郝曉軍

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003)

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強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)用頻設(shè)備的影響機(jī)理研究

郝曉軍

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003)

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，尤其是當(dāng)強(qiáng)場(chǎng)存在時(shí)，用頻設(shè)備的工作狀況往往會(huì)出現(xiàn)很多意想不到的情況，比如接收機(jī)的靈敏度下降、發(fā)射機(jī)輻射信號(hào)存在其它頻率分量等。通過(guò)深入分析模塊化射頻器件的工作特性和注入式實(shí)物試驗(yàn)，驗(yàn)證了射頻電路中非線性器件工作特性變化是導(dǎo)致用頻設(shè)備工作性能下降的本質(zhì)機(jī)理。通過(guò)改變不同試驗(yàn)條件，研究了互調(diào)發(fā)射、接收機(jī)減敏等現(xiàn)象隨強(qiáng)干擾信號(hào)參數(shù)改變的變化規(guī)律。研究結(jié)果可為強(qiáng)電磁環(huán)境下用頻設(shè)備的合理使用提供借鑒。

強(qiáng)電磁環(huán)境；非線性；交調(diào)；減敏

0 引言

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，用頻設(shè)備往往會(huì)表現(xiàn)出很多在實(shí)驗(yàn)室條件下沒(méi)有的現(xiàn)象，比如接收機(jī)的靈敏度下降，發(fā)射機(jī)輻射出很多設(shè)計(jì)中根本不可能產(chǎn)生的頻率信號(hào)等[1-2]。這些奇怪的工作現(xiàn)象都與工作場(chǎng)地的復(fù)雜電磁環(huán)境密不可分。如果需要對(duì)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)進(jìn)行建模研究，預(yù)測(cè)其在未來(lái)復(fù)雜電磁環(huán)境下的工作特性，那么上述問(wèn)題的機(jī)理研究尤為必要。

在接收機(jī)/發(fā)射機(jī)的整個(gè)射頻鏈路中，信號(hào)放大是整個(gè)鏈路不可缺少的重要環(huán)節(jié)，小信號(hào)放大是接收機(jī)接收射頻信號(hào)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，大功率放大是發(fā)射機(jī)中射頻信號(hào)輻射的最后一個(gè)步驟。為了分析射頻信號(hào)鏈路的接收/發(fā)射特性，就必須對(duì)射頻信號(hào)鏈路的放大器給予足夠的重視。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，放大器的偏置電壓、輸入信號(hào)功率等諸多因素都會(huì)導(dǎo)致放大器工作區(qū)間由線性區(qū)向非線性區(qū)偏移，最終導(dǎo)致有用信號(hào)得不到有效放大，致使信號(hào)接收鏈路信噪比下降，或者由于放大器工作非線性致使接收射頻信號(hào)失真，這些都不是射頻鏈路設(shè)計(jì)工程師所希望見(jiàn)到的，因此研究射頻放大器在強(qiáng)干擾信號(hào)存在時(shí)的工作特性對(duì)于正確理解接收機(jī)/發(fā)射機(jī)在強(qiáng)電磁環(huán)境下的工作特性尤為重要[3-6]。本文基于放大器的工作特性開展研究，著重分析了強(qiáng)干擾信號(hào)存在時(shí)對(duì)射頻放大器的影響，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了上述分析。

1 放大器工作特性

大多數(shù)接收機(jī)中的信號(hào)放大器為固態(tài)器件，在小信號(hào)輸入時(shí)，可以得到有效的放大，但是輸入信號(hào)一旦過(guò)大，超過(guò)額定輸入功率，那么信號(hào)的放大能力就會(huì)受到限制，表現(xiàn)出非線性特征，更有甚者還會(huì)直接燒毀整個(gè)放大器。放大器的工作特性可以表示為：

(1)

其功率放大曲線如圖1所示。當(dāng)輸入信號(hào)的功率過(guò)大時(shí)，就會(huì)使放大器的放大能力受到限制，即出現(xiàn)通常所說(shuō)的放大器增益壓縮效應(yīng)。

圖1 放大器工作特性示意圖

隨著輸入功率的增加，放大器工作于非線性區(qū)，輸出功率不再隨著輸入功率的增大而線性增長(zhǎng)，從而引入一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)：1dB增益壓縮點(diǎn)。通常把增益下降到比線性功率低1dB時(shí)的輸入功率定義為輸入功率1dB壓縮點(diǎn)，把相應(yīng)的輸出功率定義為輸出功率1dB壓縮點(diǎn)。

2 強(qiáng)干擾信號(hào)對(duì)放大器特性影響理論分析

當(dāng)電子器件工作于復(fù)雜電磁環(huán)境中，尤其是工作于強(qiáng)場(chǎng)環(huán)境中時(shí)，放大器對(duì)于輸入有用信號(hào)的放大規(guī)律就會(huì)發(fā)生改變，這里對(duì)有干擾信號(hào)存在情況下，有用信號(hào)饋入放大器后的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

