系统间电磁兼容预测分析与方法研究

张广军 柳锐锋 徐常伟 郭 浩

(1.洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)(2.华中科技大学 武汉 430074)

系统间电磁兼容预测分析与方法研究

张广军1,2柳锐锋1徐常伟1郭 浩1

(1.洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)(2.华中科技大学 武汉 430074)

复杂电磁环境下电子信息装备呈现出用频设备多、覆盖频带宽、频率交错重叠严重的特点,极易出现系统之间的电磁互扰,进行系统间电磁兼容预测成为保证系统间不出现频谱冲突的重要手段。介绍了无线电设备系统间电磁兼容预测分析的基本原理,以电磁干扰预测方程为基础,深入分析了无线电设备发射机的电磁发射技术指标、接收机的电磁响应技术指标以及天线的技术指标在系统间电磁兼容预测分析中的应用方法。

电磁兼容预测; 电磁发射; 电磁响应

Class Number O44

1 引言

现代战争是复杂电磁环境下的体系与体系之间的对抗,在战场上电子信息装备种类繁多、型号各异、信息化程度高,呈现出用频设备多、覆盖频带宽、频率交错重叠严重的特点,极易出现系统之间的电磁互扰,甚至导致通信中断、雷达致盲、导弹失控,严重影响体系作战的整体效能。此类问题主要是已方电子信息装备无线电设备之间频谱不兼容造成的,该电磁环境称为系统间电磁兼容环境,是战场复杂电磁环境的重要组成部分。解决系统间的电磁兼容性问题,一方面需在装备研制时对无线电设备的电磁兼容指标进行科学设计和严格控制,另一方面需根据电子信息装备的实际布局和技术状态进行系统间的电磁兼容性预测。

本文以无线电设备系统间电磁干扰预测方程为基础,讨论系统间电磁兼容预测分析的技术要素和应用方法。

2 系统间电磁兼容预测原理分析

无线电系统是利用电磁波进行工作的系统,包括广播、电视、通信、雷达、导航等。其基本工作方式是通过向空间发射有用的电磁波信号并通过空间传播后再接收这些电磁波信号来工作的。这些电磁波信号对于无线电系统本身是必须的、有用的。但是,它们对不需要这些信号的电子系统或者设备形成干扰。电磁干扰的形成必须同时具备以下三个因素[1]:电磁干扰源,指产生电磁干扰的元件、器件、设备、分系统、系统或者自然现象；敏感设备,指对电磁干扰发生响应的设备；耦合通道,指把能量从干扰源耦合(或者传播)到敏感设备上,并使该设备产生响应的通路或者媒介。通常将这三个因素称为电磁干扰三要素,如图 1 所示。

图1 电磁干扰三要素

在系统间电磁兼容性预测分析中,干扰源是发射机,敏感设备是接收机,耦合通道是电磁波从发射机发射后到达接收机的通道。发射机、接收机和耦合通道是系统间电磁兼容性分析的三要素,建立此三个要素的物理、数学模型是系统间电磁兼容性预测分析的基础[2]。在系统间电磁兼容预测分析中,接收机输入端的干扰功率与接收机输入端敏感度门限之差称为电磁干扰裕量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为发射机电磁发射频率,既可能是基波发射频率,也可能是谐波发射或杂散发射频率(MHz)；fR为接收机电磁响应频率,既可能是基波响应频率,也可能是乱真响应频率或等效互调响应频率(MHz)；d为收发天线间距离(km)；p为收发天线间的相对方向；PT为发射机在频率fT时的发射功率,该处的电磁发射既可能是基波发射,也可能是谐波发射或杂散发射(dBm)；GT为发射天线在频率fT时,在接收天线方向的增益(dB)；L为收发天线间在频率fT时的传播损耗(dB)；GR为接收天线在频率fT时,在发射天线方向的增益(dB)；PS为接收机在响应频率为fR时的敏感门限(dBm)；CF为考虑发射机带宽BT与接收机带宽BR以及频率间隔Δf=|fT-fR|时的修正系数(dB)；

