一種移動式強電磁脈沖干擾模擬試驗系統的集成設計研究

趙曉凡，杜曉琳

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一種移動式強電磁脈沖干擾模擬試驗系統的集成設計研究

趙曉凡，杜曉琳

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

目的基于地面平臺系統對雷達脈沖瞬態等強脈沖干擾環境的適應性試驗需求，研究一種移動式強電磁脈沖干擾模擬試驗系統的集成設計方案。方法研究試驗系統的基本組成，對影響試驗系統指標的三個關鍵因素測試距離、發射功率和天線增益進行仿真分析與優化匹配設計。提出工程化的實施方案，并且完成試驗系統的構建集成，對功率、場強等關鍵性指標進行實際測試驗證。結果脈沖功率放大器的功放在各頻點的峰值功率均為300 kW以上。所構建的試驗系統在5，10 m距離的場強分別大于5000，2500 V/m，達到設計指標要求，同時也滿足移動性、照射區域等試驗使用要求。結論該測試平臺全面考慮了信號形式、功放輸出功率、信號駐波反射、系統匹配等條件，確保了高場強環境下場強量值分布、輻照區域大小等技術參數。可以準確量化系統測試的技術參數，明確定義測試條件及執行步驟，大幅提高了測試的一致性、重復性。同時兼顧考慮了進行軍械系統電磁輻射危害(EMRADHAZ)試驗的能力。

強脈沖干擾；移動式；集成設計

軍用車輛由于其機動的特性和靈活的承載能力，決定了其將面對友鄰、敵方各種電磁環境的影響，其中不乏大功率的雷達發射裝備、通信發射基站以及電磁脈沖彈、高能微波武器等惡意的電磁打擊[1]。這些干擾源形成的高場強電磁環境對武器裝備的戰斗力和生命力構成了致命的威脅。其中，雷達瞬態的強脈沖干擾是地面裝備面臨的主要干擾之一[2]。開發研制一種移動式強脈沖干擾模擬試驗系統，對武器平臺進行脈沖峰值電磁輻射效應試驗和考核是最接近現實環境的一種檢驗方式。該試驗系統不僅能夠完成系統外部電磁環境試驗，同時還應具備進行系統級外部電磁環境安全裕度的試驗能力。

1 系統組成

移動式強脈沖干擾模擬試驗系統是一種可控的（輻射頻率、輻射強度、照射時間、照射位置等）外部強電磁干擾環境模擬裝置，可以產生一個很高峰值的脈沖電磁場，對大型平臺系統進行直接和多角度的照射，并且可以根據要求模擬特定電磁環境條件來檢測武器平臺系統的響應，以及該響應對系統工作性能的影響。試驗模擬裝置就是要考核被測系統平臺在不同強度電磁場照射條件下是否能夠正常工作，并評估系統平臺對強電磁場耐受能力的極限值。基于以上要求，該試驗裝置的系統構成如圖1所示。

圖1 移動式強脈沖干擾模擬試驗系統組成

參考GJB 1389A—2005中5.3節“地面系統的外部電磁環境峰值電場與平均值電場環境”要求[3]，根據地面武器裝備重點關注的環境特性，該系統設計集成后要求能夠在800 MHz~1.4 GHz頻率范圍內，距輻射天線口面10 m處，產生峰值的脈沖場強≥2500 V/m，平均值場強≥50 V/m，系統能夠對試驗過程的峰值電場強度等指標進行實時監測，可對測試場地進行標定。

1.1 瞬態強電磁環境模擬功率源

瞬態強電磁環境模擬功率源通過信號發生器產生一個可設定頻率的脈沖調制信號，并通過功率放大器對該信號進行放大，最終產生數百千瓦的脈沖信號輸出。將頻率相連的功率源連接，即可產生連續可調頻率的大功率脈沖信號。脈沖功率放大器主要由高壓電源、調制器及大功率磁控管等部件組成，其中高壓電源設計需考慮紋波對放大器輸出諧波的影響，需采取必要的濾波措施，同時應附加安全放電裝置，避免高壓對操作人員的安全造成威脅。脈沖功率放大器的輸出信號通過環形器、定向耦合器至饋線輸出，可實現對功放的保護及對前向、反向功率的實時監測。瞬態強電磁環境模擬功率源的組成如圖2所示。

