王雅平，魏光輝，尚在飛, 潘曉東，萬浩江

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 靜電與電磁防護(hù)研究所， 河北,石家莊 050003；2. 陸軍第九綜合訓(xùn)練基地， 河北,張家口 075000； 3.南京軍代局駐煙臺代表室，山東，煙臺 264100)

通信電臺是各作戰(zhàn)單元之間的信息交互樞紐，直接影響著戰(zhàn)爭的進(jìn)程. 在未來戰(zhàn)場環(huán)境中，空間電磁場往往具有域連續(xù)不斷、頻域相互重疊的特點，如何預(yù)測電臺在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力變得十分重要[1-3]. 國軍標(biāo)GJB 151B-2013給出的敏感度測試方法是在單頻干擾下進(jìn)行的[4]，而通信電臺在工作時，往往會受到己方的無意干擾和敵方的有意干擾，直接導(dǎo)致電臺面臨多個頻率干擾同時存在的情況. 因而，對通信電臺進(jìn)行單一頻率的輻射敏感度試驗不能全面反映其在真實戰(zhàn)場環(huán)境中的生存能力，需對其進(jìn)行多個頻率組合干擾下的敏感度試驗. 但在實際操作過程中，對所有的頻率組合進(jìn)行試驗工作量太大，因而考慮替代方法：通過現(xiàn)有的單頻敏感度測試結(jié)果對多個干擾信號同時存在時的干擾效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測. 關(guān)于通信電臺干擾問題，文獻(xiàn)[5-8]中進(jìn)行了大量的研究工作，根據(jù)不同的干擾信號形式，以不同的電臺作為受試對象分析對應(yīng)的效應(yīng)規(guī)律. 其中，李偉等[8-9]對不同類型電臺帶內(nèi)干擾機理進(jìn)行研究，并利用電臺的單頻敏感度建立其雙頻至多頻干擾的預(yù)測模型. 王雅平[10]給出了通信電臺帶外雙頻干擾效應(yīng)預(yù)測模型，通過分析雙頻干擾疊加后的信號形式，引入占空比系數(shù)，在已知通信電臺單頻敏感度的前提下預(yù)測其在雙頻干擾下的生存能力，但該預(yù)測模型在面臨三種及以上干擾信號同時存在的情況，無法從疊加信號包絡(luò)推導(dǎo)出相應(yīng)帶占空比系數(shù)的預(yù)測模型. 而在研究帶外雙頻干擾時已知，導(dǎo)致電臺重啟的干擾主要耦合通道是互連線纜[11]，并且疊加信號峰值的出現(xiàn)頻率與干擾信號的頻率有關(guān)，因此類比于接收機帶內(nèi)干擾效應(yīng)預(yù)測方法[12]，分別給出基于干擾信號峰峰值和有效值相關(guān)的預(yù)測模型.

為了確定重啟效應(yīng)對應(yīng)的敏感類型，提出了調(diào)幅波干擾判別方法，即利用在調(diào)幅深度一定時調(diào)幅波與正弦波之間幅值和能量具有確定的對應(yīng)關(guān)系這一特性，分別利用正弦波和調(diào)幅波進(jìn)行帶外干擾試驗來確定預(yù)測模型. 在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出帶互連線纜這類電臺在帶外強場干擾下出現(xiàn)重啟效應(yīng)的預(yù)測方法. 最后利用某型電臺進(jìn)行帶外多頻干擾試驗，驗證該預(yù)測方法的有效性.