假設(shè)接收機(jī)收到2個(gè)信號(hào)，有用信號(hào)S1(t)=Acos(ω1t)與干擾信號(hào)S2(t)=Bcos(ω2t)，假設(shè)B?A(干擾信號(hào)屬于強(qiáng)信號(hào))，當(dāng)S1與S2同時(shí)饋入放大器，即：

U1=Acos(ω1t)+Bcos(ω2t)

(2)

依據(jù)式(1)放大器的工作模型，計(jì)算可得放大器的輸出。U0可表示為：

(3)

由式(3)可見(jiàn)輸出有用信號(hào)ω1的信號(hào)電壓為：

US1=(AK1+(3A3/4+3/2AB2)K3)cos(ω1t)

(4)

由于K3為負(fù)值，因此ω1信號(hào)的輸出電壓會(huì)被減小，即功率受到壓縮，導(dǎo)致信噪比降低。

上述現(xiàn)象通常被描述為接收機(jī)阻塞。在通信接收機(jī)中，對(duì)應(yīng)的上述現(xiàn)象有時(shí)也稱作臨近信號(hào)干擾或者接收機(jī)交調(diào)(調(diào)幅信號(hào)輸入時(shí))，是用來(lái)描述接收機(jī)受到接近其調(diào)諧頻率的干擾信號(hào)作用下的工作性能降級(jí)[7]；在雷達(dá)接收機(jī)中，對(duì)應(yīng)的上述現(xiàn)象也被稱作接收機(jī)減敏，是用來(lái)描述強(qiáng)干擾信號(hào)造成有用信號(hào)輸出功率的降低，即信噪比的下降。

上述現(xiàn)象是由于接收機(jī)中放大器的非線性所致。物理機(jī)理是大信號(hào)的引入，導(dǎo)致放大器工作于非線性區(qū)，放大倍數(shù)降低，最終導(dǎo)致有用小信號(hào)得不到足夠的放大。相比沒(méi)有強(qiáng)干擾信號(hào)輸入的情況，小信號(hào)的輸出相對(duì)變小。

3 強(qiáng)干擾信號(hào)造成接收機(jī)減敏現(xiàn)象研究

依據(jù)上一節(jié)的分析，當(dāng)雷達(dá)接收機(jī)在其有效工作頻帶外受到強(qiáng)信號(hào)干擾時(shí)，接收機(jī)信噪比會(huì)下降，輸出有用信號(hào)會(huì)失真。這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離縮短，空間目標(biāo)坐標(biāo)判讀錯(cuò)誤。

對(duì)整個(gè)射頻接收鏈路中的核心器件放大器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證：通過(guò)合路器同時(shí)向放大器注入2個(gè)信號(hào)，即有用工作信號(hào)f0和干擾信號(hào)f1，f0頻率為800MHz，工作電平P0為-20dBm。干擾信號(hào)f1的頻率偏差Δf為2MHz，試驗(yàn)布局如圖2所示。

圖2 放大器交調(diào)試驗(yàn)實(shí)物照片

為保護(hù)頻譜儀，放大器輸出端接20dB可調(diào)衰減器，觀察接收機(jī)減敏隨干擾電平P1的變化情況，如圖3所示。

可以看出，當(dāng)干擾信號(hào)f1為小信號(hào)注入放大器時(shí)，放大器工作特性表現(xiàn)為線性，即沒(méi)有其它互調(diào)頻率分量產(chǎn)生，如圖3(a)所示，此刻有用信號(hào)f0的功率顯示為-20.98dBm。隨著干擾信號(hào)P1能量的增強(qiáng)，有用信號(hào)f0輸入條件不變，放大器表現(xiàn)出了非線性現(xiàn)象，互調(diào)分量產(chǎn)生，并伴隨著f0輸出功率的下降(放大器增益受到了壓縮)，如圖3(b)所示，此刻f0輸出功率顯示為-21.28dBm。干擾信號(hào)能量進(jìn)一步增強(qiáng)，如圖3(c)所示，互調(diào)頻率分量進(jìn)一步豐富，有用信號(hào)的輸出功率受到進(jìn)一步壓縮，此刻f0的輸出功率顯示為-24.81dBm。當(dāng)干擾信號(hào)P1注入能量為0dBm時(shí)，接收機(jī)顯示f0的輸出功率為-34.59dBm，如圖3(d)所示，此時(shí)互調(diào)分量減小，究其原因是輸入的強(qiáng)干擾信號(hào)使得放大器工作區(qū)域由線性區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性區(qū)，并使得有用信號(hào)的放大倍數(shù)下降，最終表現(xiàn)為有用信號(hào)輸出功率減小。由于有用信號(hào)能量的減小，導(dǎo)致了互調(diào)頻率分量的減少。當(dāng)干擾信號(hào)的輸入能量增加至8dBm時(shí)，接收機(jī)顯示f0輸出功率為-43.59dBm，如圖3(e)所示，互調(diào)頻率分量進(jìn)一步減少。

圖3 接收機(jī)減敏試驗(yàn)截圖

在沒(méi)有改變f0輸入功率的情況下，僅僅改變干擾信號(hào)功率，從圖3(a)到圖3(e)，有用信號(hào)的輸出功率從-20.98dBm下降到了-43.59dBm，被壓縮了22.61dB。

