電磁兼容預測分析在試驗中的應用

王全升

(91550部隊 大連 116023)

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電磁兼容預測分析在試驗中的應用

王全升

(91550部隊 大連 116023)

論文分析在復雜的電磁環(huán)境下開展試驗面臨的電磁兼容問題。研究了發(fā)射場電磁兼容預測分析的理論方法,給出了干擾預測的數(shù)學模型,可以在試驗設計、故障診斷、EMC加固方面得到應用。

電磁兼容; 預測; 干擾; 加固

Class Number TN03

1 引言

靶場進行武器系統(tǒng)試驗,測量裝備的安全可靠運轉是必要條件。這些測量裝備自成系統(tǒng),相對獨立,是靶場試驗獲取試驗數(shù)據(jù)的保證,由于艦艇平臺本身和飛行航區(qū)的復雜電磁環(huán)境,獨立于武器系統(tǒng)之外的測量裝備雖然已經過電磁兼容試驗,卻使得試驗條件不能與裝備設計初衷一致,會給試驗方案的設計以及故障的分析排查帶來很多困難。因此在試驗開展前及開展過程中進行電磁兼容預測分析是很有必要的,可以在下述方面發(fā)揮作用:

1) 根據(jù)飛行器接收指令、搜尋目標時的工作特性,有助于分析飛行器內部敏感度兼容性,以及與外界電磁環(huán)境的兼容性。

2) 對飛行器、艦艇平臺、測控站點聯(lián)試中出現(xiàn)的干擾問題進行分析,為所涉及到的故障排查提供數(shù)據(jù)支撐。

3) 根據(jù)發(fā)射航區(qū)內、外的電磁場分布,摸清背景電磁環(huán)境及應用電磁環(huán)境,可以優(yōu)化測控系統(tǒng)站點以及站點內部設備布局。

4) 若有干擾問題產生,可以分析產生干擾的根源,從而采取必要措施進行調整防護。

靶場電磁兼容性預測,涉及所有無線電發(fā)射和接收設備,隨著航區(qū)的不斷擴展,試驗調動兵力的增多,試驗子系統(tǒng)越趨復雜。大量無線設備的應用以及武器平臺本身的尋的、指揮設備構成高密度的電磁環(huán)境。進行預測時忽略電磁環(huán)境的密度,從干擾源,傳輸途徑和敏感設備的電磁干擾三要素著手,建立合理的數(shù)學模型。

干擾預測模型涉及兩類數(shù)據(jù)。第一類是設備標稱的特性數(shù)據(jù),如發(fā)射設備的工作帶寬、基波和雜波發(fā)射功率;接收設備的工作帶寬、靈敏度和雜波響應;設備本身天線增益、傳輸極化形式和波束寬度;設備的工作頻率;設備工作時天線的方向等。第二類數(shù)據(jù)是干擾發(fā)射功率的大小、方向,調制特性,干擾距離,傳輸軟件和干擾時間等干擾特性參數(shù)。

2 系統(tǒng)干擾信號分析

靶場測控系統(tǒng)設備眾多,包括連續(xù)波雷達、脈沖雷達和測速雷達,需要主站、副站多臺雷達配合才能獲取彈道參數(shù),還有完成目標特性測量的相控陣雷達等設備,覆蓋多個頻段。干擾信號為非正弦周期函數(shù),可用多個正弦函數(shù)表示,與頻率成整數(shù)倍關系:

(1)

滿足狄里克利條件的周期信號,可以描述為

時域:

(2)

頻域:

(3)

如果An是與頻率特性相關的周期信號函數(shù),那么其譜線將是離散的。當T→∞時,nω=ω,有:

(4)

3 系統(tǒng)間電磁干擾分析

試驗實施時測控系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)及各子系統(tǒng)多且復雜,各頻段電磁信號密集交迭,用背景信號強度變化不均,頻譜占用度不同,電磁信號密度、類型與樣式多變。系統(tǒng)間的電磁干擾分析只能進行概要分析,可以采用幅度篩選。為達到預測目的,必須考慮干擾時天線、饋線的固有頻率特性,然后對天線方向圖和設備的頻率特性進行簡化,分類后制定約束條件。通過實際應用可知,無線傳送設備的主要工作在波長很短的微波頻段,這就要求進行空間傅立葉變換的精度提高。基于電磁兼容性原理,系統(tǒng)間干擾包括輻射干擾和傳導干擾,起到主要作用的是輻射干擾,干擾系統(tǒng)方程可采用對數(shù)表示法,與單程二次雷達計算公式相類似,公式如下:

(5)

實際運算考慮饋線損耗,把最后一項與Ls合并可得:

(6)

其中,1/N為噪聲干擾比,Gt為發(fā)射天線增益函數(shù),Gr為發(fā)射天線增益函數(shù),L0為饋線損耗(單位均為dB);Pt為發(fā)射機功率譜函數(shù),Pr為接收機響應譜函數(shù)(單位均為dBm);R為干擾對的相互距離(單位m);f0為干擾對基波頻率(單位MHz)。

具體應用中考慮通過某一空中反射目標產生的相互干擾,式(6)可轉化為

-20lgf0+10lgSr+15.8

(7)

式中,R1為發(fā)射天線到反射目標的距離,R2分別為接收天線到反射目標的距離(單位:m);Sr為雙基地目標散射目標截面積(單位為:m2)。

3.1 發(fā)射機因素分析

分析發(fā)射機的工作原理,如今的發(fā)射管依靠主振放大式高功率輸出,那么其諧波、雜波量要比以往振蕩管直接輸出小。功率譜函數(shù)數(shù)學模型需要分別考慮雜波和諧波功率譜數(shù)學模型并且進行統(tǒng)一綜合。

