用頻裝備強場電磁輻射效應等效試驗方法

盧新福, 魏光輝, 潘曉東, 萬浩江, 孫江寧

(陸軍工程大學石家莊校區電磁環境效應重點實驗室, 河北 石家莊 050003)

0 引 言

現代信息化戰爭的制勝關鍵是獲取戰場的制電磁權,除電子對抗等軍事手段外,對敵方雷達、電臺等通信裝備進行無信息型電磁干擾甚至損傷攻擊也是各軍事大國爭相發展的攻擊手段,例如美軍高功率微波武器CHAMP導彈的列裝,是這種攻擊手段的典型應用。在高功率微波武器、超寬帶電磁脈沖武器等的作用下,用頻裝備的正常工作受到極大的威脅,因此事先開展用頻裝備的強場電磁輻射效應測試,摸清裝備的強場電磁環境適應能力,對于用頻裝備在戰場正常發揮作戰性能以及進一步改裝具有重要的意義。用頻裝備是大功率輻射源攻擊的重要對象,檢驗用頻裝備的抗干擾能力十分必要。

然而,傳統電磁輻射效應試驗過于依賴大功率放大器,尤其是按照GJB 1389A要求,電磁輻射試驗需要模擬的電磁環境場強需要進一步提高,對于大型裝備而言,需要在大空間范圍內模擬強場電磁環境,這樣的試驗代價十分高昂甚至難以實現。為此,開展強場電磁輻射效應等效試驗的方法研究已成為強場電磁環境效應評估領域重要的發展方向。電流注入法作為其中一種等效試驗方法,日益受到研究者的重視。目前,用于等效電磁輻射試驗的注入方法主要包括:大電流注入法(bulk current injection, BCI)、直接電流注入法和差模注入法。BCI方法主要用于線纜耦合途徑下等效電磁輻射試驗,但目前研究主要集中于不同線纜類型下BCI與輻射試驗的等效性,針對非線性受試設備(equipment under test,EUT)的強場電磁輻射效應的等效研究還需進一步開展。對于天線和同軸線纜為耦合途徑的電磁輻射效應試驗而言,應采取差模注入法開展等效試驗,該方法已被國軍標GJB 8848—2016采用,然而由于注入監測耦合裝置的影響,現有差模注入方法等效的是輻射試驗時接入耦合裝置的情況,這與應當開展的電磁輻射試驗結果存在差別,需要在原有方法的基礎上進行校準。本文提出了差模等效注入法的校準方法,并將該方法用于通信電臺這一典型用頻裝備的阻塞效應等效試驗中,驗證了校準后的等效注入試驗方法的正確性和工程實用性。

1 差模注入等效試驗校正方法

1.1 差模注入等效強場試驗方法

對于天線系統,在天線和互聯同軸線纜為電磁輻射耦合途徑的情況下,干擾信號通過EUT端口,此時通過等效注入試驗,保證進入EUT端口的干擾信號與輻射時相等,則可實現注入對輻射的等效。天線互聯系統的等效電路如圖1所示,輔助設備A和受試設備B通過同軸線纜互聯,為實現干擾信號的監測和注入,在受試設備端口連接注入監測耦合裝置。

圖1 輻射和注入的試驗配置Fig.1 Experimental setup for radiation and injection

根據戴維南等效的思想,在輻射和注入的無源網絡模型相等的前提下,只要輻射注入時等效源相等,則EUT響應也相等,由于場線耦合過程是線性的,因此輻射場強與輻射等效源、注入電壓與注入等效源間的關系均為線性的,因而,在輻射和注入的無源網絡模型相同的前提條件下,場強和等效注入電壓的關系是線性的,與EUT特性無關。由于注入時需要在受試系統中接入注入監測耦合裝置,因此輻射時也需接入該耦合裝置。

(1)

為避免注入源電壓受到EUT特性影響,應直接使輻射和注入時EUT輸入端口的初始入射波電壓相等,即

(2)

其中上標W和I分別表示輻射和注入時的物理量。在此條件下,由于輻射和注入時線纜兩端設備一致,所以經過多次反射后的入射波電壓同樣可保證相等,即

(3)

(4)

