王冬 宋頂山 楊飛

摘 要：為客觀評(píng)價(jià)通信裝備的抗電磁干擾能力，從電磁輻射試驗(yàn)裝置構(gòu)建、輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)定、語(yǔ)音干擾效果評(píng)價(jià)方法、干擾檢測(cè)和試驗(yàn)程序等方面，設(shè)計(jì)了通信電臺(tái)電磁輻射效應(yīng)試驗(yàn)方案。通過(guò)典型短波、超短波電臺(tái)超寬帶電磁脈沖和單頻連續(xù)波輻射效應(yīng)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了效應(yīng)試驗(yàn)方案的可行性，確定了超寬帶電磁脈沖輻射時(shí)通信裝備的主要故障模式（顯示異常、語(yǔ)音被壓制、語(yǔ)音中斷、死機(jī)或重啟）和不同故障模式的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)值以及單頻連續(xù)波電磁輻射的效應(yīng)規(guī)律和作用機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：受試短波、超短波電臺(tái)的單頻連續(xù)波電磁輻射干擾敏感帶寬分別為±4 kHz 和±15 kHz 左右，帶內(nèi)臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)在mV/m 的數(shù)量級(jí)，而帶外抗電磁干擾能力約為50 V/m以上。

關(guān)鍵詞：通信;電磁輻射;電磁干擾;超寬帶;連續(xù)波;效應(yīng)機(jī)理

未來(lái)生活及其他各種環(huán)境電磁環(huán)境十分復(fù)雜、惡劣，對(duì)信息化裝備將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通信裝備是C4ISR （command，control， communication， computer， intelligence，surveillance，reconnaissance）系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，更是保證信息暢通的紐帶，對(duì)整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程和結(jié)局起著至關(guān)重要的作用，必將成為電磁武器的攻擊重點(diǎn)。通信裝備如果沒(méi)有足夠的抗電磁干擾能力。就難以進(jìn)行有效的信息傳輸，甚至貽誤戰(zhàn)機(jī)。研究通信裝備電磁輻射效應(yīng)機(jī)理，是提高通信裝備電磁防護(hù)性能的基礎(chǔ)工作，受到了西方軍事強(qiáng)國(guó)的高度重視。

美軍從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始研究軍械裝備的電磁危害問(wèn)題，并逐步將研究?jī)?nèi)涵由“射頻對(duì)軍械的危害”擴(kuò)展到目前的“裝備電磁環(huán)境效應(yīng)”，在概念和研究范圍上不斷更新和發(fā)展。在20 世紀(jì)80 年代初，美軍開(kāi)始系統(tǒng)研究包括主戰(zhàn)坦克、飛機(jī)及電子裝備在內(nèi)的電磁輻射效應(yīng)問(wèn)題，相繼給出了試驗(yàn)程序和評(píng)估方法。與此同時(shí)，開(kāi)始關(guān)注電子元器件的電磁脈沖損傷效應(yīng)，美空軍裝備司令部太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心組織開(kāi)展了砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管（GaAsFETs）和高電子遷移率晶體管（HEMTs）高功率微波損傷閾值的研究工作。但是，受保密因素的影響，有關(guān)具體裝備電磁輻射效應(yīng)規(guī)律與作用機(jī)理方面的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。

我國(guó)自20世紀(jì)80 年代后期開(kāi)始重視電磁兼容性和電磁輻射對(duì)武器裝備的危害問(wèn)題研究，在核電磁脈沖、高功率微波、超寬帶（UWB）電磁脈沖以及連續(xù)波電磁輻射對(duì)武器裝備的效應(yīng)機(jī)理方面進(jìn)行了深入的研究，揭示了典型裝備電磁輻射干擾通道、效應(yīng)機(jī)理和電子器件電磁脈沖損傷規(guī)律，對(duì)提高裝備的電磁防護(hù)性能發(fā)揮了重要作用，但研究工作的系統(tǒng)性還有待加強(qiáng)。本文以典型短波、超短波通信電臺(tái)為受試對(duì)象，系統(tǒng)研究了超寬帶電磁脈沖和單頻連續(xù)波電磁輻射效應(yīng)規(guī)律，揭示了干擾通信電臺(tái)正常工作的電磁輻射能量耦合通道及作用機(jī)理，為通信電臺(tái)電磁防護(hù)加固奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

一、超寬帶電磁脈沖輻射效應(yīng)機(jī)理

超寬帶電磁脈沖覆蓋頻率范圍寬，幾乎覆蓋所有的軍用通信頻段，而且超寬帶電磁脈沖輻射功率大、場(chǎng)強(qiáng)高，能夠通過(guò)多個(gè)通道對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行耦合，形成較強(qiáng)的脈沖電壓與電流，導(dǎo)致通信工作紊亂甚至中斷。從通信裝備的實(shí)際工作特性和電磁干擾信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)看，超寬帶電磁脈沖只能產(chǎn)生離散性的瞬態(tài)干擾，每秒最多只能產(chǎn)生上千個(gè)脈沖，每次持續(xù)時(shí)間<10 ns，不會(huì)嚴(yán)重影響通話質(zhì)量。因此超寬帶電磁脈沖輻射效應(yīng)試驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注硬損傷和死機(jī)等影響通信裝備連續(xù)工作的效應(yīng)與作用規(guī)律;對(duì)重復(fù)頻率較高的超寬帶電磁脈沖輻射，還應(yīng)關(guān)注接收機(jī)被阻塞的問(wèn)題。

