典型通信装备带内双频连续波电磁辐射效应预测方法

李　伟,魏光辉,潘晓东,卢新福,万浩江,李　卉

(1.军械工程学院电磁环境效应国家级重点实验室,河北 石家庄 050003;2.中国人民解放军63783部队,新疆 喀什 844000)



典型通信装备带内双频连续波电磁辐射效应预测方法

李伟1,魏光辉1,潘晓东1,卢新福1,万浩江1,李卉2

(1.军械工程学院电磁环境效应国家级重点实验室,河北 石家庄 050003;2.中国人民解放军63783部队,新疆 喀什 844000)

针对复杂电磁环境下用频装备辐射敏感度试验研究的不足,对用频装备带内双频电磁辐射效应预测方法进行了研究。通过对用频装备带内干扰机理和耦合机理的分析建立了带内双频电磁辐射效应预测模型,并以某型超短波通信电台为受试对象,设计了通信电台电磁辐射效应试验方案。通过通信电台带内单频和双频连续波电磁辐射效应试验,研究了受试电台在带内双频不同权重组合作用下电磁辐射敏感度变化规律。试验结果表明不同频率组合、不同功率强度组合下双频连续波电磁辐射效应预测模型系数都在1左右,预测误差都在±1 dB以内,验证了带内双频连续波电磁辐射效应预测模型的有效性。

双频; 电磁辐射; 电磁效应; 敏感度; 预测

0　引　言

随着科学技术的不断发展,用频装备不断增加,战场电磁环境日益复杂,突出表现为辐射场强高、多辐射源并存等。复杂电磁环境是装备建设和军事斗争必须面对的客观现实。在复杂电磁环境下,各种电磁环境效应已经对装备的安全性以及生存能力构成了很大的影响。因此,复杂电磁环境下的装备效能评估方法研究,对于预测复杂电磁环境下的战备综合保障能力、提高装备战备完好率和任务成功率具有重要价值。

需要注意,当前国内外电磁兼容标准[1-3]所规定的辐射敏感度试验均是在单辐射源条件下开展的,试验得到的干扰、损伤临界场强不能代表受试设备在实际战场电磁环境下的生存能力,而在实际战场电磁环境下,用频装备面临的电磁辐射源在空域上纵横交错、时域上持续不断、频域上密集重叠、效能上随机多变,也就是说在绝大多数情况下面临的是多源同时辐射的情况。在这种情况下,如果辐射源的辐射频率、极化方向搭配合适,很有可能使通信装备在单源辐射效应评估的安全范围之内受到干扰。为了评价用频装备在复杂电磁环境下的辐射效应,一般可以利用实验室的半实物电磁环境模拟系统对用频装备进行相应的电磁环境效应试验。但是,战场电磁环境错综复杂,环境模拟根本难以穷尽,对于用频装备在未来战场上可能面临到的任意多源辐射组合的情况,不可能全部通过实验室的环境模拟和效应试验方法一一进行测试和评价。因此,很有必要对用频装备的多源电磁辐射效应预测方法进行深入研究。

目前,国内外学者已经认识到传统辐射敏感度试验的不足,并开展了相应的研究。多个射频干扰已经用于军用飞机和数字电视接收器[4]的测试中。文献[5]分析了用于汽车功能安全的电磁兼容测试的不足之处,指出在电磁兼容测试中没有考虑同时出现的干扰。在实际的电磁环境中电磁干扰可能同时出现,包括两个或多个频率的射频干扰、一个辐射干扰加上一个传导干扰或静电脉冲等。同时出现的多个干扰会通过互调或检波过程产生新的频率成份,从而对受试设备产生干扰。文献[6]指出通过单频敏感度测试的设备对多个同时出现的干扰信号更加敏感,尽管此时各个干扰信号的幅值要低于单频敏感度阈值。文献[7]在混响室中用多源辐射敏感度试验测试了互调效应。文献[8]通过双源扫频的方法提出了针对互调效应的敏感度测试方法,但没有相关的试验验证。文献[9-10]研究了双源连续波条件下电磁辐射敏感度规律。其他研究则主要从宏观出发[11],将复杂电磁环境中影响设备电磁环境效应因素均考虑在内,运用神经网络、混沌、模糊数学等统计分析方法,最终评估受试设备在复杂电磁环境下的生存能力。

