用頻裝備的雙源連續波輻照干擾預測研究*

郭玉冰,魏光輝,趙國梁,潘曉東,盧新福

(解放軍軍械工程學院靜電與電磁防護研究所,石家莊 050003)

用頻裝備的雙源連續波輻照干擾預測研究*

郭玉冰,魏光輝,趙國梁,潘曉東,盧新福

(解放軍軍械工程學院靜電與電磁防護研究所,石家莊 050003)

為研究復雜電磁環境下用頻裝備的電磁輻射效應預測方法,設計了某無線電引信多源電磁輻照干擾試驗方法。試驗研究了某無線電引信雙源連續波輻照干擾效應,得到了引信在不同頻率連續波組合下發火的臨界干擾場強組合。分別以數值分析方法和能量型干擾機理為理論依據,提出了兩種雙源連續波輻照下引信電磁干擾的預測模型。通過兩種預測模型得到的相同頻率下臨界干擾場強組合與試驗數據基本一致,證明了兩種雙源連續波輻照干擾預測方法的有效性。

雙源連續波;電磁干擾;輻照效應;預測;插值法;能量型干擾

0 引言

隨著無線電發射裝備的大量應用,戰場電磁環境日趨惡化,軍用電子裝備的抗電磁干擾性能得到重視。GJB151B—2013給出了部分裝備電磁敏感度電平,提供了裝備電磁敏感度測試方法[1]。四川大學電子信息學院研究發現在特定頻率范圍內,電磁輻射的功率密度達到一定值會導致某通信系統功能失效,并得到了系統失效時干擾電磁輻射的頻率與功率密度的關系[2]。石家莊靜電與電磁防護研究所研究了電磁脈沖作用下單片機集成電路發生死機或重啟故障的靜電放電電壓閾值研究[3]。外國學者對設備在不同形式電磁干擾下的敏感度閾值進行了研究,并得到了一些有益結論[4-6]。但標準中和已有研究大部分是在單頻點輻照下進行的,而實際戰場電磁環境錯綜復雜,引信作為重要的武器裝備單元,在復雜電磁環境下能否發揮效能至關重要。因此文中選取該引信為受試設備,研究了雙源連續波輻照的輻照規律,并重點研究了雙源連續波輻照下引信干擾預測方法。

1 實驗方法及結果分析

1.1 實驗平臺搭建

引信雙源連續波輻照實驗平臺如圖1所示。兩信號源產生不同頻率連續波,經功率合成器合成后由200T1G3A型功率放大器進行功率放大。放大后的信號由雙向耦合器傳到AT4510M2型高增益喇叭天線。功率計主要是用于監測功率放大器的前向輸入功率以及后向反射功率。輻照天線、受試某無線電引信和EMR-200電磁場輻射場強測試儀均置于電磁屏蔽室內,SS4323直流穩壓電源通過屏蔽線為引信供電,使引信處于工作狀態。引信水平放置在實驗臺上,彈體軸線方向與電磁波傳播方向一致,使引信天線極化方向與輻照電場方向平行,以使引信處于對電磁輻照最敏感姿態[7],引信前端距輻照天線1.5 m,數字存儲示波器用于監測引信發火信號。場強計由光纖連接外部計算機顯示系統。

圖1 雙源連續波實驗示意圖

1.2 單源連續波輻照引信實驗

為得到引信發火的干擾閾值,并更直觀說明單頻點輻照實驗的指導意義不強,首先開展了單源連續波輻照實驗。

實驗方法:選取性能良好的引信處于加電工作狀態。選擇若干頻點對引信進行單源連續波輻照。在每個頻點上,由小到大調節信號發生器輸出功率,直到示波器恰好觀察到發火信號,此時引信處場強即為該頻點下引信的發火臨界場強。實驗結果如圖2所示(f0為引信本振頻率)。