1 帶外多頻干擾預(yù)測方法

1.1 耦合機理與預(yù)測模型

已有試驗表明，短波、超短波電臺在帶外單頻電磁輻射下的效應(yīng)規(guī)律基本一致[7]，當(dāng)場強達(dá)到一定強度時，帶外干擾效應(yīng)表現(xiàn)為電臺重啟，以超短波電臺為例，在最敏感頻點處干擾場強達(dá)到約50 V/m時電臺會重啟，并且敏感頻點與外接線纜長度有關(guān). 如果干擾信號為超寬帶電磁脈沖，脈沖前后沿時間分別為0.4，0.5 ns，脈沖寬度為2.5 ns時，干擾場強達(dá)到150 V/m受試電臺出現(xiàn)重啟效應(yīng). 以上的試驗表明，不同的干擾信號形式均能造成電臺重啟，并且重啟效應(yīng)的主要耦合通道為電臺外部的線纜. 外界干擾信號通過電源與電臺之間的互連線纜耦合入電源端，導(dǎo)致電臺的供電電源輸出電壓下降，不能提供24 V直流穩(wěn)壓. 當(dāng)電源電壓降至18 V以下時，電臺關(guān)閉；當(dāng)干擾解除電源恢復(fù)供電時，電臺能夠自動重啟并正常工作.

根據(jù)線纜耦合規(guī)律，類比接收機帶內(nèi)干擾機理，提出帶外干擾機理的兩種假設(shè)：一種是干擾效應(yīng)與受試設(shè)備所在位置的干擾信號功率相關(guān)；另一種是干擾效應(yīng)與受試設(shè)備所在位置的干擾信號振幅相關(guān). 因而，對于重啟效應(yīng)以上兩種假設(shè)對應(yīng)兩種效應(yīng)預(yù)測模型：一種從能量角度出發(fā)，即干擾信號場強為重啟效應(yīng)主導(dǎo)因素，即受試設(shè)備對干擾信號的有效值敏感. 另一種從信號形式出發(fā)，即干擾信號波峰為重啟效應(yīng)的主導(dǎo)因素，即受試設(shè)備對干擾信號峰峰值敏感. 兩種假設(shè)所對應(yīng)的效應(yīng)模型如下[9].

若受試設(shè)備與干擾信號的有效值相關(guān)，則帶外雙頻預(yù)測模型為

(1)

當(dāng)外界環(huán)境中存在兩種及兩種以上頻率的干擾信號時，式(1)可推廣為

(2)

以上預(yù)測模型中，S1為預(yù)測系數(shù)，單頻干擾下達(dá)到臨界干擾狀態(tài)時的功率為P′i，一般作為先驗知識由試驗測得；當(dāng)兩種及兩種以上的干擾頻率同時作用于受試系統(tǒng)時，各個信號對應(yīng)的功率表示為Pi. 此時，如果S1≥1，則認(rèn)為會出現(xiàn)重啟效應(yīng)，反之不會.

若受試設(shè)備的敏感程度與干擾信號的峰值相關(guān)，則帶外雙頻預(yù)測模型為

(3)

式中S2為預(yù)測系數(shù).

同理，當(dāng)外界環(huán)境中存在兩種及兩種以上頻率的干擾信號時，式(3)可推廣為

(4)

式中：E′i為單頻干擾時的臨界干擾峰值場強；Ei代表存在多個干擾時各個信號的峰值場強. 如果由先驗知識已知單頻干擾下的臨界值，當(dāng)兩種或多種干擾作用于受試設(shè)備時，如果S2≥1，則認(rèn)為會出現(xiàn)重啟效應(yīng)，反之不會.

1.2 敏感類型判斷方法

當(dāng)外界環(huán)境中只存在一種頻率的干擾時，單從效應(yīng)角度無法確定受試設(shè)備是對峰值敏感還是場強敏感. 但如果存在兩種及兩種以上的干擾頻率，由于波形的疊加，峰值出現(xiàn)的頻率發(fā)生改變. 因而當(dāng)外界環(huán)境中存在多個干擾頻率時，就有必要討論受試設(shè)備的敏感類型問題.

由于正弦調(diào)幅波經(jīng)頻譜分析可認(rèn)為是由3個不同頻率的正弦波組成，經(jīng)過調(diào)幅過程的頻譜搬移作用形成了載波和上下邊頻. 當(dāng)調(diào)幅深度一定時，正弦調(diào)幅波與正弦波之間具有固定的幅值和功率對應(yīng)關(guān)系，可以利用這一關(guān)系對敏感類型進(jìn)行判定.

假設(shè)某一正弦波信號：

uc(t)=Uccosωct.