圖2 瞬態強電磁環境模擬功率源組成

1.2 脈沖功率及頻率控制調節

脈沖功率控制和調節單元用于對脈沖功率放大器的輸出功率進行控制，其內部裝有可編程程序控制器，通過程序控制實現對脈沖功率放大器的輸出功率控制，以及通風、預熱、高壓通斷、安全保護、故障指示、電流指示和工作時間指示等重要的輔助功能，如圖3所示。

圖3 脈沖功率控制和調節單元組成

信號頻率控制單元（MFCU）用于對脈沖功率放大器的輸出頻率進行控制，內置頻率跟蹤、伺服控制、頻率設置、電源控制等功能模塊，如圖4所示。

圖4 信號頻率控制單元組成

1.3 高功率發射天線陣列系統

高功率發射天線陣列系統將大功率的脈沖信號轉化成空間傳播的電磁場形式，對受試系統進行照射。由于輻射到空間電磁場的分布形式可以是多種多樣，因此可有效地控制電磁場的空間分布形式，以使電磁波在抵達被測體位置時幅度滿足設計要求，是該天線系統的主要功能。天線系統的合理設計，是保證系統滿足指標及操作要求的要素。

首先根據實際發射機輸出功率及傳輸線損耗，按照實際的傳輸距離的電場需要，確定達到標準要求所需要的天線最小增益[4]。進行增益計算時，需考慮天線在整個工作頻段內的工作頻率。其次根據照射斑點的需要，在滿足增益條件的同時，盡量選擇較大的照射斑點。最后根據照射距離的限制，對于工作在近場區域的天線進行近場優化，同時保證天線及天線支架的結構適合于移動及外場環境工作需要。

1.4 強電磁環境基礎數據采集及監視系統

試驗過程中首先對脈沖電磁場的強度和分布進行校準，確定照射區域。強電磁環境基礎數據采集單元可以完成對不同環境電磁場如雷達天線輻射場、高強度脈沖輻射場、通訊天線輻射場及空間電磁環境場的測量及場強檢測，完成對外場和實驗室的電磁場照射區域進行標定或評估。

試驗過程中需要強電磁環境監視單元對受試系統的主要參數進行實時監控。強電磁環境監視單元包括直觀的音視頻傳輸系統，用于監測受試系統的顯示界面及發動機聲音等參數。同時也引入總線信號傳輸模塊、傳感器信號傳輸模塊，用于對受試系統的信號參數進行精確記錄與傳輸。監視單元本身必須有屏蔽加固設計，應能夠耐受強脈沖干擾，信號傳輸應選擇不易受到干擾的光信號，其數量及響應速度等指標應根據受試系統的監控需求來進行配置。

2 系統實現關鍵因素及仿真分析

該試驗系統指標實現的三個關鍵因素是：測試距離、發射功率和天線增益。這三個關鍵因素相互制約和最佳匹配決定系統最終輻射效果。試驗系統的布置如圖5所示。

圖5 試驗布置

2.1 測試距離

測試距離通常和被測體的大小尺寸有關。作為武器系統或平臺（飛機、坦克、大型車輛等），由于其巨大的外形尺寸，測試通常需要在外場進行，且被測體和輻射天線應保持一定的距離，以便于測試操作和降低電磁波反射的影響。同時必須有足夠大的照射區域（3 dB波束照射區域），才能提高試驗效率，達到試驗效果。在同樣峰值場強的要求下，較大的距離就意味著采用更大的發射功率。當然，較遠的測試距離也意味著被測物體更多的部分置于輻射電磁場的主波束之中。

通過仿真得到圖6的結果，假設距天線口面5 m處的電場強度為8000 V/m，10 m處的電場強度約為3000 V/m，電場強度和距離的平方成反比，距離越遠，電場衰減越大。實際的場強會比計算值更大一些，主要是由于在天線近場區域仿真會產生誤差。總的看來，峰值電場強度在距天線口面50 m處已經衰減到很小。從試驗安全角度出發，建議至少保證50 m以上（推薦100 m）的測試距離（天線軸線方向）內不要有人員、敏感電子設備等。由于天線方向性較強，兩側的輻射強度很小，因此兩側的安全距離可以相應減少一些。