若经计算IM≤0,则认为发射机的电磁发射对接收机不构成干扰,否则,需进一步计算电磁干扰对接收机的影响程度,目前,通常用信干噪比作为评估标准。处于同一区域的无线电接收系统和发射系统,发射机和接收机之间的传输函数包含多种途径,在进行电磁兼容预测分析中,采用逐对考虑的方式,即每次选一个接收机和一个发射机及一种耦合方式,构成“发射-响应对”。

3 系统间电磁兼容预测方法分析

由电磁干扰预测方程可知,进行系统间电磁兼容预测需考虑发射机、接收机、天线、传播途径等各个环节。

3.1 发射机模型

发射机的主要功能是产生电磁能量,这种电磁能量在一个确定的频带内包含着直接的或间接的信息。除了所需的能量之外,发射机还在一些寄生频率上产生许多不需要的辐射。从频率上来分,发射机产生如下三类发射:基波发射、谐波发射、非谐波发射。一般而言,基波发射的是信号组成部分的有用的电磁波。除基波外,其余两类发射都是无用的。有用和无用的辐射都会在接收机中产生电磁干扰。因此,从电磁兼容的观点来看,所有的发射机都必须作为潜在的干扰源来加以对待。

3.1.1 发射机幅度模型

1) 基波发射幅度

在发射机的各项发射中,由于基波有较高的功率电平,是潜在最严重的干扰源。基波发射有关的特性通常由设备规格书给出,因而此数据容易得到。但是,给定发射机型号的各个设备其基波功率输出变化很大,存在由于设备不同而导致能量输出不同的较严重情况。因此,发射机的基波发射幅度只能用统计方法来描述[4]。假定以 dBm表示的基波功率变化是正态分布的随机变量,则此分布由平均值和标准偏差确定。如果没有现成的具体数据,其平均值等于发射机的额定功率,标准偏差等于2dB。

2) 谐波发射幅度

谐波发射原则上为任何无线电发射设备所固有,谐波的幅度通常在所有发射机输出当中是除了基波以外最大的。据统计,同一型号不同编号的发射机所发射谐波幅度随机差值可以高达几十dB,所以限定发射机频谱的确定形状是不现实的。为了很好地表示发射机谐波输出必须确定平均发射电平。通常假设:发射机谐波发射的平均电平随谐波数的增加而减少；每个谐波发射功率是正态分布的随机变量,标准偏差与谐波次数无关。因此,谐波辐射的平均功率为[5]

(2)

3) 非谐波发射幅度

发射机产生的非谐波信号的功率电平通常低于谐波发射功率电平。然而,在低于基频的情况下,非谐波发射仍有必要考虑,因为基频谐波在这一频段内并不存在。低于基频情况的非谐波发射的一般模式,可用类似于式(2)的公式来表示。惟一的区别是把NfoT用一个连续变量f来代替,并设常数A′和B′,即[6]:

(3)

3.1.2 发射机的频率特性

电磁干扰信号有各种不同的波形,是决定电磁干扰频谱的主要因素。通过对干扰信号波形的傅立叶分析,得出干扰源的频谱特性,但是,要得到非周期性波形的连续频谱或周期性波形的离散频谱线,所涉及的解往往较为复杂。因此,通常利用近似技术,确定关于非周期性波形的连续频谱函数的上界近似包络或关于周期性波形的离散频谱线的上界近似包络,按照电磁干扰能量的频率分布,确定出干扰源的基波、谐波和非谐波发射频谱特性。当发射机存在调制发射信号时,基波的能量分布主要由基带调制特性来决定。附加辐射的能量分布形式大致也与基波的频谱特性相类似或占有较宽的频带。能量分布的精确描述是很困难的。因而,对每一种发射机来说可利用通用化的频带模式,载频附近的能量分布主要由发射机的基带调制特性来决定。

1) 基波发射频率特性

基波发射频率特性的调制包络函数采用折线拟合法,由分段线性函数来近似,可表示为

(4)

式中,Δf=|f-foT| 为实际频率f与发射机基波频率foT之间的差值；Δfi=fi-foT为第i区的频带；M(Δfi) 为频带Δfi边缘上的带外辐射功率相对于0dB的下降值；Mi为第i频带范围内频谱包络函数的斜率。

与调制包络有关的重要参数之一是发射机的标称带宽即3dB带宽。发射机功率的大部分在此区内,此区外的功率随频率间隔增大迅速减小。发射机标称带宽通常可由发射机规格书确定。