圖2 單源連續波干擾實驗結果

實驗結果顯示,單源連續波輻照時,當頻率在引信本振頻率附近時,干擾臨界場強較小,隨著連續波頻率遠離本振頻率,干擾臨界場強逐漸增大。這是由于接近本振頻率的干擾信號更容易通過引信的濾波電路,干擾能量更容易進入高頻電路進而引起檢波管非正常性波動,導致引信意外發火。

1.3 雙源連續波輻照引信實驗

雙源連續波輻照實驗方法:打開信號發生器1到頻率f1,調節信號源輸出功率使輻照場強達到適當值E1,E1小于該頻率下引信發火臨界值。打開信號發生器2到頻率f2,由小到大調節輸出功率,直到恰好觀測到發火信號。關閉信號發生器1,記錄信號發生器2的單獨輻照場強E2。則(E1,E2)為引信在兩連續波輻照下的一對發火場強組合。按一定步長增大信號發生器1單獨輻照的初始場強,重復上述實驗步驟,得到兩連續波的若干組發火場強組合。實驗的4組結果如表1所示,為更加直觀的顯示實驗結果,選取兩組數據如圖3、圖4所示。

表1 雙源連續波輻照下的干擾場強組合

實驗結果顯示,在雙源連續波輻照下,當兩個連續波各自的輻照場強均未達到各自單獨輻照的臨界發火場強時,仍可以使引信發火。實驗結果顯示,引信處于發火臨界狀態時,其場強組合呈現出一個連續波的輻照場強增大,另一個連續波輻照場強減小的規律。

圖3 (f0-70) MHz與(f0-30) MHz輻照場強E1與E2組合

圖4 (f0-40) MHz與(f0+80) MHz輻照場強E1與E2組合

2 干擾預測方法及分析

2.1 牛頓插值法

為研究雙源連續波對裝備電磁干擾的預測,以實驗結果為依據,討論以牛頓插值法[8]預測干擾臨界值。

表1中在(f0-40) MHz和(f0+80) MHz兩連續波場強組合中選取插值點(24.78,44.64)和(34.95,40.16),利用一次牛頓插值法求解當頻率為(f0-40) MHz的連續波場強為29.87 V/m時,頻率為(f0+80) MHz連續波的場強。一次牛頓插值公式為:

N1(x)=f(x0)+f[x0,x1](x-x0)

(1)

將數值代入公式,得N1(29.87)=42.41。

選取插值點(19.89,46.96)和(24.78,44.64)以及(34.95,40.16),利用二次牛頓插值法求解當頻率為(f0-40) MHz的連續波輻照場強為29.87 V/m時,頻率為(f0+80) MHz的連續波場強值。二次牛頓插值公式為:

N2(x)=f(x0)+f[x0,x1](x-x0)+

f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)

(2)

將數值代入公式,得N2(29.87)=43.31。

在實驗結果中,(29.87,42.07)為這兩列連續波的一對發火場強組合。一次牛頓插值法得到的結果與實驗結果相差0.8%,二次牛頓插值結果與實驗結果相差2.9%,預測結果均較好。

表1中在(f0-70) MHz和(f0-30) MHz的兩連續波場強組合中選取插值點(35.03,25.91)和(44.76,23.93),利用一次牛頓插值法求解當頻率為(f0-70) MHz的連續波輻照場強為39.81 V/m時,頻率為(f0-30) MHz的連續波的場強值。則可以得到N1(39.81)=24.94。

選取插值點(35.03,25.91)、(44.76,23.93)和(49.95,21.47),利用二次牛頓插值法求解當頻率為(f0-70) MHz的連續波輻照場強為39.81 V/m時,頻率為(f0-30) MHz的連續波場強值。則可以得到N2(39.81)=25.72。

在實驗結果中,(39.81,25.16)是這兩列連續波的一對發火場強組合,一次牛頓插值法得到的結果與實驗結果差相0.08%,二次牛頓插值結果與實驗結果差相2.7%,預測結果均較好

從無線電引信接收機的非線性特性以及意外發火的機理考慮,在發火場強組合(E1,E2)中,E1與E2并不呈簡單的多項式關系。所選預測點的結果顯示一次牛頓插值法得到的數據結果比二次牛頓插值法精確,具有偶然性。由插值法原理可知,預測結果精度和插值點選擇有關,插值點間隔越小所得計算結果越精確。