(5)

振幅為Uc，此時對應(yīng)的平均功率為

(6)

對于一調(diào)幅波信號：

uam(t)=(U0+kaUΩcosΩt)cosω0t=

U0(1+macosΩt)cosω0t.

(7)

其載波為

u0(t)=U0cosω0t.

(8)

調(diào)制信號為

uΩ(t)=UΩcosΩt.

(9)

調(diào)幅波的平均輸出功率為

(10)

當(dāng)調(diào)幅波調(diào)制深度在100%時，ma=1；此時，Pav=1.5P0；之后公式推導(dǎo)以及試驗所用調(diào)幅波均為100%調(diào)制[4]. 當(dāng)分別用單頻連續(xù)波和調(diào)幅波對受試設(shè)備進(jìn)行干擾時，以調(diào)幅波的平均功率換算與之對應(yīng)的振幅的有效值和峰峰值：

(11)

(12)

此時，有單頻連續(xù)波和調(diào)幅波的振幅之比為

(13)

若干擾效應(yīng)是與受試設(shè)備所處位置干擾信號的峰峰值相關(guān)，則有：Ac=Aam，即

(14)

根據(jù)以上理論分析，分別以正弦波和調(diào)幅波作為干擾信號對通信電臺進(jìn)行帶外干擾試驗，通過對比兩種干擾信號造成電臺重啟效應(yīng)時的幅度關(guān)系，即可確定受試設(shè)備的敏感類型.

1.3 預(yù)測方法

基于以上理論分析，提出對于帶有互連線纜這一類電臺帶外重啟效應(yīng)的預(yù)測方法如下.

首先，進(jìn)行單頻敏感度測試，確定出敏感頻段，并得到臨界干擾閾值.

然后，確定受試設(shè)備敏感類型. 分別進(jìn)行單頻連續(xù)波和正弦調(diào)幅波進(jìn)行干擾試驗，利用式(13)(14)判定敏感類型.

之后，確定多頻干擾預(yù)測模型. 如果是有效值敏感，則選式(2)所對應(yīng)的預(yù)測模型；如果是峰峰值敏感，則選式(4)作為該效應(yīng)所對應(yīng)的預(yù)測模型.

最后，分析環(huán)境中各干擾頻率的組成，利用確定好的模型計算預(yù)測系數(shù)S的值，如果S≥1，會出現(xiàn)效應(yīng)；反之不會.

為了驗證上述方法的可行性，采用某型超短波通信電臺進(jìn)行進(jìn)行試驗驗證.

從式(2)(4)可以看出，當(dāng)干擾頻率一定時，單頻臨界敏感度為定值，因而分母是固定的常數(shù). 對于雙頻干擾，可以做一條直線在第一象限與坐標(biāo)軸劃定的區(qū)域作為安全區(qū)；對于三頻干擾，則是以一個平面與坐標(biāo)平面劃定安全區(qū). 在安全區(qū)內(nèi)的信號組合不會導(dǎo)致電臺重啟，反之可以.

2 通信電臺帶外干擾試驗

基于以上帶外干擾重啟效應(yīng)預(yù)測方法，在對受試設(shè)備進(jìn)行帶外干擾效應(yīng)預(yù)測時，首先要判定設(shè)備的敏感性類別，即利用調(diào)幅波和連續(xù)波干擾試驗，確定敏感類型；再對受試設(shè)備進(jìn)行多頻敏感度試驗，通過計算預(yù)測系數(shù)S的值，驗證以上預(yù)測方法的正確性.

2.1 試驗配置

試驗以某型超短波通信電臺為受試對象，該電臺以SD2815型開關(guān)電源作為供電電源. 通過預(yù)先試驗得到以下結(jié)論：經(jīng)單頻敏感度試驗知，受試設(shè)備在36～60 MHz頻段和71～100 MHz頻段內(nèi)較為敏感；當(dāng)電臺出現(xiàn)重啟效應(yīng)時，受試設(shè)備的外接電纜是干擾信號的主要耦合通道，且受試設(shè)備的敏感頻點與其外接線纜的長度有關(guān)；電臺接地能夠提高其抗干擾能力，而電臺浮地只會降低其臨界閾值，對敏感規(guī)律以及效應(yīng)規(guī)律沒有影響.