通信电台作为典型的战场用频装备,是保障各作战单元和武器装备之间信息畅通的重要工具和手段,在信息化战争中发挥着举足轻重的作用。基于此本文以典型通信电台出现阻塞干扰效应为例,理论研究带内双频连续波在固定组合模式下装备的最敏感状态,提出通信电台在带内双频连续波辐射作用下辐射敏感度的表征方式,建立通信电台带内双频连续波辐射效应预测模型;搭建通信装备双频连续波辐射效应试验平台,通过通信电台的带内双频连续波辐射效应试验,研究受试电台在带内双频不同权重组合作用下的电磁辐射敏感度变化规律,验证通信电台带内双频连续波辐射效应预测模型。

1　效应机理分析与模型建立

1.1电磁环境分析

复杂电磁环境指在一定空域、时域、频域和功率域上,多种电磁信号同时存在,对武器装备运用和作战行动产生一定影响的电磁环境[12]。复杂电磁环境的各种电磁辐射源纷繁多样,电磁信号类型有很多种分类方法,按信号样式进行划分,主要有噪声信号、连续波信号、脉冲信号。对于用频装备来说电磁环境效应都有带内耦合、带外耦合两种,其作用机理也不尽相同。噪声信号和连续波信号主要是通过带内天线耦合,对用频装备造成阻塞干扰;脉冲信号则主要通过带外孔缝腔体耦合,通过地电位波动对用频装备造成死机、重启等影响。通信电台的敏感度研究应重点关注阻塞干扰等影响其通信质量的效应与作用规律[13],所以带外强场造成的电台死机、重启、显示器异常甚至硬损伤等效应暂时不予考虑。根据傅里叶级数的原理,任何满足狄里赫利条件的信号都可以分解为直流和许多三角函数的分量,所以正弦波是组成复杂电磁环境的基本信号。基于此本文从双频正弦连续波辐射产生的电磁环境入手,对典型通信装备在带内双频正弦连续波辐射下的效应进行预测。

1.2效应机理分析

从不同的角度出发电磁干扰的分类方法不同,按照电子系统接收机对电磁干扰的响应可以将电磁干扰分为线性干扰和非线性干扰[14](见图1)。线性干扰通常包括同频干扰和邻频干扰,此时接收机相当于带通滤波器。而常见的非线性干扰有交调干扰、互调干扰、乱真响应等,都是由于电子系统的非线性产生的。阻塞干扰的定义有很多种,广义上来说,由于干扰信号的作用,超出了电子系统中电子器件的动态范围,或者改变电子器件的偏置,从而使接收机的灵敏度下降,有用信号的增益显著降低的现象都可以称为阻塞干扰[15]。所以上述几种干扰也可以划分为阻塞干扰的范畴中。对于用频装备的带内干扰都属于大信号阻塞干扰,不会产生交调、互调等现象。

图1　电磁干扰分类Fig.1　Electromagnetic interference category

电磁波经过天线耦合进入接收机的射频前端都会先经过限幅器或者带通滤波器,对输入信号进行选择抑制,考虑接收机受到一个正弦连续波干扰信号的干扰,即输入信号为

(1)

式中,ud为干扰信号;us为有用信号。

输入信号经过限幅器或者带通滤波器后为

AdUdcosωdt+AsUscosωst

(2)

式中,Ad和As分别为限幅器或者滤波器对角频率为ωd和ωs信号的幅频系数,接收机在真实的电磁环境中绝大多数情况都工作在线性区域,所以这里认为Ad和As都是常数。

然后输入信号进入低噪声放大器和混频器等非线性器件中,由电路的基本知识可知,一般非线性电路的输入输出信号之间的关系都可以用幂级数表示为

(3)

式中,u0为输出信号;ui为输入信号;Bn(n=0,1,2,…)是与系统转移特性有关的常数。

将式(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为

基波分量为

和

由于带内干扰产生的谐波分量、交调分量和互调分量基本不会对接收机造成影响,在这里就不再赘述。

如果干扰信号幅度足够强,通过接收机的通带后影响仍然不可忽视,接收机输出的有用信号就会减小甚至消失,这种现象就是大信号阻塞干扰。由此可知有用信号的增益为

(5)

