某通信电台带内连续阻塞干扰环境适应性评估研究

杜海兵 于永利 杜宝舟

(1. 陆军工程大学石家庄校区静电与电磁防护研究所,石家庄050003; 2. 陆军工程大学石家庄校区装备指挥与管理系,石家庄050003)

引 言

放眼世界军事科技领域,信息化在现代战争中的地位愈发提高,军事对抗越来越多地需要通过信息化手段来完成[1]. 时至今日,争取战场信息主动权、竭力压制敌方信息链已成为各国军事专家的共识,因此,作战单元上信息化设备无论从数量还是从科技含量上都在迅速提升. 在此背景下,一方面要不断解决不同用频装备之间的电磁兼容问题,另一方面要加强电磁干扰武器的研发,这就导致战场电磁环境越来越复杂、越来越恶化[2]. 面对如此严峻的现代化作战要求,通信装备作为战场上各种重要信息传递的主要载体,能否很好地适应战场复杂多变的电磁环境将对战场态势演变产生重大影响.

目前,许多国家都出台了有关用频装备对电磁辐射敏感度以及电磁兼容的相关标准,例如我国于2005年和2013年发布的GJB-1389A和GJB-151B[3-4]等,美国发布的MIL-STD-464C和MIL-STD-461G[5-6]等,在一定程度上解决了用频装备之间的匹配与兼容问题,但这些标准都是在用频装备在单源或单频干扰辐照下提出的,对复杂电磁环境下通信装备适应性评估难以直接运用.

本文以通用电磁场理论为基础,研究通信装备阻塞干扰,首先推导出评估模型,然后以我军现役的某型号超短波电台搭建干扰试验系统,最后对评估模型进行实验验证[7]. 在干扰辐照波形上选择战场电磁干扰中最常见的正弦连续波.

1 预测模型推导

当通信装备受到多个辐射源干扰时,导致通信装备发生阻塞的原因可能有两类:一类是对等效场强敏感引发,另一类是对多源辐射场的场强峰值敏感引发.首先对第一类进行推导建模.

1.1 等效场强敏感预测模型

电磁波进入接收机后得到如下所示输入信号:

(1)

式中:As为接收机对有效信号的接收系数;Ai为接收机对干扰信号的接收系数;E为相应信号的场强峰值;ω为相应信号的角频率值.

对非线性电路而言,根据幂级数分析法[8],则系统输入与输出信号符合如下关系:

(2)

式中,Qi(i=0,1,2,3,…)是取决于系统自身特征的常系数.

在实际运用当中,式(2)选取范围取决于输入信号特征:当信号较小时,一般取前2项;当信号较大时,则选取前4项.本文中选取前4项.

将式(1)带入式(2)则有

(3)

对式(3)进行整理,得到有效信号的放大倍数为

(4)

当通信电台受到两个辐射源干扰时,输入信号如下式所示:

ui(t)=A1E1cos(ω1t)+A2E2cos(ω2t)+

AsEscos(ωst).

(5)

将式(5)带入式(2),得到有效信号的放大倍数为

(6)

当电台没有收到干扰时,有效信号的放大倍数应保持一致,联合式(4)、(6)可得

(7)

则有

(8)

整理可得

(9)

根据式(9)可推导得到当辐射源数量为n时,则有

(10)

式中:E′ 是某干扰源单独作用于通信电台产生临界干扰时的场强峰值;E是两个干扰源同时作用于电台产生临界干扰时的场强峰值.

设

(11)

根据以上推导,当S1=1时,通信电台处于临界干扰状态;当S1>1时,通信装备受干扰值超过临界干扰,无法正常通信;当S1<1时,通信装备能够正常通信.整理后如式(12)所示:

(12)

式中,S1是等效功率敏感指数.式(12)便是等效场强敏感模式下的干扰预测模型.

1.2 峰值场强敏感预测模型

在通信电台对辐射场强峰值敏感的情况下,当n个辐射源单独辐照通信电台并产生临界干扰时,通信电台的接收机会产生临界干扰电压Um,有如下关系式:

⋮

(13)

式中,xn为通信电台对某频率信号的选择系数.

当n个辐射源同时作用于通信电台并发生临界干扰时,电台接收机产生的临界干扰电压与多个辐射源单独作用产生的临界干扰电压值是相等的,则有

x1(E1)+x2(E2)+…+xn(En)=Um.

(14)

对式(13)、(14)进行整理则有如下结果:

(15)

设

(16)

则有当S2=1时,通信电台发生临界干扰;当S2>1时,此时作用接收机的等效干扰电压已经超过了临界干扰电压Um,电台会发生干扰;当S2<1时,则电台能够进行通信.整理后如式(17)所示:

(17)

式中,S2是峰值场强敏感指数.式(17)便是峰值场强敏感模式下的干扰预测模型.

2 预测模型实验验证

2.1 实验方案

为验证以上两组预测模型是否有效,需要搭建一个有多个干扰辐射源的实验平台,同时对受试通信电台进行辐照实验.通过测量相关数据计算出预测模型中两个指数值,观察该数值与预测模型是否一致,进而验证模型准确性.

由于实验条件限制,本文选取干扰源的数量为两台,设计试验框图如图1所示.