圖2 注入時信號源所需模擬信號Fig.2 Analog signal required by signal source during injection

1.2 校正方法

由于同軸線纜的耦合能力較弱,從EUT端口進入的干擾信號主要是天線耦合的。耦合裝置接入系統的影響主要是改變了主通道的插損和等效線長,這些影響會導致EUT端口左側的等效源電壓和源阻抗發生改變,進而導致EUT響應出現變化。因此,注入試驗等效的其實為線長和主通道插損均增大的輻射情況,其中線長為

′=+

(5)

式中:為原有互聯線纜的長度,為耦合裝置的等效線長,插損為原有互聯線纜插損加上耦合裝置主通道插損。

想要完全校正耦合裝置接入帶來的影響,需要減小輻射時主通道的插損和等效線長。為減小等效線長,可改用長度為-的互聯線纜,保證該線纜加上耦合裝置后的等效線長與原有互聯線纜長度一致。這相當于用耦合裝置替換了一段長度為的線纜,然而,耦合裝置插損一般大于等長線纜插損,所以校正后插損仍存在一定偏差。為減小該誤差,應盡量降低耦合裝置的插損。

然而,在工程試驗中,一般不必進行嚴格校正,應主要從敏感度測試結果的角度進行補償。由于天線本身的響應規律一般不會受到互聯線纜長度的影響,因此耦合裝置接入系統對天線自身的響應特性基本沒有影響,只是天線響應信號在沿線纜傳輸過程中的損耗和時延會增大。耦合裝置的插損主要會導致EUT輸入端口接收的信號幅值減小。因此,通過將有用信號和干擾信號放大,可以抵消耦合裝置插損的影響,信號放大的分貝數應等于耦合裝置主通道插損的分貝數。另外,耦合裝置接入后,信號傳輸時延會有微小增加,而很多情況下EUT效應對此微小時延并不敏感,此時可不必對時延進行補償。因此,在等效注入試驗時應將工作信號和等效干擾信號均提高k倍(耦合裝置主通道插損值),所得結果與不接入耦合裝置的輻射試驗結果等效。

2 通信電臺阻塞效應等效注入試驗驗證

2.1 等效注入試驗方法驗證

選取某型超短波通信電臺作為受試對象,由于試驗選取的頻率范圍是30～88 MHz,因此選用100 kHz～1 GHz頻段的耦合裝置。試驗配置如圖3所示,發射電臺天線和接收電臺天線間距離25 m,干擾天線和接收天線間距離20 m。為模擬正常通信情況,實現接收電臺接收到的工作信號強度與實際情況可比擬,在發射電臺和發射天線之間連接40 dB衰減器。耦合裝置監測端連接頻譜分析儀,輻射時耦合裝置注入端口連接匹配負載,注入時則連接信號源。

為驗證試驗方法的有效性,將干擾信號位于帶內和帶外的兩種情況均進行了試驗。帶內輻射試驗時,由于所需干擾功率較小,所以干擾天線連接額定輸出功率為50 W的功率放大器(AR 50WD1000),而注入試驗時則不需要使用功率放大器。帶外輻射試驗時,由于所需干擾功率較大,因而干擾天線連接額定輸出功率為10 kW的功率放大器(AR 10000LM45),注入試驗時使用50 W功率放大器。

選擇電臺數字通信的誤碼率作為觀察阻塞效應的定量判據。通過試驗驗證,選擇誤碼率達到0.1作為出現阻塞效應的判據,此時臨界干擾場強測試結果的重復性良好。

首先開展電磁輻射試驗,調節干擾功率使起始場強值較小,保證開始試驗時接收電臺基本不受干擾。開展鏈路測試,記錄誤碼率、干擾場強和耦合裝置監測端電壓值。逐漸增大干擾源功率,記錄誤碼率為0.1時的場強值,該值即為臨界干擾場強。需要注意的是,當誤碼率達到0.1附近時,誤碼率隨場強變化十分敏感,為找到誤碼率為0.1時對應的場強,應將場強調節的步長減小。需要注意的是,為保證測試結果的準確性,上述試驗應反復開展幾次,獲取臨界干擾場強的平均值。

圖3 電臺為受試對象時差模注入等效連續波強場輻射的試驗配置Fig.3 Test setup for differential-mode injection equivalent continuous wave intensity field radiation with communication station under test

