張廣軍 柳銳鋒 徐常偉 郭 浩

(1.洛陽電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽 471003)(2.華中科技大學(xué) 武漢 430074)

系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測分析與方法研究

張廣軍1,2柳銳鋒1徐常偉1郭 浩1

(1.洛陽電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽 471003)(2.華中科技大學(xué) 武漢 430074)

復(fù)雜電磁環(huán)境下電子信息裝備呈現(xiàn)出用頻設(shè)備多、覆蓋頻帶寬、頻率交錯(cuò)重疊嚴(yán)重的特點(diǎn),極易出現(xiàn)系統(tǒng)之間的電磁互擾,進(jìn)行系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測成為保證系統(tǒng)間不出現(xiàn)頻譜沖突的重要手段。介紹了無線電設(shè)備系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測分析的基本原理,以電磁干擾預(yù)測方程為基礎(chǔ),深入分析了無線電設(shè)備發(fā)射機(jī)的電磁發(fā)射技術(shù)指標(biāo)、接收機(jī)的電磁響應(yīng)技術(shù)指標(biāo)以及天線的技術(shù)指標(biāo)在系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測分析中的應(yīng)用方法。

電磁兼容預(yù)測; 電磁發(fā)射; 電磁響應(yīng)

Class Number O44

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是復(fù)雜電磁環(huán)境下的體系與體系之間的對抗,在戰(zhàn)場上電子信息裝備種類繁多、型號各異、信息化程度高,呈現(xiàn)出用頻設(shè)備多、覆蓋頻帶寬、頻率交錯(cuò)重疊嚴(yán)重的特點(diǎn),極易出現(xiàn)系統(tǒng)之間的電磁互擾,甚至導(dǎo)致通信中斷、雷達(dá)致盲、導(dǎo)彈失控,嚴(yán)重影響體系作戰(zhàn)的整體效能。此類問題主要是已方電子信息裝備無線電設(shè)備之間頻譜不兼容造成的,該電磁環(huán)境稱為系統(tǒng)間電磁兼容環(huán)境,是戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的重要組成部分。解決系統(tǒng)間的電磁兼容性問題,一方面需在裝備研制時(shí)對無線電設(shè)備的電磁兼容指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格控制,另一方面需根據(jù)電子信息裝備的實(shí)際布局和技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)間的電磁兼容性預(yù)測。

本文以無線電設(shè)備系統(tǒng)間電磁干擾預(yù)測方程為基礎(chǔ),討論系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測分析的技術(shù)要素和應(yīng)用方法。

2 系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測原理分析

無線電系統(tǒng)是利用電磁波進(jìn)行工作的系統(tǒng),包括廣播、電視、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等。其基本工作方式是通過向空間發(fā)射有用的電磁波信號并通過空間傳播后再接收這些電磁波信號來工作的。這些電磁波信號對于無線電系統(tǒng)本身是必須的、有用的。但是,它們對不需要這些信號的電子系統(tǒng)或者設(shè)備形成干擾。電磁干擾的形成必須同時(shí)具備以下三個(gè)因素[1]:電磁干擾源,指產(chǎn)生電磁干擾的元件、器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或者自然現(xiàn)象；敏感設(shè)備,指對電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備；耦合通道,指把能量從干擾源耦合(或者傳播)到敏感設(shè)備上,并使該設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)的通路或者媒介。通常將這三個(gè)因素稱為電磁干擾三要素,如圖 1 所示。

圖1 電磁干擾三要素

在系統(tǒng)間電磁兼容性預(yù)測分析中,干擾源是發(fā)射機(jī),敏感設(shè)備是接收機(jī),耦合通道是電磁波從發(fā)射機(jī)發(fā)射后到達(dá)接收機(jī)的通道。發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和耦合通道是系統(tǒng)間電磁兼容性分析的三要素,建立此三個(gè)要素的物理、數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)間電磁兼容性預(yù)測分析的基礎(chǔ)[2]。在系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測分析中,接收機(jī)輸入端的干擾功率與接收機(jī)輸入端敏感度門限之差稱為電磁干擾裕量IM[3]:

IM(f,t,d,p)=PT(fT,t)+GT(fT,t,d,p)

-PS(fR,t)+CF(BT,BR,Δf)

