基于半实物环境的高功率微波信号干扰分析*

贺 宇，郑浩月，王 哲，宋 滔，程慧斌

（中国电子科技网络信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

高功率微波（High Power Microwave，HPM）作为复杂电磁环境的重要组成部分，对各种基带通信设备的工作将产生影响，而通过线缆辐射耦合是HPM干扰基带通信设备中各互联分系统的主要方式，因此，工程研究中，需要通过试验对线缆上耦合的HPM干扰信号进行分析[1]。

通过试验研究HPM对基带通信设备的影响效应的方式主要有两种，即：辐照试验和注入试验[2]。HPM辐照试验，是利用HPM脉冲发生器及辐射天线构成能够模拟高功率微波辐射的装置，产生高强度的电磁脉冲，通过对基带通信设备进行空间辐射的方式考察相关的干扰效应。HPM注入试验，是通过对线缆直接注入的方式，将HPM干扰信号（此干扰信号为HPM辐射在线缆上产生的耦合电压）加载到基带通信设备的线路上，从而考察相关的干扰效应。

在实践中，通过辐照试验对HPM干扰效应进行研究，存在HPM信号波形难以跟踪记录，试验用HPM辐射源功率要求高（兆瓦级以上），构成复杂（HPM脉冲发生器包括：初级脉冲源、脉冲功率装置、强流电子束发生器和高功率微波源系统等）且难以获取，对试验环境要求苛刻（必须是电波暗室），试验费用高昂等实际问题[3]，导致通过辐照试验的方法去研究HPM对基带通信设备的干扰效应存在较大困难。而注入试验对HPM辐射源的功率要求相对较低（千瓦级），试验系统容易构建，对试验环境要求宽松（可以是开放场地），且试验费用较低。因此，工程中，往往采用注入试验代替辐照试验的方式来等效研究HPM对基带通信设备的信号干扰[4]，这就需要通过建立半实物仿真与试验环境（即：采用仿真生成信号与实物结合试验的半实物研究方式），确定注入试验中所需的干扰电流波形，以便等效分析HPM辐射耦合所产生的干扰电压信号[5]。

另外，在研究过程中，通常只知道环境中HPM干扰信号的部分频域特征（如：工作频段、3 dB带宽、中心频率、场强均值、峰值功率或功率密度等），且无法得知其时域波形，而参考文献[6]的方法，可生成试验研究所需的等效HPM干扰信号。

本文结合以上工程应用背景，采用注入试验代替HPM辐照试验的方式，并基于半实物试验环境，等效分析HPM对基带通信设备产生的信号干扰。首先，借鉴文献[6]的方法生成试验所需的HPM干扰信号；其次，由实际设备构建半实物试验的实物环境，并建立研究对象的数值模型；同时，利用仿真得到需要通过电流钳注入到线缆上的干扰电流，再使用实际的信号源加载并生成该电流对应的电压波形；最后，将该波形作为半实物试验所用干扰信号，经电流钳注入到互联线缆上进行效应试验，较好地满足了对HPM辐照所产生的信号干扰分析的需要。

1 半实物环境的构建

1.1 半实物模型

高功率微波主要通过线缆、孔缝等的“后门”耦合对基带通信设备产生干扰[7]。因此，建立如图1 所示的基带信号处理与控制系统作为研究对象，并作为半实物试验环境中的实物模型部分，并重点分析后门耦合产生的信号干扰。

图1 研究对象实物组成图

该系统由控制计算机、伺服控制器以及转台等三部分组成，并通过RS232线缆进行互联。系统正常工作时，控制计算机利用其预装的串口通信控制软件产生控制命令，通过RS232接口向伺服控制器下发控制信号；伺服控制器利用串口协议，成功解析接收到的报文内容后，将控制转台进行顺时针旋转。若控制计算机输出的串口控制信号受到干扰而产生波形失真，致使信号解析失败，则转台不会产生任何旋转动作，且伺服控制器将向控制计算机反馈解析失败所产生的乱码，并在串口通信控制软件的输出界面中显示；另外，控制计算机在接收到乱码后将停止下发串口控制信号。

根据以上实物模型，建立半实物环境下的仿真模型。研究表明，后门耦合机理比前门耦合复杂，且前门耦合研究业已成熟，同时，场线耦合相对孔缝耦合将产生更大的能量[8]，所以，分析HPM的辐射耦合信号干扰，关键在于对后门场线耦合的研究。故将重点放在线缆的耦合信号仿真、试验与分析上，因此，该仿真模型的关键在于RS232线缆的建模。在半实物试验中，RS232串口将采用DB-9型线缆，该线缆横截面、线型及所用材料如 图2所示。

图2 试验用RS232线缆截面、线型及材料

查阅线缆规格标准，可知该线型的RS232线缆的基本参数如表1所示。

表1 试验用RS232线缆基本参数

根据以上RS232线缆的几何结构、材料和基本电气参数，并结合实物研究对象的组成、互联及位置关系、外形尺寸、及其各自材料属性等要素，在电磁场仿真软件中建立如图3所示的三维电磁仿真模型，以及RS232线缆的行为级模型，作为半实物试验环境中的仿真部分。其中，控制计算机与伺服控制器间的RS232线缆长度设为0.5 m。

