。