當干擾頻率位于帶內時,對應的臨界干擾場強值很小,由于場強計的精度限制,無法直接測試得到此時的場強值。為解決這一問題,采取線性外推方法。試驗時首先進行場強標定,在場強計能夠準確監測的前提下獲取場強E和干擾天線輸入功率開方值的比例關系,即

(6)

由天線的線性性質可知,比例關系在高低場強條件下保持不變,低場強輻射試驗時直接監測干擾天線的輸入功率,進而根據式(6)可計算出相應的場強值。

其次開展等效差模注入試驗。根據輻射試驗測試數據,在電臺誤碼率為0的情況下,由監測端電壓值確定場強和注入電壓的等效關系。之后增大注入源功率,記錄誤碼率為01時對應的注入電壓值。根據得到的場強和注入電壓的等效關系,計算出等效的臨界干擾場強值,與輻射試驗結果進行比較。

選取不同的工作頻率和干擾頻率開展上述試驗,得到工作頻率分別為和時輻射和注入的臨界干擾場強曲線如圖4所示。由圖4可知,干擾頻率離工作頻率越近,對應的臨界干擾場強越小,這是因為干擾信號此時更容易通過通信電臺前端電路的濾波器。輻射和注入結果表現出了良好的等效性,為定量比較,計算了對應數據間的誤差,如圖5所示。圖5中的最大誤差為-07 dB(對應百分比誤差為77%),從工程試驗的角度而言,這一結果說明提出的差模注入等效連續波強場電磁輻射效應試驗方法有著較高的準確性。造成上述試驗產生誤差的原因可能包括以下4個方面。

(1) 由于功放本底噪聲和電臺工作信號的影響,測試得到的監測端電壓值可能不準確,影響了場強和注入電壓等效關系的建立;

(2) 試驗通過誤碼率獲取臨界干擾場強值,由于試驗重復性存在一定誤差,在同樣的場強(或注入電壓)下,重復試驗得到的誤碼率可能不完全相同,因而導致最終輻射和注入結果間存在誤差;

(3) 不同的場強(或注入電壓)作用下可能均會出現誤碼率為01的情況,由于場強和注入電壓的調節存在一定步長,導致得到的臨界干擾場強值存在偏差;

(4) 對于部分試驗頻點,當誤碼率在01附近時,誤碼率隨功率變化十分敏感,在試驗確定的步長下,有時可能難以達到誤碼率剛好為01的狀態。

圖4 天線為耦合途徑時輻射和等效注入試驗得到的臨界干擾場強值Fig.4 Critical interference field strength for radiation and equivalent injection test with antenna as main coupling route

圖5 天線為耦合途徑時試驗所得臨界干擾場強值間的誤差Fig.5 Error of critical interference field strength with antenna as main coupling route

進一步計算了圖5中兩組曲線的相關性,得到頻率為和時輻射和注入結果的相關系數分別為0.999 6和0.999 7,說明輻射和注入試驗結果有很好的相關性,進一步證明了試驗方法的準確性。

在上述帶內試驗的基礎上,進一步開展帶外試驗,驗證此時試驗方法的準確性?？紤]到試驗時干擾天線輻射功率的限制,選取偏離工作頻率較近的帶外干擾頻率,得到不同頻率下輻射和注入的(等效)臨界干擾場強如表1所示。

表1 不同頻率下輻射和注入的臨界干擾場強值

嚴格意義上,受試電臺的帶內是偏離工作頻率±30 kHz以內,表1中干擾頻率偏離工作頻率約為1 MHz,此頻偏已明顯位于帶外。上述帶內試驗中部分干擾頻率的頻偏達到100 kHz,其位于帶內和帶外之間的過渡區。由表1知,不同工作頻率和干擾頻率下輻射和注入試驗結果間誤差很小,除其中一種情況的誤差達到-1.31 dB(對應的百分比誤差為14%)外,其余點的誤差模值均小于0.5 dB(對應的百分比誤差為5.93%),證明了本試驗方法對于帶外情況同樣適用。個別頻點誤差相對較大的原因主要是該頻點電臺阻塞效應結果的重復性較差。