图3 研究对象的三维电磁仿真模型

1.2 干扰信号

高功率微波是一种强电磁脉冲信号，其频率范围一般认为在0.3～300 GHz之间[9]，在考虑到超宽带电磁脉冲频率范围的时候，可以将高功率微波信号频率下限扩展至100 MHz[10]。

由于所构建的实物模型属于较低工作频率的基带通信设备，而目前试验用超宽带辐射源的中心工作频率及3 dB带宽多数都在300 MHz附近，故假设半实物仿真所用高功率微波干扰信号的部分已知频域特征信息如表2所示。

表2 仿真用高功率微波信号部分频域特征信息

对于窄带与超宽带高功率微波信号的界定，采用计算百分比带宽的方法判别，公式如下：

其中，pbw表示百分比带宽，fh表示相对于峰值功率下降3 dB时所对应频率的上限，fl表示相对于峰值功率下降3 dB时所对应频率的下限。当pbw＞25%时，则可以判断为超宽带高功率微波。因此，根据表2中参数，由式（1）计算可知，所设干扰信号的百分比带宽为50%，属于超宽带高功率微波。

根据表2中的数据，并结合文献[6]的方法，生成可以用于代换以上设定干扰信号的等效时域信号波形，作为仿真所用超宽带高功率微波干扰信号。将采样频率取为2 GHz，计算得到用于生成等效时域信号的带通滤波器的脉冲响应h(n)如下式所示：

由文献[6]中计算脉冲序列时间的方法，得到以上脉冲响应的时间序列的长度为110ns。将此时间序列等分成221个时间点，并与式（2）得到的脉冲响应h(n)进行一一对应；同时，由表2中功率密度数据计算可知其时域电场强度峰值约为 1800 V/m，故可得到所需的等效高功率微波干扰信号的时域序列，将其作图如图4所示。

1.3 控制信号

试验中使用RS232信号作为控制信号。RS232接口的任何一条信号线的电压均为负逻辑关系，即：逻辑“1”对应电平为-3～-15 V，逻辑“0”对应电平为+3～+15 V，噪声容限为2 V，工程中常见的情况是，逻辑“1”对应电平为-12 V，逻辑“0”对应电平为+12 V。

图4 等效高功率微波干扰信号时域波形曲线

另外，RS232信号传输的特点是按字符传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符由10个bit位组成，前面第一位是起始位（高电平），后面紧接着8位数据位，最后是一位是停止位（低电平），停止位后面是不定长度的空闲位（低电平）[11]。故每传输10 bit数据所需时间可由下式计算得到。

式中，bps表示波特率。在实物试验中，设置串口波特率为115 200 bit/s，由式（3）可知此时RS232传输一个字符所需时间约为86.8 μs，故传输一个bit数据所需时间约为8.68 μs。试验中，预设控制计算机下发的控制转台顺时针转动的命令字符为16进制数据0x6112，使用RS232传输时，将其分成0x61和0x12两部分，分别换算成二进制数据并保留8位数为0B01100001和0B00010010，将其取反后为0B10011110和0B11101101，加入起始位和停止位后，则得到仿真所用控制信号数据帧格式如图5所示。

图5 控制信号数据帧格式（0x6112）

2 信号干扰仿真

2.1 仿真设置

建立了以上半实物仿真模型后，按照表3所示参数对仿真环境进行设置。

表3 仿真设置

2.2 仿真结果

基于以上仿真设置，并在仿真中使用图4中的干扰信号，以及图5中的控制信号作为工作信号。其中，由于试验中只使用RS232接口的TXD端（管脚3）发送控制信号，使用RXD端（管脚2）接收伺服控制器的反馈信号，故在仿真中，控制信号只设置在发送信号的TXD端，其余信号线上无工作信号；同时，在控制计算机与伺服控制器间的RS232线缆上设置电流注入与监测探头，最后，进行场路协同仿真。在RS232线缆上无工作信号时，得到电流注入与监测探头上监控到的电流时域波形如图6所示。

图6 仿真监测到的电流时域波形

实际应用中，高功率微波可以间隙性连续发射，频率可达十赫兹以上[12]，因此，在试验中，将把干扰信号设置成间隔一段时间（1 μs）进行重频（重频10次）发射的方式。为模拟此干扰过程，将以上监测到的电流波形在时间轴上依次重复设置10次，且每两次重复波形间的时间间隔设为1 μs，以此作为干扰信号加载到仿真所设置的电流注入探头中，在RS232线缆上有工作信号的情况下，设置伺服控制器RS232接口的RXD端输出阻抗为 50 Ω，再次进行仿真，得到伺服控制器RS232接口的RXD端（管脚2）上的接收电压信号时域波形如图7所示。