2) 谐波发射频率特性

通常,发射机的所有输出当中,基波的谐波NfoT是除了基波之外电平最高的。假设与基波谐波相关的调制包络与描述基波输出的基带调制包络有同样的形状,所占的带宽对所有谐波都一样,等于基波带宽,即BT(NfoT)=BT(foT)。因此,谐波辐射的频谱包络仍按式(4)计算,其中Δf=|f-NfoT|。

3) 非谐波发射频率特性

某些发射机在一些与基波频率为非谐波关系的频率上,有很强的辐射。这种非谐波的寄生辐射,不能在频率方面有准确的预测,只可能了解在距基频foT有一特定频率间隔Δf的频率区间B中有辐射输出的概率,这种可能的概率可用下式表示为

(5)

式中,H为取决于发射机种类的一个常数；B为所考虑的频带宽度。

H的几个不同值描述整个频段上的统计特性。除非所考虑的接收机具有相当大的带宽,否则产生干扰的非谐波输出的概率是小的。因此,在系统间电磁兼容性预测分析中,在采用多级预测原理时,在带宽修正与频率间隔修正阶段中忽略非谐波发射。

3.2 接收机模型

电磁干扰预测方程中PS(fR,t)为接收机在响应频率为fR时的敏感度。与电磁兼容相关的接收机敏感度指标包括灵敏度、乱真响应敏感度、互调响应敏感度、中频响应和镜频响应敏感度等。

3.2.1 接收机灵敏度

灵敏度是接收机在规定的信噪比或信纳比条件下的最小可接收调谐信号电平,当发射机的基波发射和杂散发射落入接收机带宽范围内时,以该参数作为接收机的敏感度限值,此时敏感响应频率fR为接收机的调谐频率。

3.2.2 乱真响应敏感度

乱真响应是接收机由于其电路或结构上的原因,对接收带宽以外的信号产生的响应。在设备技术手册中,通常只给出乱真响应抑制度的技术指标,乱真响应敏感度是接收机灵敏度和乱真响应抑制度之和。但技术手册中没有给出乱真响应的频率值,此时利用式(6)进行频率值的估计:

(6)

式中,m为接收机本振频率的谐波次数,根据经验,m≤2；n为混频器输入信号谐波次数,根据经验,n≤2；fOSC为一级本振频率(MHz)；fIF为接收机一级中频频率(MHz)。

要实现精确的预测,需通过测试获取精确的乱真响应频率及相应频率上的敏感度,如果对应每个调谐工作频率点的乱真响应存在较大的起伏,则需建立以调谐工作频率为自变量的函数模型。

3.2.3 互调响应敏感度

当两个非调谐信号由于接收机的非线性作用而组合出新的干扰信号时,若该干扰信号的频率落入中频带宽内时,便构成接收机的互调干扰响应。经验表明,2阶和3阶互调干扰最为严重,互调干扰频率具有以下组合关系:

2阶互调fR=f1±f2

3阶互调fR=2f1±f2或fR=2f2±f1

2阶和3阶等效干扰电平由式(7)和式(8)确定[7]:

(7)

(8)

式中,IM2和IM3分别称为2阶互调系数和3阶互调系数,可通过实测建立相应的模型。

设备技术手册中给出的是3阶互调抑制度指标,3阶互调抑制度与3阶互调系数之间存在式(9)所示的换算关系[8]:

IM3=-2DIM3-2PR

(9)

式中,DIM3为3阶互调抑制度(dB)；PR为接收机灵敏度(dBm)。

三阶互调干扰最为严重,且在接收机调谐频率f0附近发生,若没有精细的模型,需在|fj-f0|≤0.2f0范围内考虑三阶互调干扰,其中fj为干扰信号频率。

3.2.4 中频响应和镜频响应敏感度

中频响应和镜频响应是接收机带外电磁干扰响应中最严重的情况,可通过实测获取准确的数据或建立模型[9]。中频响应和镜频响应敏感度分别是接收机灵敏度与中频响应抑制度和镜频响应抑制度之和。