(1)式中,fT為發(fā)射機(jī)電磁發(fā)射頻率,既可能是基波發(fā)射頻率,也可能是諧波發(fā)射或雜散發(fā)射頻率(MHz)；fR為接收機(jī)電磁響應(yīng)頻率,既可能是基波響應(yīng)頻率,也可能是亂真響應(yīng)頻率或等效互調(diào)響應(yīng)頻率(MHz)；d為收發(fā)天線間距離(km)；p為收發(fā)天線間的相對方向；PT為發(fā)射機(jī)在頻率fT時(shí)的發(fā)射功率,該處的電磁發(fā)射既可能是基波發(fā)射,也可能是諧波發(fā)射或雜散發(fā)射(dBm)；GT為發(fā)射天線在頻率fT時(shí),在接收天線方向的增益(dB)；L為收發(fā)天線間在頻率fT時(shí)的傳播損耗(dB)；GR為接收天線在頻率fT時(shí),在發(fā)射天線方向的增益(dB)；PS為接收機(jī)在響應(yīng)頻率為fR時(shí)的敏感門限(dBm)；CF為考慮發(fā)射機(jī)帶寬BT與接收機(jī)帶寬BR以及頻率間隔Δf=|fT-fR|時(shí)的修正系數(shù)(dB)；

若經(jīng)計(jì)算IM≤0,則認(rèn)為發(fā)射機(jī)的電磁發(fā)射對接收機(jī)不構(gòu)成干擾,否則,需進(jìn)一步計(jì)算電磁干擾對接收機(jī)的影響程度,目前,通常用信干噪比作為評估標(biāo)準(zhǔn)。處于同一區(qū)域的無線電接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng),發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳輸函數(shù)包含多種途徑,在進(jìn)行電磁兼容預(yù)測分析中,采用逐對考慮的方式,即每次選一個(gè)接收機(jī)和一個(gè)發(fā)射機(jī)及一種耦合方式,構(gòu)成“發(fā)射-響應(yīng)對”。

3 系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測方法分析

由電磁干擾預(yù)測方程可知,進(jìn)行系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測需考慮發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、傳播途徑等各個(gè)環(huán)節(jié)。

3.1 發(fā)射機(jī)模型

發(fā)射機(jī)的主要功能是產(chǎn)生電磁能量,這種電磁能量在一個(gè)確定的頻帶內(nèi)包含著直接的或間接的信息。除了所需的能量之外,發(fā)射機(jī)還在一些寄生頻率上產(chǎn)生許多不需要的輻射。從頻率上來分,發(fā)射機(jī)產(chǎn)生如下三類發(fā)射:基波發(fā)射、諧波發(fā)射、非諧波發(fā)射。一般而言,基波發(fā)射的是信號組成部分的有用的電磁波。除基波外,其余兩類發(fā)射都是無用的。有用和無用的輻射都會(huì)在接收機(jī)中產(chǎn)生電磁干擾。因此,從電磁兼容的觀點(diǎn)來看,所有的發(fā)射機(jī)都必須作為潛在的干擾源來加以對待。

3.1.1 發(fā)射機(jī)幅度模型

1) 基波發(fā)射幅度

在發(fā)射機(jī)的各項(xiàng)發(fā)射中,由于基波有較高的功率電平,是潛在最嚴(yán)重的干擾源?；òl(fā)射有關(guān)的特性通常由設(shè)備規(guī)格書給出,因而此數(shù)據(jù)容易得到。但是,給定發(fā)射機(jī)型號的各個(gè)設(shè)備其基波功率輸出變化很大,存在由于設(shè)備不同而導(dǎo)致能量輸出不同的較嚴(yán)重情況。因此,發(fā)射機(jī)的基波發(fā)射幅度只能用統(tǒng)計(jì)方法來描述[4]。假定以 dBm表示的基波功率變化是正態(tài)分布的隨機(jī)變量,則此分布由平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差確定。如果沒有現(xiàn)成的具體數(shù)據(jù),其平均值等于發(fā)射機(jī)的額定功率,標(biāo)準(zhǔn)偏差等于2dB。

2) 諧波發(fā)射幅度

諧波發(fā)射原則上為任何無線電發(fā)射設(shè)備所固有,諧波的幅度通常在所有發(fā)射機(jī)輸出當(dāng)中是除了基波以外最大的。據(jù)統(tǒng)計(jì),同一型號不同編號的發(fā)射機(jī)所發(fā)射諧波幅度隨機(jī)差值可以高達(dá)幾十dB,所以限定發(fā)射機(jī)頻譜的確定形狀是不現(xiàn)實(shí)的。為了很好地表示發(fā)射機(jī)諧波輸出必須確定平均發(fā)射電平。通常假設(shè):發(fā)射機(jī)諧波發(fā)射的平均電平隨諧波數(shù)的增加而減少；每個(gè)諧波發(fā)射功率是正態(tài)分布的隨機(jī)變量,標(biāo)準(zhǔn)偏差與諧波次數(shù)無關(guān)。因此,諧波輻射的平均功率為[5]