图7 伺服控制器RXD端上的电压波形

由上图可以看出，伺服控制器RXD端接收的RS232控制信号的一个字符数据帧的起始位和数据位的第一位，被电流注入探头上加载的电流所干扰，干扰电流峰值约为15 V。

3 信号注入干扰试验

3.1 干扰信号的生成

根据仿真监测到的电流时域波形生成实际的可由信号源产生的干扰电压信号是注入试验的关键。考虑到电流注入探头在200～400 MHz内，其阻抗变化很小，而试验所用功率放大器在输出功率小于125 W时工作在线性放大区域，故可认为试验所用干扰电压波形与图6监测到的电流波形基本一致，而只存在物理单位及量纲上的差异，因此，需要确定干扰电压的初始幅值。通常，信号源的输出功率设置为-10 dBm，在输出阻抗为50 Ω的条件下，由下式可知信号源输出的试验用干扰电压的最大初始峰值幅度约为70.8 mV，故可确定干扰电压时 域波形。

在确定了干扰电压时域波形后，需要将其波形数据加载到实际的信号源中，而第一步是将得到的电压波形数据转换成信号源可识别的文件格式。格式转换在专用的主控计算机上进行，并由定制的格式转换软件完成，其转换原理及流程如图8所示。

图8 干扰信号波形数据文件格式转换流程

首先，格式转换软件根据以上所确定的干扰电压时域波形计算出其I/Q数据；其次，软件将I/Q数据转换成二进制文件，并将此二进制文件根据信号源的文件格式约定，添加头文件；最后，按头文件中的参数约定打包二进制数据，产生完整的电压波形文件，并加载到实际的信号源中。

3.2 试验配置

为确保电流钳注入的电流波形与仿真监测波形一致，在试验开始前，需要进行干扰信号的校准测试，校准测试的配置如图9所示。

图9 校准测试配置

选取一段阻抗均匀的线缆作为校准测试的受试线缆，设置功率放大器的增益为50 dB，调节信号源输出功率，使用带电流探头的示波器对受试线缆上感应产生的电流进行监测，当监测到的电流信号的幅值及波形与图6基本一致时，固定此时信号源的输出功率，将此时信号源的输出作为试验所用干扰信号。校准测试中，由示波器监测到的干扰电流波形如图10所示。

图10 校准测试中示波器监测到的干扰电流波形

校准测试结束后，在屏蔽室内进行信号注入干扰试验。采用电流钳将生成的干扰电流注入到控制计算机与伺服控制器间的RS232线缆上，并在伺服控制器RS232接口的RXD端监测接收电压信号波形，其试验配置如图11所示。

3.3 试验结果与分析

将格式转换后的干扰电压文件加载到矢量信号源中，设置信号源重复10次发射，间隔时间1 μs， 同时，控制计算机向伺服控制器下发转台顺时针旋转的命令报文；期间，采用示波器上升沿触发方式测量伺服控制器端RS232接口RXD端口接收电压波形[13]，记录试验现象如表4所示。

注入干扰电流时，示波器监控到伺服控制器端RS232接口RXD端接收电压波形如图12所示。

图11 注入试验配置

表4 试验现象记录

图12 伺服控制器端RS232接口RXD端接收电压波形

从上图可看出，伺服控制器RXD接收端电压波形上产生了一系列（共10个）针状干扰（图中圈中部分），每个干扰间隔时长约为1 μs，干扰电压峰值最大约为12 V，干扰总持续时间大约为10.1 μs。 由于干扰电压峰值大于RS232信号对噪声容限为2V的要求，因此，伺服控制器接收端在对此处信号进行检测时无法识别出正确的电平，导致对控制字符0x6112的解析失败，从而致使顺时针转动的转台停转，同时，控制计算机上的串口通信控制软件同步显示伺服控制器反馈的乱码。另外，从表4中“其它现象”可知，该干扰电流只是使RS232通信出现暂时的中断，干扰消失后，通信随即恢复正常，故从高功率微波对电子设备的毁伤等级划分来看[14]，此时被测设备处于工作信号被短暂干扰状态，其功能和性能未被降级，受高功率微波辐射影响的程度较轻。

将图12与图7进行比较，可看出，针状干扰出现的位置以及RS232信号波形均存在差异，但接收电压波形上被加载的干扰信号的形式、时间顺序、幅值大小等都基本吻合。而差异的原因，主要是由于仿真所设置RS232信号与干扰电流信号是同步的开始工作所造成的，而在试验中，干扰信号是在RS232控制信号的某个上升沿过后加载的。

4 结 语

本文研究了半实物试验环境的构建，采用注入试验代替HPM辐照试验的方法，将数值仿真与注入试验相结合，等效分析了HPM对所构建的基带通信设备的辐照信号干扰。半实物试验结果表明，峰值电场强度在1.8 kV/m以内的超宽带高功率微波还不足以通过线缆辐射耦合的方式，对本文所构建的基带通信设备造成毁坏性的辐射效应，而只是对其正常工作信号产生了干扰，且具有可恢复性。

以上研究表明，在试验场地、辐射源、以及经费等条件有限的情况下，这种基于半实物环境的研究途径是可行的，可为实际工程中研究高功率微波的辐射效应提供一种有效的信号干扰分析方法。