圖6 峰值電場強度隨距離的衰減曲線

2.2 發射功率

根據測試條件計算出總發射功率需求，選擇相應功率輸出的放大器。該試驗系統的特殊性就是沒有商業化寬頻帶高峰值功率的放大器可供選擇，必須依照需求進行定制或者選擇實際威脅源。如果選擇實裝的威脅源，就面臨著頻段窄，模式單一，輻射頻率、功率難以調節等問題，且為實現很寬的頻帶而選擇數十臺不同發射功率和工作模式的發射機也是不經濟和難以使用的。因此功率放大器的設計在基礎頻率范圍上采用了擴頻設計技術，同時重點考慮高集成度設計、功率穩定性設計、諧波分量設計及高可靠性設計等關鍵因素。

2.3 天線增益

天線是提高輻射電磁場效果的一種重要手段。在同樣的輻射功率和測試距離的前提下，天線增益的提高對于照射強度的提高是非常明顯的。當天線增益提高后，天線的主波束寬度變窄，即照射斑點減小，就增加了測試的次數。

2.4 三因素的制約性及匹配

由以上分析可以看出，三個因素是互相制約的，集成設計過程中需要兼顧考慮，找到其中的一個最佳配合方案。

首先外場測試的被測體尺寸較大，結構不規整，位置調整（角度變換）一次比較復雜，為保證對被測體照射面積盡可能大，故需要與輻射天線保持一定的距離。其次由于測試距離的增大，同樣的輸入功率產生的場強就會降低，為保證盡可能達到更高的場強，采用優化增益的大尺寸天線就是一種比較理想的選擇。當然，天線的尺寸也不宜過大，過大尺寸會導致波束寬度變窄，即照射斑點過小，且如果測試距離過大，電磁波傳輸距離過長損耗過大，即造成能量的浪費，所以這里把系統的基本測試距離定義為10 m，這樣既可以節省場地又便于試驗人員的操作。

2.5 天線陣列的仿真優化

采用高頻電磁仿真軟件對天線陣列的各主要參數進行了優化仿真（仿真過程略）[5—8]，結果如圖7、圖8所示。

圖7天線陣列的增益、波瓣三維仿真

3 系統集成基本設計方案

外場測試主要應用于體積龐大的武器系統平臺，如主戰坦克、裝甲和通訊車輛、直升機等。此類測試需要在一個環境比較開闊的場地來進行。這樣的測試場可能是在郊外、基地或遠離城市的地方，同時考慮安全性和操作的方便性，要求試驗系統能夠放置在車載的方艙中，便于設備的長距離運輸和現場的實驗開展，相當于一個移動的實驗室。因此從工程實用的角度分析，在系統集成設計過程中需要重點考慮以下因素。

1）產生可控的試驗環境。在系統覆蓋的頻率范圍內，高強度脈沖波射頻電磁干擾環境的模擬實驗裝置能夠產生特定的強輻射電磁環境，其中測試頻點、步進、脈沖功率幅度、測試距離、照射時間等參數都可以根據要求由操作人員進行調整，以模擬實際的電磁環境。通過各種檢測和測量裝置對被檢測系統的響應進行測量和監視，進一步考核和評估該響應對系統工作性能的影響。

2）獨立工作可移動的測試平臺。試驗平臺搭載在車輛底盤的屏蔽測試方艙內，將根據工作頻段需要確定屏蔽方艙的數量。每個測試方艙都是一個獨立的可移動的測試平臺。

3）高度集成化模塊化，獨立進行。每個屏蔽方艙測試平臺內部裝有高功率脈沖發射機，以及相應的控制設備、檢測儀器和監測設備，并且配有操作控制艙。操作人員可以在艙內完成對該頻段的發射機控制、試驗操作、以及被測系統平臺監測的試驗任務，即每個頻段的測試工作由相應的測試平臺完成。

4）屏蔽方艙設計適于外場測試。考慮到試驗主要以外場測試（即露天試驗場）為主，所有的儀器設備都可以放置于方艙內部，便于長途運輸和試驗展開。方艙采用屏蔽設計[9]，降低大功率輻射源產生的電磁場對測試儀器設備的干擾，同時保證了測試和試驗人員的安全，免于遭受有危害的電磁輻射照射[10]。

5）高功率集成輻射天線，照射效果更好。根據測試頻段的不同，每個測試車都配有單獨的經過優化的輻射天線系統。根據工作頻率、發射機輸出功率、測試距離等參數對天線的尺寸和增益進行了優化設計，確保對被測系統照射的效果最佳。

6）可多頻段、多角度同時照射。由于每個測試移動都是一個獨立的工作站，既可以單獨工作，對被測系統平臺進行單頻點多位置照射，又可以幾個測試平臺同時工作，對被測系統進行多頻點、多角度同時照射，模擬戰場復雜的電磁環境[11]，如圖9所示。