1) 雜波功率譜函數(shù)數(shù)學模型

可采用類似諧波數(shù)學模型公式

(8)

式中,f為雜波頻率,f0為發(fā)射機工作頻率(單位MHz);A′,B′為系數(shù),A′=A=-60dB,B′=B=-50dB;

2) 諧波功率譜函數(shù)數(shù)學模型

Pt=P0+AlgN+B

(9)

式中,P0(單位:dBm)是發(fā)射機額定輸出功率;N為諧波次數(shù),N≥2;A,B為系數(shù),A=-60dB,B=-50dB;

對雜波和諧波的功率譜數(shù)學模型進行綜合后通用表示為

(10)

發(fā)射機頻譜帶寬對于脈沖調制為20/τ,線性調頻脈沖為20d/τ,式中τ為調制脈沖寬度,d為脈沖壓縮比。f/f0的取值范圍為0.1～10,超過該范圍采用Pt=Pt0-110,表征含義為帶外雜波抑制最大達110dB。

發(fā)射機功率譜函數(shù)是寬頻帶噪聲及離散輻射的合成結果,其中包含了基波信號及其諧波、主振頻率及其諧波、噪聲、非諧波信號等。

3.2 接收機因素分析

所有通信設備易感裝置都可視為接收機,一般由高頻接收機,一、二次混頻,中頻接收機組成。對于單次混頻超外差接收機,能產生亂真(雜波)響應的頻率為

(11)

式中,p為本振諧波數(shù);q為干擾信號諧波數(shù);fL0為本振信號頻率;fLF為中頻放大器頻率。一般取q=1,所以亂真響應

fLP=|pfL0±fLF|

(12)

與發(fā)射機一樣,接收機的亂真響應靈敏度為

(13)

3.3 天線增益分析

測控、測量設備及武器平臺的射頻設備天線一般分為面型天線和線型天線,這兩種天線有天線增益與有效面積成正比而且增益與頻率有關的共同點。線型天線有諧振特性,在頻率為0.5GHz～1.5GHz范圍內經常使用折合振子為八木振子的線型天線。面型和線型兩種天線其增益與頻率增益的基本公式表達為

(14)

高增益天線頻率引起的增益變化遠比理論小,是由于型面誤差引起相位和饋源方向圖口徑分布函數(shù)變化的因素,此時用對數(shù)表示,頻率的比值平方關系變?yōu)橐淮畏?

(15)

式中,G0為標稱增益(單位為dB);f0為標稱增益對應的頻率,f為預測頻率(單位為MHz)。

3.4 距離的計算

靶場試驗組織復雜,單次出動各類艦船幾十艘甚至上百艘甚為常見。隨著受試產品的性能提高,試驗航區(qū)的不斷拓展,飛機、衛(wèi)星不斷成為參試元素,合作試驗屢見不鮮,設備互擾日趨嚴重。航區(qū)內預測分析可以采用直角坐標系進行運算,實際取經緯度的精度為0.1(對距離的精度要求不高)即可,顯而易見,兩測量點間的距離為

R=[(dδΔδ)2+(dλΔλ)2+(Δh)2]1/2

(16)

式中,Δλ為經度,Δδ為緯度,單位分(′);Δh為高程(單位m)。

計算經緯度每分的距離,以R為地球半徑(單位m),β為測量點所處的緯度。

緯度每分的距離

(17)

經度每分的距離

dλ=dδcosβ

(18)

4 干擾性能分析

實際應用中更加關注性能預測。I/N為干擾噪聲比,是把系統(tǒng)內部噪聲作為一個閾值,所有外來干擾信號與此閥值進行比較,作為干擾量的度量。此法可以直觀的顯示出干擾對設備的影響程度,因為易感設備數(shù)量較多,閥值不同,實際應用中根據(jù)各設備的調制方式采用不同的信噪比、門限電平。干擾信號在空域上縱橫交錯、在時域上持續(xù)不斷、在頻域上密集重疊、在效能上隨機多變。干擾、噪聲和信號之間有以下關系:

I/N=S/N-S/I

(19)

式中S/N為信號噪聲比,S/I為信號干擾比。

5 結語

武器裝備的信息化程度越來越高,同時試驗方式、試驗手段也在不斷發(fā)展,不斷增強的電子對抗也將成為試驗的常態(tài)。日益復雜的電磁環(huán)境,需要我們在電磁防護方面深入研究。在概要分析不能滿足實際應用時可以進行詳細預測分析,采用頻率篩選,即對發(fā)射機頻譜結構和接收機選擇性的頻率響應給予分析,通過進一步對頻率特性分析、互調制、交叉調制分析和天線近場分析等手段得出預測結果。確保試驗子系統(tǒng)的各種電子設備正常工作以及測試數(shù)據(jù)、指令的安全保密將是組織試驗成敗的重要環(huán)節(jié)。

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Application of EMC Prediction Analysis in Fly Tests

WANG Quansheng

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

The paper analyzed the EMC(Electro Magnetic Compatibility) of tests in electromagnetic environment. The theory and method to predict the EMC(Electro Magnetic Compatibility) in fly tests are studied and the models for prediction are given. It can be used in test-design, malfunction analysis and EMC reinforce.

electro magnetic compatibility, prediction, interference, reinforce

2015年1月4日,

2015年2月25日 作者簡介:王全升,男,工程師,研究方向:發(fā)射控制。

TN03

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.045