（一）超寬帶電磁脈沖輻射效應(yīng)試驗(yàn)方案

由于超寬帶電磁輻射系統(tǒng)輸出功率難以調(diào)節(jié)，需要通過(guò)改變輻射天線與被試通信裝備之間的距離調(diào)節(jié)輻射場(chǎng)強(qiáng)。為保證試驗(yàn)過(guò)程中的人員安全，利用光端機(jī)將聲音及其他需要測(cè)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量;利用攝像頭及監(jiān)視系統(tǒng)觀測(cè)被試通信裝備工作狀態(tài)是否正常。具體試驗(yàn)方案如下：

1）將超寬帶電磁脈沖輻射系統(tǒng)置于開(kāi)闊場(chǎng)內(nèi)，調(diào)整、檢驗(yàn)其工作狀態(tài)參數(shù)，使其正常工作。根據(jù)預(yù)估的輻射場(chǎng)強(qiáng)，將被試通信裝備置于輻射主波束內(nèi)合適的位置。為消除地面發(fā)射對(duì)輻射場(chǎng)的影響，被試通信裝備應(yīng)距離地面0.8 m 以上。

2）將被試通信裝備置于UWB 輻射場(chǎng)中，輔助通信裝備置于超寬帶電磁脈沖輻射源側(cè)面、距離輻面板、電源線等分別朝向UWB 輻射源。

3）將被試通信裝備與輔助電臺(tái)調(diào)整至通話狀態(tài)，被試通信裝備工作于接收機(jī)狀態(tài)，開(kāi)啟超寬帶電磁輻射源，每次輻射時(shí)間為10 s。逐步增大被試通信裝備處場(chǎng)強(qiáng)，通過(guò)攝像頭觀察被試通信裝備顯示面板顯示是否異常，通過(guò)光端機(jī)將被試通信裝備語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)連接屏蔽方艙內(nèi)的接收設(shè)備，觀察通話是否異常。記錄被試通信裝備出現(xiàn)某種異?，F(xiàn)象的最小場(chǎng)強(qiáng)值作為該實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)值。

4）通過(guò)改變被試通信裝備空間位置、電臺(tái)工作頻率、發(fā)射電臺(tái)發(fā)射功率和UWB 輻射源脈沖重復(fù)頻率，研究超寬帶電磁脈沖輻射對(duì)通信裝備的作用規(guī)律。

（二）輻射場(chǎng)強(qiáng)的確定

輻射場(chǎng)強(qiáng)是決定被試設(shè)備能否出現(xiàn)干擾、損傷的關(guān)鍵因素，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試的準(zhǔn)確度對(duì)確定裝備電磁輻射作用規(guī)律影響很大。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)雖然允許采用電場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法測(cè)試輻射場(chǎng)強(qiáng)，但由于金屬物體置入電磁場(chǎng)將導(dǎo)致電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，被試設(shè)備不同部位的電場(chǎng)強(qiáng)度、極化方向相差甚遠(yuǎn)，難以準(zhǔn)確描述空間電磁輻射場(chǎng)的強(qiáng)弱。為此，試驗(yàn)中采用位置替代法測(cè)試選定試驗(yàn)點(diǎn)的UWB 輻射場(chǎng)強(qiáng)，即UWB 輻射場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量與被試通信裝備的輻射效應(yīng)測(cè)試分2 次進(jìn)行，首先將測(cè)試天線置于試驗(yàn)點(diǎn)，測(cè)量該位置的場(chǎng)強(qiáng)，之后移開(kāi)測(cè)試天線，將被試通信裝備放置于選定的試驗(yàn)點(diǎn)，在不改變輻射系統(tǒng)狀態(tài)的條件下進(jìn)行輻射試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)所用的超寬帶電磁脈沖輻射系統(tǒng)集成為1個(gè)整體，采用橫電磁波（transverse electromagnetic wave，TEM）喇叭饋源拋物面發(fā)射天線。由于拋物面反射的聚焦作用，距饋源前端3 m 范圍內(nèi)主波束的電場(chǎng)強(qiáng)度基本不變，遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度與距饋源的距離成反比，中間區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)變化速率低于距離的變化速率。實(shí)測(cè)天線饋源經(jīng)拋物面反射到饋源前端的距離為2.5 m。

（三）故障模式與臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)