(2)

3) 非諧波發(fā)射幅度

發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的非諧波信號的功率電平通常低于諧波發(fā)射功率電平。然而,在低于基頻的情況下,非諧波發(fā)射仍有必要考慮,因?yàn)榛l諧波在這一頻段內(nèi)并不存在。低于基頻情況的非諧波發(fā)射的一般模式,可用類似于式(2)的公式來表示。惟一的區(qū)別是把NfoT用一個(gè)連續(xù)變量f來代替,并設(shè)常數(shù)A′和B′,即[6]:

(3)

3.1.2 發(fā)射機(jī)的頻率特性

電磁干擾信號有各種不同的波形,是決定電磁干擾頻譜的主要因素。通過對干擾信號波形的傅立葉分析,得出干擾源的頻譜特性,但是,要得到非周期性波形的連續(xù)頻譜或周期性波形的離散頻譜線,所涉及的解往往較為復(fù)雜。因此,通常利用近似技術(shù),確定關(guān)于非周期性波形的連續(xù)頻譜函數(shù)的上界近似包絡(luò)或關(guān)于周期性波形的離散頻譜線的上界近似包絡(luò),按照電磁干擾能量的頻率分布,確定出干擾源的基波、諧波和非諧波發(fā)射頻譜特性。當(dāng)發(fā)射機(jī)存在調(diào)制發(fā)射信號時(shí),基波的能量分布主要由基帶調(diào)制特性來決定。附加輻射的能量分布形式大致也與基波的頻譜特性相類似或占有較寬的頻帶。能量分布的精確描述是很困難的。因而,對每一種發(fā)射機(jī)來說可利用通用化的頻帶模式,載頻附近的能量分布主要由發(fā)射機(jī)的基帶調(diào)制特性來決定。

1) 基波發(fā)射頻率特性

基波發(fā)射頻率特性的調(diào)制包絡(luò)函數(shù)采用折線擬合法,由分段線性函數(shù)來近似,可表示為

(4)

式中,Δf=|f-foT| 為實(shí)際頻率f與發(fā)射機(jī)基波頻率foT之間的差值；Δfi=fi-foT為第i區(qū)的頻帶；M(Δfi) 為頻帶Δfi邊緣上的帶外輻射功率相對于0dB的下降值；Mi為第i頻帶范圍內(nèi)頻譜包絡(luò)函數(shù)的斜率。

與調(diào)制包絡(luò)有關(guān)的重要參數(shù)之一是發(fā)射機(jī)的標(biāo)稱帶寬即3dB帶寬。發(fā)射機(jī)功率的大部分在此區(qū)內(nèi),此區(qū)外的功率隨頻率間隔增大迅速減小。發(fā)射機(jī)標(biāo)稱帶寬通?？捎砂l(fā)射機(jī)規(guī)格書確定。

2) 諧波發(fā)射頻率特性

通常,發(fā)射機(jī)的所有輸出當(dāng)中,基波的諧波NfoT是除了基波之外電平最高的。假設(shè)與基波諧波相關(guān)的調(diào)制包絡(luò)與描述基波輸出的基帶調(diào)制包絡(luò)有同樣的形狀,所占的帶寬對所有諧波都一樣,等于基波帶寬,即BT(NfoT)=BT(foT)。因此,諧波輻射的頻譜包絡(luò)仍按式(4)計(jì)算,其中Δf=|f-NfoT|。

3) 非諧波發(fā)射頻率特性

某些發(fā)射機(jī)在一些與基波頻率為非諧波關(guān)系的頻率上,有很強(qiáng)的輻射。這種非諧波的寄生輻射,不能在頻率方面有準(zhǔn)確的預(yù)測,只可能了解在距基頻foT有一特定頻率間隔Δf的頻率區(qū)間B中有輻射輸出的概率,這種可能的概率可用下式表示為

(5)

式中,H為取決于發(fā)射機(jī)種類的一個(gè)常數(shù)；B為所考慮的頻帶寬度。

H的幾個(gè)不同值描述整個(gè)頻段上的統(tǒng)計(jì)特性。除非所考慮的接收機(jī)具有相當(dāng)大的帶寬,否則產(chǎn)生干擾的非諧波輸出的概率是小的。因此,在系統(tǒng)間電磁兼容性預(yù)測分析中,在采用多級預(yù)測原理時(shí),在帶寬修正與頻率間隔修正階段中忽略非諧波發(fā)射。