圖9 全方位多角度電磁輻照試驗

4 測試結果

4.1 功率放大器輸出功率

通過脈沖功率計對脈沖功率放大器的定向耦合器前向功率輸出值進行測量，根據定向耦合器耦合度的計量值可計算出脈沖功率放大器的輸出峰值功率。經測試所得各頻點的輸出峰值功率如圖10所示，功放在各頻點的峰值功率均為300 kW以上。

4.2 5 m距離輻射電場強度

將脈沖功率放大器設置為額定功率輸出，將峰值場強探頭放置于距離天線口面5 m處，正對天線輻照中心位置，在方艙內通過場強儀讀取各個頻點的峰值場強。經測試所得各頻點的峰值場強如圖11所示，各頻點峰值場強均大于5000 V/m。

4.3 10 m距離輻射電場強度

將脈沖功率放大器設置為額定功率輸出，將峰值場強探頭放置于距離天線口面10 m，正對天線輻照中心位置，在方艙內通過場強儀讀取各個頻點的峰值場強。經測試所得各頻點的峰值場強如圖12所示，各頻點峰值場強均大于2500 V/m。

4.4 輻射照射區域

地面平臺系統級裝備具有體積大、結構復雜等的特點，試驗裝置可產生輻射照射區域的大小是重要指標。通過實際測試，在滿足最大輻射場強≥2500 V/m (Peak)條件下，與天線口面平行面的3 dB波束照射區域（即邊界為能夠達到中心場強的0.707倍的照射區域），在距離10 m距離輻照區域可達1.5 m×1.5 m；在距離15 m處，輻照區域可達2 m×2 m；在距離20 m處，輻照區域可達3 m×3 m，達到設計指標的要求。這些測量數據能夠為試驗距離、位置、場強等參數的選擇提供參考，為實現大型裝備的全面輻照試驗評估奠定基礎。

圖10 脈沖功率放大器輸出峰值功率

圖11 5 m距離處峰值場強測試結果

圖12 10 m距離處峰值場強測試結果

5 結語

文中介紹了一種移動式強脈沖干擾模擬試驗系統的設計方案，可用于在外場進行整車級全方位輻照試驗。該測試平臺全面考慮了信號形式、天線輸出功率、信號駐波反射、系統匹配等條件，確保了高場強環境下功放輸出功率、場強量值分布、輻照區域大小等技術參數。通過對場強與頻率關聯控制技術的研究，可以準確量化系統測試的技術參數，明確定義測試條件及執行步驟，大幅提高了測試的一致性、重復性，有利于大型武器裝備平臺的測試敏感度判定、測試結果評估、整改驗證。同時，該系統兼顧考慮了進行軍械系統電磁輻射危害(EMRADHAZ)試驗的能力，具備了開展電磁輻射對人員的危害(HERP)、電磁輻射對燃油的危害(HERF)、電磁輻射對軍械的危害(HERO)試驗[12—14]、高強度輻射場(HIRF)[15]評估的基礎條件。

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Integration Design Research of a Moveable Intensive Electromagnetic Pulse Interference Simulation Test System

ZHAO Xiao-fan, DU Xiao-lin

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Objective Based on the adaptability test requirement of radar pulse transient interference environment for ground platform system, a moveable intensive electromagnetic pulse interference simulation test system is studied. Methods System basic composition is studied, and the three key indicators affecting test system including test distance, transmit power and antenna gain are simulated and optimal designed. Results The output power of pulse amplifiers are all above 300kW. The field strength of test system is above 5000V/m at 5m distance, 2500V/m at 10m distance. Meanwhile the test system can meet the use requirements of movability and radiation area. Conclusion The signal form, output power of amplifier, VSWR, system match indicators of the test system are fully considered to ensure field strength distribution and radiation area. The technical parameters of the test system and the test conditions including implementation steps are accurately defined, and then the consistency and repeatability of test are greatly improved. At the same time, the test system can also be used in electromagnetic radiation hazard test of the ordnance system (EMRADHAZ).

intensive pulse interference; moveable; integration design

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.010

TJ86

A

1672-9242(2017)04-0045-06

2016-12-31；

2017-01-31

趙曉凡（1963—），女，河北人，研究員, 主要從事車輛電磁兼容研究。