為驗(yàn)證試驗(yàn)方案的有效性，選擇典型短波、超短波通信電臺(tái)進(jìn)行了超寬帶電磁輻射效應(yīng)（脈沖前/后沿時(shí)間0.4/0.5 ns、寬度2.5 ns）試驗(yàn)研究。被試短波通信電臺(tái)的超寬帶電磁脈沖輻射效應(yīng)如表1 所示，不同場(chǎng)強(qiáng)輻射下分別出現(xiàn)了顯示屏顯示異常、聲音被壓制、重啟、死機(jī)等效應(yīng)。改變電臺(tái)工作頻率及輔助電臺(tái)發(fā)射功率，對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象、臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有明顯影響。被試超短波電臺(tái)抗超寬帶電磁脈沖輻射干擾能力很強(qiáng)，在160 kV/m 的超寬帶電磁脈沖輻射場(chǎng)作用下，沒(méi)有發(fā)生影響其正常通信的干擾或損傷現(xiàn)象，工作及顯示功能均正常。

二、連續(xù)波電磁輻射效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)估方法

信息化設(shè)備的迅速發(fā)展，導(dǎo)致連續(xù)波電磁輻射信號(hào)普遍存在，強(qiáng)度、頻譜隨機(jī)變化，可通過(guò)帶內(nèi)和帶外耦合作用于用頻裝備，影響其正常工作。連續(xù)波電磁輻射能夠持續(xù)不斷地干擾通信裝備，導(dǎo)致通信中斷。因此研究連續(xù)波電磁輻射效應(yīng)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注阻塞、干擾等影響通話質(zhì)量的效應(yīng)與作用規(guī)律。

（一）連續(xù)波電磁輻射試驗(yàn)裝置

利用射頻或微波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需的單頻、調(diào)幅、調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)相應(yīng)的寬帶功率放大器進(jìn)行功率放大后由雙向耦合器給輻射天線饋電。功率計(jì)經(jīng)雙向耦合器準(zhǔn)確測(cè)量寬帶功率放大器的前向輸出功率和后向反射功率，監(jiān)視試驗(yàn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。被試通信裝備置于輻射天線正前方，試驗(yàn)區(qū)域的輻射強(qiáng)度由光纖場(chǎng)強(qiáng)計(jì)測(cè)量。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出電平或功率放大器的增益倍數(shù)，可以任意調(diào)節(jié)輻射強(qiáng)度，便于研究被試通信裝備的輻射效應(yīng)。

（二）語(yǔ)音干擾效應(yīng)評(píng)價(jià)方法

語(yǔ)音質(zhì)量主要包括3 個(gè)方面的內(nèi)容：清晰度、可懂度和自然度。清晰度是指語(yǔ)音中字、詞的清晰程度;可懂度是指語(yǔ)音中單音的可識(shí)別程度;自然度是衡量語(yǔ)音保真性的標(biāo)準(zhǔn)。語(yǔ)音通信干擾效應(yīng)評(píng)估是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，主要包括主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)2 種方式。主觀評(píng)價(jià)是通過(guò)專家進(jìn)行人工試聽(tīng)，對(duì)干擾作用下的音質(zhì)變化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：可以直接反映收聽(tīng)者的觀點(diǎn)，對(duì)各種性能的降級(jí)因素可做類似評(píng)價(jià)，靈活性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)。關(guān)于干擾等級(jí)的劃分，GJB 4405A–2006 有明確的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

三、效應(yīng)規(guī)律與作用機(jī)理

綜合分析上述試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1.受試短波、超短波電臺(tái)在不同工作頻點(diǎn)的電磁干擾敏感帶寬分別為±4 kHz、±15 kHz 左右，這是由受試電臺(tái)射頻前端濾波器的工作性能決定的。電磁干擾頻率偏離受試電臺(tái)中心工作頻率超過(guò)敏感帶寬后，隨頻率偏離量的增加，臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)急劇增加，頻率偏離分別達(dá)到5 kHz、20 kHz 時(shí)，在50 m 的通信距離上被試電臺(tái)抗電磁干擾能力提高30 dB 以上，受試電臺(tái)抗帶外電磁干擾的能力很強(qiáng)。

2.受試電臺(tái)抗帶內(nèi)電磁干擾能力與其接收信號(hào)強(qiáng)度成正比。在其他條件不變的條件下，電臺(tái)發(fā)射功率越大、通話距離越近，其抗電磁干擾能力越強(qiáng)。由于正常通信情況下，信號(hào)強(qiáng)度與通信距離近似呈反比，因此，可以通過(guò)50 m（遠(yuǎn)場(chǎng)）通信距離下的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)推算其在遠(yuǎn)距離通信時(shí)的抗電磁干擾能力。在5 km 通信距離下，受試超短波電臺(tái)采用小功率、中功率和大功率發(fā)射時(shí)，接收機(jī)的臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)分別大約為2、5 和20 mV/m。

3.受試電臺(tái)在不同工作頻點(diǎn)工作時(shí)，抗帶內(nèi)電磁干擾的能力相差1 倍左右，實(shí)際運(yùn)用時(shí)可根據(jù)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)通過(guò)改變通信頻率提高其抗電磁干擾能力。對(duì)帶內(nèi)電磁干擾，只能通過(guò)跳頻才能達(dá)到抗干擾的目的。