1.3预测模型

用频设备单源抗扰度试验得到的敏感度是确定的,但是在战场复杂电磁环境下,频率错综复杂,用频装备往往在单源辐射效应评估的安全范围内就达到了敏感度阈值。电磁辐射频率、场强能够任意组合,通过试验方法确定设备在复杂电磁环境下的敏感度没有可操作性,因此本文从用频装备的效应机理出发,建立用频装备带内双频连续波辐射效应预测模型。

根据式(5)可知单频干扰下有用信号增益为

(6)

(7)

(8)

式中,u1、u2为不同频率的两个干扰信号。当接收机受到双频连续波干扰时,经过限幅器或者带通滤波器选频抑制后得到

A1U1cos ω1t+A2U2cos ω2t+AsUscos ωst

(9)

将式(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为

基波分量分别为

由第三个基波分量可知有用信号增益为

(11)

系统在不同频率、不同强度的干扰信号作用下达到电磁敏感度阈值,说明此时干扰信号对系统的影响程度相同,则有用信号增益大小相同。联立式(6)、式(7)和式(11),当有用信号大小相同时,得到

则

(12)

可以看出带内双频场强组合作用下电磁辐射敏感度变化规律是一个与单频干扰场强阈值有关椭圆函数,由于场强值都为非负数,所以模型为椭圆函数在第一象限的部分。

由帕斯瓦尔恒等式可知正弦连续波信号平均功率为U2/2R,则式(12)可记作

(13)

2　通信电台辐射效应试验

为了验证上述所建模型的正确性,本文某型超短波电台为试验对象,分别对受试电台进行了单频连续波电磁辐射效应试验和双频连续波电磁辐射效应试验。

2.1辐射效应判定

从电磁干扰预测的角度来看,包括通信设备的大多数电子系统都以表征能量的干扰余量作为电磁敏感度判据[16]。对于模拟通信系统来说,干扰余量作为判据不能正确给出系统的工作状态,也不能描述系统的受扰程度,所以评价模拟通信质量最直观是语音的清晰度;对于数字通信系统来说,表征能量的干扰余量反应的是在接收机射频前端的干扰大小,而忽视了数字通信纠错编码的功能,所以评价数字通信质量应该采用误码率作为敏感度判据。因此本

文选择分别语音质量和误码率作为评价模拟通信和数字通信的效应参数。结合前期预试验和国军标《语音通信干扰效果评定准则》[17]、《数字通信干扰效果评定准则》[18],选择工作破坏级(通信接收设备的工作状态在干扰信号作用下遭到破坏,失去了接收功能,无法通信)作为语音通信的敏感度判据,误码率等于10%作为数字通信的敏感度判据。

2.2单频连续波电磁辐射效应试验

电台单频连续波电磁辐射效应试验在开阔场进行,具体的试验配置如图2所示。信号源产生干扰信号经过功率放大后通过对数周期天线产生辐射场。为了模拟2台电台之间的远距离通信,将发射电台与辐射天线之间连接40dB左右的衰减器。在接收电台一侧,在接收天线和接收电台之间连接定向耦合装置,通过耦合装置的检测端口连接点对点光纤信号传输系统,并通过光纤传输在远端监测接收电台主机输入端口处的前向电压(功率)。试验过程中各天线的姿态与电台之间的相对位置保持不变。收发电台工作频率为40 MHz、60 MHz、80 MHz分别进行试验。试验结果如图3所示,图中fs为电台的工作频率,fi为干扰信号频率,此时的辐射敏感度用接收电台的输入功率来表示,“*”表示语音通信时语音信号完全被阻断干扰信号的功率敏感度大小,“o”表示数字通信时误码率达到10%干扰信号的功率敏感度大小。

图2　通信电台单频连续波电磁辐射效应试验配置图Fig.2　Single frequency electromagnetic radiation effect test configuration for radio

图3　通信电台单频连续波电磁辐射效应敏感度曲线Fig.3　Single frequency electromagnetic radiation effect susceptibility curve for radio

由图3可以看出受试电台在不同的工作频率时电磁干扰的敏感带宽都为±30 kHz左右,这是由于射频前端滤波器幅频特性决定的,干扰频率偏离电台工作频率超过30 kHz后,临界干扰功率提高不小于40 dB,受试电台带外抗干扰能力很强。