針對(duì)不同干擾信號(hào)參數(shù)設(shè)置，進(jìn)一步研究信號(hào)放大器的工作特性。這里設(shè)置有用信號(hào)f0=800MHz時(shí)，輸入信號(hào)功率P0為-20dBm，干擾信號(hào)f1的頻率變化范圍為100MHz～2GHz，工作電平P1為-30～8dBm，試驗(yàn)鏈路中為保護(hù)頻譜儀，接入了20dB的可調(diào)衰減器，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 有用信號(hào)輸出功率隨干擾信號(hào)變化試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)分析圖4可以得出，干擾信號(hào)能量越強(qiáng)，有用信號(hào)受到的壓制效果越明顯。干擾信號(hào)距離有用信號(hào)工作頻率越遠(yuǎn)，即頻偏越大，有用信號(hào)受到壓制的效果越弱。

4 強(qiáng)干擾信號(hào)造成發(fā)射機(jī)互調(diào)發(fā)射研究

發(fā)射機(jī)的互調(diào)發(fā)射是由于發(fā)射機(jī)中存在非線性器件所致?？紤]發(fā)射機(jī)后端信號(hào)輻射出去必須經(jīng)過(guò)功率放大器，因此以某射頻發(fā)射前端模塊化電路中的放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)配置如圖5所示。

圖5 互調(diào)發(fā)射試驗(yàn)實(shí)物圖

放大器的輸入信號(hào)頻率f0=1200MHz，功率P0=-5dBm；注入環(huán)行器干擾信號(hào)頻率f1=1210MHz，功率P1=4dBm，信號(hào)輸出端接30dB可調(diào)衰減器后連接頻譜儀，試驗(yàn)數(shù)據(jù)截屏如圖6所示。

圖6 互調(diào)發(fā)射試驗(yàn)截圖(P0=-5dBm，P1=4dBm)

從圖6可以看出整個(gè)射頻電路沒(méi)有信號(hào)互調(diào)分量。出現(xiàn)1210MHz的信號(hào)是由于環(huán)行器2、3端口的隔離度較差所致。此時(shí)Marker1(有用信號(hào)f=1200MHz)輸出功率為-27.67dBm。

抬高有用信號(hào)輸入功率P0=0dBm，Marker1(有用信號(hào))示數(shù)為-23.31dBm，互調(diào)分量出現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 互調(diào)發(fā)射試驗(yàn)截圖(P0=0dBm，P1=4dBm)

繼續(xù)抬高有用信號(hào)輸入功率P0=5dBm，此時(shí)放大器的輸出已經(jīng)不再與輸入保持線性增長(zhǎng)，Marker1(有用信號(hào))示數(shù)為-21.67dBm，且互調(diào)分量明顯，如圖8所示。

圖8 互調(diào)發(fā)射試驗(yàn)截圖(P0=5dBm，P1=4dBm)

如果抬高干擾信號(hào)(f1=1210MHz)輸入電平，則一樣會(huì)增強(qiáng)互調(diào)分量。保持有用信號(hào)f0=1200MHz，輸入功率P0=-5dBm，干擾信號(hào)輸入功率增加至P1=10dBm，頻譜儀測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 互調(diào)發(fā)射試驗(yàn)截圖(P0=-5dBm，P1=10dBm)

從圖9可以看出輸出的互調(diào)分量1190MHz(2×1200-1210)已經(jīng)產(chǎn)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了放大器的非線性工作特性， 尤其分析了在強(qiáng)電磁環(huán)境下，放大器的非線性特性導(dǎo)致的接收機(jī)減敏以及發(fā)射機(jī)的互調(diào)發(fā)射現(xiàn)象，并通過(guò)試驗(yàn)分析了上述特性的變化規(guī)律。通常工程技術(shù)人員僅關(guān)注放大器的輸入信號(hào)電壓，只要保證小于1dB壓縮點(diǎn)的輸入電壓，確保放大器工作于線性區(qū)即可，而忽略了強(qiáng)干擾信號(hào)存在下對(duì)放大器工作特性的影響。本文的研究可為強(qiáng)電磁環(huán)境下放大器的合理使用提供借鑒。■

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Effects mechanism of strong electromagnetic environment to equipment

Hao Xiaojun
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang 471003，Henan，China )

When facing complex electromagnetic environment, especially strong interfering signals existing, the equipment using frequency always show some unexpected characters, such as sensitivity declining, some other frequencies power radiating which should not be exist. By injection test to some electronic devices, nonlinear effects are proved to the mechanism of equipment using frequency working performance descent. The disciplines of working performance descent, such as cross modulation radiation and desensitization, are also researched according to the different strong interfering signals. This research results could support the correct usages of equipment using frequency in strong interfering signal environment.

strong electromagnetic environment；nonlinear；cross modulation；desensitization

2016-05-06；2016-07-15修回。

郝曉軍(1978-)，男，助理研究員，博士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境仿真、效應(yīng)分析。

TN97

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