3.2 接收機(jī)模型

電磁干擾預(yù)測方程中PS(fR,t)為接收機(jī)在響應(yīng)頻率為fR時(shí)的敏感度。與電磁兼容相關(guān)的接收機(jī)敏感度指標(biāo)包括靈敏度、亂真響應(yīng)敏感度、互調(diào)響應(yīng)敏感度、中頻響應(yīng)和鏡頻響應(yīng)敏感度等。

3.2.1 接收機(jī)靈敏度

靈敏度是接收機(jī)在規(guī)定的信噪比或信納比條件下的最小可接收調(diào)諧信號電平,當(dāng)發(fā)射機(jī)的基波發(fā)射和雜散發(fā)射落入接收機(jī)帶寬范圍內(nèi)時(shí),以該參數(shù)作為接收機(jī)的敏感度限值,此時(shí)敏感響應(yīng)頻率fR為接收機(jī)的調(diào)諧頻率。

3.2.2 亂真響應(yīng)敏感度

亂真響應(yīng)是接收機(jī)由于其電路或結(jié)構(gòu)上的原因,對接收帶寬以外的信號產(chǎn)生的響應(yīng)。在設(shè)備技術(shù)手冊中,通常只給出亂真響應(yīng)抑制度的技術(shù)指標(biāo),亂真響應(yīng)敏感度是接收機(jī)靈敏度和亂真響應(yīng)抑制度之和。但技術(shù)手冊中沒有給出亂真響應(yīng)的頻率值,此時(shí)利用式(6)進(jìn)行頻率值的估計(jì):

(6)

式中,m為接收機(jī)本振頻率的諧波次數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),m≤2；n為混頻器輸入信號諧波次數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),n≤2；fOSC為一級本振頻率(MHz)；fIF為接收機(jī)一級中頻頻率(MHz)。

要實(shí)現(xiàn)精確的預(yù)測,需通過測試獲取精確的亂真響應(yīng)頻率及相應(yīng)頻率上的敏感度,如果對應(yīng)每個(gè)調(diào)諧工作頻率點(diǎn)的亂真響應(yīng)存在較大的起伏,則需建立以調(diào)諧工作頻率為自變量的函數(shù)模型。

3.2.3 互調(diào)響應(yīng)敏感度

當(dāng)兩個(gè)非調(diào)諧信號由于接收機(jī)的非線性作用而組合出新的干擾信號時(shí),若該干擾信號的頻率落入中頻帶寬內(nèi)時(shí),便構(gòu)成接收機(jī)的互調(diào)干擾響應(yīng)。經(jīng)驗(yàn)表明,2階和3階互調(diào)干擾最為嚴(yán)重,互調(diào)干擾頻率具有以下組合關(guān)系:

2階互調(diào)fR=f1±f2

3階互調(diào)fR=2f1±f2或fR=2f2±f1

2階和3階等效干擾電平由式(7)和式(8)確定[7]:

(7)

(8)

式中,IM2和IM3分別稱為2階互調(diào)系數(shù)和3階互調(diào)系數(shù),可通過實(shí)測建立相應(yīng)的模型。

設(shè)備技術(shù)手冊中給出的是3階互調(diào)抑制度指標(biāo),3階互調(diào)抑制度與3階互調(diào)系數(shù)之間存在式(9)所示的換算關(guān)系[8]:

IM3=-2DIM3-2PR

(9)

式中,DIM3為3階互調(diào)抑制度(dB)；PR為接收機(jī)靈敏度(dBm)。

三階互調(diào)干擾最為嚴(yán)重,且在接收機(jī)調(diào)諧頻率f0附近發(fā)生,若沒有精細(xì)的模型,需在|fj-f0|≤0.2f0范圍內(nèi)考慮三階互調(diào)干擾,其中fj為干擾信號頻率。

3.2.4 中頻響應(yīng)和鏡頻響應(yīng)敏感度

中頻響應(yīng)和鏡頻響應(yīng)是接收機(jī)帶外電磁干擾響應(yīng)中最嚴(yán)重的情況,可通過實(shí)測獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)或建立模型[9]。中頻響應(yīng)和鏡頻響應(yīng)敏感度分別是接收機(jī)靈敏度與中頻響應(yīng)抑制度和鏡頻響應(yīng)抑制度之和。