2.3双频连续波电磁辐射效应试验

电台双频连续波电磁辐射效应试验与单频连续波试验基本相同,不同的是双频干扰信号由两个信号发生器产生,然后通过功率合成器进行功率合成,经过功率放大后由对数周期天线辐射出去,其他试验条件与单频试验保持一致,具体的试验配置如图4所示。

当收发电台工作频率为40 MHz、60 MHz、80 MHz时,在不同的干扰频率组合,不同的临界干扰功率组合下对受试电台的数字通信、语音通信进行了多组试验。随机选出其中4组试验结果如图5所示。

图4　通信电台双频频连续波电磁辐射效应试验配置图Fig.4　Dual-frequency electromagnetic radiation effect test configuration for radio

由图5可以看出受试电台在双频连续波干扰下功率敏感度的组合基本呈负相关的关系,一个干扰功率增大,另一个干扰功率减小。

图5　通信电台双频连续波电磁辐射效应敏感度曲线Fig.5　Dual-frequency electromagnetic radiation effect susceptibility curve for radio

2.4模型验证

根据式(13)所建预测模型对上述四组试验数据进行验证,结果如表1～表4所示。

由验证结果可以看出,不同频率组合、不同功率强度组合下双频连续波电磁辐射效应预测模型系数都在1左右,预测误差在±1 dB以内,优于军用标准±3 dB的允差要求,证明了本文所建模型的正确性和有效性。这就意味着当通信电台处于某一已知频率和强度的双频电磁场中,只要知道通信电台在该频率下单频辐射效应敏感度阈值,就能对受试设备的辐射效应进行预测,这对指导工程实践具有重要意义。

表1　电台工作频率为40 MHz时进行数字通信验证试验

表2　电台工作频率为60 MHz时进行数字通信验证试验

表3　电台工作频率为40 MHz时进行语音通信验证试验

表4　电台工作频率为80 MHz时进行语音通信验证试验

3　结　论

(1)本文从用频装备出现大信号阻塞干扰角度出发,通过带内正弦连续波辐射对用频装备的干扰机理和耦合机理分析建立了双频连续波辐射效应预测模型,并以某型超短波通信电台为试验对象,不同频率组合、不同功率强度组合下双频连续波电磁辐射效应预测模型系数都在1左右,预测误差都在±1 dB以内,验证了预测模型的有效性。

(2)对于双频甚至多频的电磁辐射敏感度研究,国内外学者都意识到了传统辐射敏感度试验的不足,但只是指出了具体问题,没有具体的解决方法。本文创新性的从理论出发,建立了带内双频连续波辐射效应预测模型,对复杂电磁环境下武器装备的战场生存能力研究做出了探索,具有重大的军事需求和使用价值。

(3)本文提出的带内双频连续波辐射效应预测模型,在理论推导上拓展到3个频率或者多频的预测模型形式与双频基本类似,但由于试验条件的限制没有进行进一步的验证,在接下来的研究中需要进行深入探讨。

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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；网络优先出版日期：2016-10-08。

国家自然科学基金(61372040)资助课题

TM 937

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

李伟(1988-),女,博士研究生,主要研究方向为电磁环境效应试验、评估和预测技术,电磁兼容。

E-mail:liwei_oec@163.com

魏光辉(1964-),男,教授,主要研究方向为电磁防护、电磁环境效应试验评估技术、电磁兼容。

E-mail:wei-guanghui@sohu.com

潘晓东(1980-),男,讲师,博士,主要研究方向为电磁环境效应试验、评估和预测技术,电磁兼容。

E-mail:panxiaodong1980@sina.com

卢新福(1988-),男,博士研究生,主要研究方向为电磁环境效应试验、评估和预测技术,电磁兼容。

E-mail:luxinfu123@126.com

万浩江(1983-),男,讲师,博士,主要研究方向为雷电防护、电磁环境效应试验、评估和预测技术,电磁兼容。

E-mail:hbwhj1983@163.com

李卉(1988-),女,工程师,主要研究方向为卫星测控、电磁兼容试验。

E-mail:jilinmeihemaini@126.com

网络优先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20161008.1500.008.html