2.2 能量干擾預測法

根據能量型干擾的原理,提出了兩種假設,一種假設是無線電引信的意外發火對引信所處位置的場強疊加值更為敏感,另一種假設是無線電引信意外發火對其所處位置的功率密度更為敏感。為此做了推導分析。

假設引信對所處位置的場強疊加值更敏感,即當外界場強達到一定值時,引信高頻電路的某敏感點將達到閾值電壓U0。

(3)

(4)

aE1+bE2=U0

(5)

(E1,E2)是兩連續波同時作用時的一對發火場強組合。將式(3)、式(4)代入式(5),有:

(6)

假設引信對所處位置的功率密度更為敏感,即認為當外界功率密度達到一定值時,引信內部電路某敏感部位將耦合到閾值功率P0,即:

(7)

(8)

當兩連續波同時作用時,有:

(9)

其中c和d是只和連續波頻率有關的功率耦合系數。將式(7)～式(8)代入式(9),得到:

(10)

將實驗得到的數據進行處理,如圖5～圖6所示。

圖5 實驗數據中S1與1的比較

圖6 實驗數據中S2與1的比較

由圖可知,對于4組數據,S1的值均大于1,其中有兩組實驗數據的S2值全部小于1,(f0-60) MHz和(f0-20) MHz實驗組的S2值大于1,(f0-70) MHz和(f0-20) MHz實驗組的S2值有大有小。通過計算可以得出,無論在哪種假設下,對任意一個實驗點,均有

S1≥S2

(11)

這在實驗數據和圖中都是很明確的。

對于兩種假設,在理想情況下,應有:S1=1,S2=1,然而現實情況下,電磁波是由天線、孔縫等多種途徑耦合到內部電路的,各個途徑對電磁波的衰減不同,且存在雙源連續波輻照下電磁場極化方向不同等問題,認為真實情況下應有S1大于1且S2也大于1。因此通過對實驗結果的分析,認為第一種假設,即無線電引信對引信所處位置的場強疊加值更為敏感更為合理。

3 結論

上述兩種某無線電引信雙源連續波輻照干擾預測方法中,牛頓插值法不需要兩連續波各自的干擾臨界場強,但需要提供兩連續波的干擾場強組合。它是一種純粹的針對實驗結果進行的數值處理,它的預測范圍受到干擾場強組合范圍的局限,只能保證在干擾場強組合范圍內有較好精度,因而想要擴大預測范圍,這種方法需要大量實驗結果作依托,且預測結果的精度與插值點的選擇關聯性很大,插值點間隔越小,結果越精確。而能量型干擾預測方法是基于能量型干擾的機理提出的,僅需要提供兩連續波單獨輻照時的干擾臨界場強,不需要提供更多實驗數據。當S1小于1時,可以確定引信不會受到干擾,但當S1大于1時,引信受干擾與否不能確定。

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Prediction for Effects of Two Sine Waves Radiation on Frequency Equiment

GUO Yubing,WEI Guanghui,ZHAO Guoliang,PAN Xiaodong,LU Xinfu

(Institute of Electrostatic and Electromagnetic Protection, Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China)

In order to research the method of forecasting electromagnetic interference on equipment under complex electromagnetic environment, an experimental electromagnetic radiation interference project was designed. In the experiment, a certain radio fuse was chosen as EUT and it showed the evidence of critical interfering magnetic field strength when fuse at different frequencies combination. Based on the experiment results and energy type interference mechanism, two models for predicting EMI effects on fuse were present. It is proved that the two models for predicting EMI effects on fuse are effective, and this is consistent with the experiment.

two sine waves; EMI; radiation effects; forecast; interpolation by proportional parts; energy type interference

2015-04-16基金項目:國家自然科學基金(61372040)資助

郭玉冰(1993-),男,河北邢臺人,碩士研究生,研究方向:電磁環境效應試驗評估。

O441.1

A