3.3 天线模型

电磁干扰预测方程中GT为发射天线在接收天线方向的增益,GR为接收天线在发射天线方向的增益。天线的增益、波束宽度、副瓣电平等指标是对天线有效工作频段范围内天线增益方向图的简要描述,但是对于发射天线来说,发射频率不只是基波发射,还存在谐波、杂散和互调等无意发射,这些无意发射大部分处在发射天线有效工作频带之外。接收天线也存在类似情况,接收机的乱真响应频率、互调响应频率等也可能处于接收天线有效工作频段之外。此时,对于天线有效工作频段之外的频率,利用相关技术手册中给出的技术指标作为电磁干扰预测方程的输入将会存在一定的误差,因此,要获得较高精度的预测结果,需在很宽的频率范围内测量天线的增益方向图,并建立相应的模型。

3.4 频率修正系数

电磁干扰预测方程中CF为频率修正系数。该系数由电磁干扰信号调制包络和接收机选择性曲线,以及电磁干扰中心频率fT与接收机敏感频率fR之间的频率间隔Δf=|fT-fR|来决定。以下是简易的计算流程:

1) 首先判断干扰信号是否调谐到接收机工作频率,根据以下准则进行判断:

2) 对于调谐信号,CF近似为

(10)

对于非调谐信号,FDR近似为

(11)

根据以上计算过程可见,电磁干扰预测方程需电磁发射信号的频谱包络和接收机的中频选择性作为输入,电磁发射信号的频谱包络由发射机电磁发射信号的调制方式决定,可通过实测数据建立相应的模型,相关文献资料[10～11]提供了某些种类调制信号的频谱包络模型。接收机的中频选择性优先选择实测数据,无实测数据时可使用技术手册中给出的中频选择性指标。

4 结语

系统间电磁兼容预测所需的技术参数包括:发射机的基波发射功率、谐波发射抑制、杂散发射抑制、互调发射抑制、信号带宽和信号的频谱包络；接收机的灵敏度、乱真响应敏感度、互调响应敏感度、中频抑制度、镜频抑制度、接收机带宽、双信号选择性；天线的增益、极化和方向图等。由电磁干扰预测方程得到的结论只能够得到相对于敏感度的干扰裕度,用于判定在发射机的电磁干扰下是否能够在接收机中产生响应,若要进一步确定干扰程度,还需采用接收机的噪声系数指标,并计算有用信号电平。在目前装备信息化程度越来越高,频谱冲突越来越严重的形势下,为保证频谱的充分利用,进行系统间电磁兼容预测是非常有价值的。

[1] 邹逢兴,张湘平,李汉军,等.电磁兼容技术[M].北京:国防工业出版社,2005.

[2] 陈穷.电磁兼容性工程设计手册[M].北京:国防工业出版社,1993.

[3] Norman Violette J L, Donald R.J. white, Michael F.Violette. Electromagnetic Compatibility Handbook[M]. New York: Van Norstrand Reinhold Company,1987.

[4] 王定华,赵家升.电磁兼容原理与设计[M].成都:电子科技大学出版社,1995.

[5] 胡皓全,赵家升.电子系统电磁兼容预测模型研究[J].电子科技大学学报,1995,24(7):63-68.

[6] 王庆斌,刘萍.电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[7] 朱庆厚.通信干扰技术及其在频谱管理中的应用[M].北京:人民邮电出版社,2011.

[8] 何洪涛,聂纯,刘继东,等.无线电接收机阻塞干扰响应的建模方法研究[J].微波学报,2014(6):61-64.

[9] J.L. Bogdanor, R.A. Pearlman, M.D. Siegel. Intrasystem Electromagnetic Compatibility Analysis Program Volume 1-User.

[10] T. Lawson. A Transmitter-Spectrum Synthesis Technique for EMI Prediction.ECAC-MD-Ⅲ.

[11] N.M. Shehodeh and R. Chiu.Spectral Density Functions of a Carrier Amplitude Modulated by a Biphase PCM Code[J]. IEEE Transactions on Communications Technology,1970,6.

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

张广军,男,工程师,研究方向:雷达与电磁兼容。柳锐锋,男,硕士,工程师,研究方向:雷达与电磁兼容。徐常伟,男,博士,工程师,研究方向:雷达与电磁兼容。郭浩,男,硕士,工程师,研究方向:雷达与电磁兼容。

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.036