需要說明的是,試驗中接收電臺整體置于輻射場中,與實際的工程試驗情況一致。在天線為主要電磁輻射耦合途徑的測試頻段下,可采用這種配置開展差模注入等效輻射效應試驗,結果證明該方法具有較高的準確性和工程實用性。

為使得受試電臺在帶外出現阻塞效應,注入試驗所需電磁波功率遠小于輻射試驗,因而可大大降低試驗費用,而當頻偏進一步增大后,受到功率放大器輸出限制,輻射試驗已無法使得受試電臺出現阻塞效應,而注入試驗仍可以用較小的功率使得受試電臺出現阻塞效應,因而具備了顯著優勢。然而,輻射試驗時受試系統中接入了注入監測耦合裝置,因此注入試驗等效的是該配置下輻射試驗結果,與原本無耦合裝置的輻射試驗結果存在差別,需要對注入試驗結果進行校正。

2.2 校正方法驗證

天線耦合途徑下,線長改變的影響主要是信號傳播的時延出現變化。當耦合裝置接入后,有用信號和干擾信號的傳播時延會有微小的增加,但這一改變對于阻塞效應的敏感度測試結果沒有影響,因此線長的影響可不必校正。此外,耦合裝置接入后會導致主通道插損增大,進一步使得工作信號和干擾信號的衰減增大,如果耦合裝置主通道插損較大,則最終敏感度測試結果也會受到較大影響。因此,應主要討論如何校正耦合裝置插損帶來的影響。

本試驗所用耦合裝置主通道的插損約為=3.8 dB,因此接入耦合裝置后,工作信號和干擾信號傳輸到接收電臺輸入端口時的幅值均比沒有耦合裝置時減小約倍。為此,試驗時應將工作信號提高倍,此時接收電臺輸入端口處的工作信號強度與沒有接入耦合裝置時相等。干擾信號在試驗時可不必調整,則得到的臨界干擾場強值比無耦合裝置時高出約倍,因此將接入耦合裝置時的試驗結果降低倍,就可獲得無耦合裝置時的臨界干擾場強值。

為證明上述分析的正確性,按照圖3所示配置分別開展有無耦合裝置的輻射試驗。接入耦合裝置時將發射電臺工作信號強度相對于無耦合裝置時提高3.8 dB,實現的方法是將發射電臺和發射天線間衰減器衰減倍數由40 dB調整為36.2 dB。在其他條件不變的情況下,得到兩種情況下的臨界干擾場強如圖6所示。由圖6可知,兩種情況下曲線形狀基本一致,只是各數據點間存在一定的差值,計算得到該差值的大小如表2所示。可以看出,兩種情況的差值均接近3.8 dB,各頻點的最大誤差不超過0.78 dB(對應的百分比誤差為9.4%),證明上面提出的校正方法是正確的。試驗出現誤差的原因主要是個別頻點測試結果的重復性相對較差。需要說明的是,對于設計的應用頻段為600 MHz以上的其他耦合裝置,其主通道插損在大部分頻段小于1 dB,與等長線纜的插損接近,因此其接入后對原系統的影響相對較小,校正時只需進行微調即可。

圖6 天線為耦合途徑時輻射試驗是否接入耦合裝置對應的臨界干擾場強Fig.6 Critical field strength involving coupling device or not with antenna as main coupling route

表2 天線為耦合途徑時不同頻點是否接入耦合裝置所得臨界干擾場強差值ΔE

3 結 論

基于電磁場理論,本文研究了采用線性外推方法開展差模等效注入試驗所需滿足的條件,分析了該方法引起誤差的原因,提出了差模注入等效強場電磁輻射的校正方法,在接收天線為耦合途徑的情況下,實現了注入法與電磁兼容測試標準要求的電磁輻射試驗結果等效。將改進后的差模注入等效試驗方法應用于用頻裝備強場電磁輻射效應等效試驗,以通信電臺為受試對象,將輻射和注入試驗均出現阻塞效應作為判據,驗證了等效注入試驗方法的準確性。針對工作信號和干擾信號同時存在的實際情況,提出了對應的校正方法,所得注入試驗結果與電磁兼容標準規定的電磁輻射試驗結果間誤差小于14 dB,并且所需電磁功率顯著降低,該方法可用于實驗室開展用頻裝備強場電磁環境效應評估試驗,具有工程應用價值。