图1 双源干扰辐照实验设计配置Fig.1 Design and configuration of irradiation of dual source interference

该设计框图中两台干扰电台的输出信号经过功率耦合器之后进入功率放大器,最终输出至辐照天线,将受试电台置于距离辐照天线5 m左右的平台上,利用光线场强计来检测受试区域场强的变化情况.场强计输出端连接计算机显示器,受试电台语音输出端经光电转换器连接耳机[9-10].

2.2 试验设备

通信电台:采用A1型超短波通信电台,数量为三台,两台作为干扰信号发生源,一台作为受试电台.

辐射天线:采用BBA9105型天线,工作频率范围是40～250 MHz,能承受的功率峰值为14 W.

场强检测器:采用EMR-200型.

功率放大器:采用AR公司生产的50WD1000型,其输出的额定功率是50 W,频率范围能够达到0～1 000 MHz.

功率计:采用NRVD型.

另外,试验中还使用了双向耦合器、功率合成器,以及多条同轴线缆和光纤线缆.

2.3 试验步骤

按照图1所示配置图,将受试电台、干扰天线以及光电转换器等连接好并置于开阔场地,选用广播信号为信号源,其余设备及实验人员均进入屏蔽良好的屏蔽舱内,然后开始试验.

1) 将受试电台工作频率设置为某一电台频点,然后对受试电台进行微调,直至听到的广播信号清晰度最高.

2) 打开干扰信号发生源1,将干扰频率定于某一值fi,然后逐渐增大功率放大器输出功率,从监听耳机实时监听受试电台输出的语音信号,直至完全听不到有用信息.通过连接场强计的显示屏读取此时场强数值,然后分别测量多组干扰频率值时的场强阈值.

3) 先打开干扰信号发生源1,干扰频率调节至步骤2)中的某一个频点,调节输出功率同时监听耳机中信号清晰度,当听到信号开始受到干扰但仍能听清信号内容时,记录此时的干扰场强E1.

4) 打开干扰信号发生源2,调节干扰频率至步骤2)中的另一个频点,调节输出功率同时监听耳机中信号清晰度,直至完全听不到声音时,关闭干扰信号发生源1,记录此时的干扰场强E2.

5) 分别按照步骤2)中的频点重复步骤3)、4),得到两组E1和E2的数据.

试验数据如表1所示,图中Δfi是干扰信号频率与广播信号之间的频率差,E是单源干扰场强阈值.

表1 双源干扰辐射下场强阈值组合实验数据Tab.1 Field intensity threshold experiment data of dual source interference radiation

3 试验结果分析

观察对比通过实验测得的两组双源干扰频率下10组干扰场强阈值组合以及计算得出两个敏感指数,在第一组频率组合中,S2值只有一组近似等于1,其余4组都大于1,而S1值均小于1;在第二组频率组合中,除了一组S1值小于1外,其余S1和S2值均大于1.

分析第一组频率组合下的实验数据,结合式(11),该组实验数据是满足等效场强敏感预测模型的,但是对比式(16),该组数据是不满足场强峰值敏感模型的.说明在该组频率组合干扰下,通信电台对等效场强敏感,对峰值场强不敏感.

分析第二组频率组合下的实验数据,虽然有一组S1值小于1,且与之相差较大,这可能是由于人为操作失误或者监听误差造成的.整体上看,在这组频率组合下测得数据均满足两种预测模型,说明在该组干扰频率组合下,通信电台对等效场强和峰值场强都比较敏感.

对比两组频率下的数据,从实验现象上看,通信电台是发生了阻塞干扰的.而从实验结果及预测参数的数值上看,却出现了有的预测模型适用有的却不适用现象,但两组数据中,至少有一个预测模型是适用的,说明当满足其中一个预测模型的干扰条件时,通信电台是会发生阻塞干扰的.

因此,在实际应用中,由于无法预知通信电台的敏感类型,在评估电台是否发生阻塞干扰时,需要将两个敏感指数S1和S2全都计算出来,然后根据以下方法判断通信电台是否发生阻塞干扰及其敏感类型:

4 结 论

1) 通信电台在多源辐照背景下,会对等效场强和峰值场强中的一种参数比较敏感.

2) 通过计算等效场强敏感指数和峰值场强敏感指数与1的对比,可以预测出通信电台是否受到阻塞干扰.

3) 等效场强敏感指数或峰值敏感指数,只要有某一指数大于或等于1时,通信电台就可能发生阻塞干扰.

研究我军现役通信电台的连续波多源带内阻塞干扰规律,能够从实际战场复杂电磁环境的角度预测通信电台的通信状态和适应能力,有助于提升我军通信装备的抗干扰能力和战场电磁环境适应性,也为我军不同用频装备之间的相互协作、避免干扰提供了解决方案,对提升我军战斗力能够起到积极的推动作用.

本文研究的辐照波形为连续波,干扰类型只针对带内阻塞干扰,实际战场电磁环境中还包括多种其他类型的干扰波形,干扰类型还包括带外干扰、噪声干扰等. 因此,下一步研究要将更多的干扰波形以及干扰类型纳入进来,然后进行汇总与整合,最终形成通信装备复杂电磁环境适应性预测体系.