3.3 天線模型

電磁干擾預(yù)測方程中GT為發(fā)射天線在接收天線方向的增益,GR為接收天線在發(fā)射天線方向的增益。天線的增益、波束寬度、副瓣電平等指標(biāo)是對天線有效工作頻段范圍內(nèi)天線增益方向圖的簡要描述,但是對于發(fā)射天線來說,發(fā)射頻率不只是基波發(fā)射,還存在諧波、雜散和互調(diào)等無意發(fā)射,這些無意發(fā)射大部分處在發(fā)射天線有效工作頻帶之外。接收天線也存在類似情況,接收機(jī)的亂真響應(yīng)頻率、互調(diào)響應(yīng)頻率等也可能處于接收天線有效工作頻段之外。此時(shí),對于天線有效工作頻段之外的頻率,利用相關(guān)技術(shù)手冊中給出的技術(shù)指標(biāo)作為電磁干擾預(yù)測方程的輸入將會(huì)存在一定的誤差,因此,要獲得較高精度的預(yù)測結(jié)果,需在很寬的頻率范圍內(nèi)測量天線的增益方向圖,并建立相應(yīng)的模型。

3.4 頻率修正系數(shù)

電磁干擾預(yù)測方程中CF為頻率修正系數(shù)。該系數(shù)由電磁干擾信號調(diào)制包絡(luò)和接收機(jī)選擇性曲線,以及電磁干擾中心頻率fT與接收機(jī)敏感頻率fR之間的頻率間隔Δf=|fT-fR|來決定。以下是簡易的計(jì)算流程:

1) 首先判斷干擾信號是否調(diào)諧到接收機(jī)工作頻率,根據(jù)以下準(zhǔn)則進(jìn)行判斷:

2) 對于調(diào)諧信號,CF近似為

(10)

對于非調(diào)諧信號,FDR近似為

(11)

根據(jù)以上計(jì)算過程可見,電磁干擾預(yù)測方程需電磁發(fā)射信號的頻譜包絡(luò)和接收機(jī)的中頻選擇性作為輸入,電磁發(fā)射信號的頻譜包絡(luò)由發(fā)射機(jī)電磁發(fā)射信號的調(diào)制方式?jīng)Q定,可通過實(shí)測數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的模型,相關(guān)文獻(xiàn)資料[10～11]提供了某些種類調(diào)制信號的頻譜包絡(luò)模型。接收機(jī)的中頻選擇性優(yōu)先選擇實(shí)測數(shù)據(jù),無實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)可使用技術(shù)手冊中給出的中頻選擇性指標(biāo)。

4 結(jié)語

系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測所需的技術(shù)參數(shù)包括:發(fā)射機(jī)的基波發(fā)射功率、諧波發(fā)射抑制、雜散發(fā)射抑制、互調(diào)發(fā)射抑制、信號帶寬和信號的頻譜包絡(luò)；接收機(jī)的靈敏度、亂真響應(yīng)敏感度、互調(diào)響應(yīng)敏感度、中頻抑制度、鏡頻抑制度、接收機(jī)帶寬、雙信號選擇性；天線的增益、極化和方向圖等。由電磁干擾預(yù)測方程得到的結(jié)論只能夠得到相對于敏感度的干擾裕度,用于判定在發(fā)射機(jī)的電磁干擾下是否能夠在接收機(jī)中產(chǎn)生響應(yīng),若要進(jìn)一步確定干擾程度,還需采用接收機(jī)的噪聲系數(shù)指標(biāo),并計(jì)算有用信號電平。在目前裝備信息化程度越來越高,頻譜沖突越來越嚴(yán)重的形勢下,為保證頻譜的充分利用,進(jìn)行系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測是非常有價(jià)值的。

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Prediction Analysis and Methods on System-level EMC

ZHANG Guangjun1,2LIU Ruifeng1XU Changwei1GUO Hao1

(1. Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003) (2. Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074)

Electronic information equipment under complicated electromagnetic environment present a cover band width and frequency with frequency equipment, the characteristics of crisscross overlap seriously, system between electromagnetic interference appear easily, so system-level EMC prediction become an important means to assure the system not appear spectrum conflict. The basic principle of electromagnetic compatibility prediction analysis of radio equipment system is introduced. On the basis of electromagnetic interference prediction equation, in-depth analysis of the electromagnetic launch technology index of the radio transmitter, a receiver of electromagnetic response between the technical index of the technical indicators and the antenna in the system the application of the electromagnetic compatibility prediction analysis method.

electromagnetic compatibility prediction, electromagnetic emission, electromagnetic response

2016年7月12日,

2016年8月18日

張廣軍,男,工程師,研究方向:雷達(dá)與電磁兼容。柳銳鋒,男,碩士,工程師,研究方向:雷達(dá)與電磁兼容。徐常偉,男,博士,工程師,研究方向:雷達(dá)與電磁兼容。郭浩,男,碩士,工程師,研究方向:雷達(dá)與電磁兼容。

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.036