試驗過程中由信號源產(chǎn)生所需的干擾信號，經(jīng)過10 kW功率放大器后注入GTEM室中模擬干擾環(huán)境；受試設(shè)備置于GTEM室內(nèi)并利用視頻監(jiān)視器觀察接收電臺的工作狀態(tài)，受試電臺附近放置場強計，用以讀取附近場強讀數(shù). 由于試驗所采用的10 kW功放的工作頻率上限是100 MHz，為了盡量獲得多個測試頻點，試驗過程中盡量使受試設(shè)備處于敏感狀態(tài)，即：電臺不接地且外接線纜與干擾信號電場方向平行. 試驗配置如圖1所示.

2.2 敏感類型測試

在此試驗配置下進(jìn)行敏感類型判別測試，采用81160A型任意波形發(fā)生器提供試驗所需的正弦波和調(diào)幅波信號，調(diào)幅波載波頻率與同組的單頻連續(xù)波相同，調(diào)制頻率均選用1 kHz正弦波，調(diào)制深度為100%. 在2.1節(jié)所述的兩個敏感頻段內(nèi)取相應(yīng)的頻點進(jìn)行單頻連續(xù)波和正弦調(diào)幅波干擾試驗. 試驗結(jié)果見表1.

表1 正弦波和調(diào)幅波干擾試驗結(jié)果Tab.1 Test results of interference tests using sinusoidal wave and amplitude modulated wave.

2.3 帶外雙頻干擾試驗

在確定受試設(shè)備的敏感類型之后，進(jìn)行帶外雙頻的干擾試驗. 在圖1試驗配置圖的基礎(chǔ)上，采用兩臺AML01型號的信號發(fā)生器，分別產(chǎn)生兩種不同頻率的正弦波信號，經(jīng)過功率合成后進(jìn)入10 kW功放中進(jìn)行放大，再注入GTEM室中進(jìn)行干擾試驗.

在之前試驗結(jié)果確定的敏感頻段內(nèi)，選擇兩組試驗頻點，第一組為40,49 MHz，第二組為59,60 MHz，首先進(jìn)行單頻敏感度測試，試驗結(jié)果如表2.

表2 單頻敏感度測試結(jié)果Tab.2 Test result of single frequency sensitivity

經(jīng)過單頻干擾測試之后，在兩個干擾頻點臨界干擾閾值的基礎(chǔ)上下降6 dB進(jìn)行雙頻干擾試驗，試驗過程中保持一個頻點的輸出功率不變，通過變化另一頻點的輸出功率使受試設(shè)備達(dá)到臨界干擾狀態(tài)，分別記錄下此時兩個頻點對應(yīng)的輸出功率以及GTEM室內(nèi)的場強；然后調(diào)整之前保持不變的信號的輸出功率，重復(fù)之前試驗過程，兩組干擾頻點分別得到以下試驗結(jié)果，見表3、表4. 并利用表2中的試驗結(jié)果和式(1)(3)，計算相對應(yīng)的預(yù)測系數(shù)S1，S2.

表3 雙頻干擾時的臨界干擾閾值及預(yù)測系數(shù)(Ⅰ)

表4 雙頻干擾的臨界干擾閾值及預(yù)測系數(shù)(Ⅱ)

由以上試驗結(jié)果可以看出，有效值相關(guān)模型預(yù)測系數(shù)S1的試驗誤差在20%以內(nèi)，而峰峰值相關(guān)模型預(yù)測系數(shù)S2的試驗誤差在20%～50%，說明了電臺帶外干擾出現(xiàn)的重啟效應(yīng)與干擾信號的有效值相關(guān). 進(jìn)一步說明了通過調(diào)幅波試驗確定受試設(shè)備的敏感類型這一方法可行.

將表2～表4中的前向功率單位換算為mW，利用式(2)劃定安全區(qū)域如圖2. 圖中直線與x軸、y軸所夾區(qū)域為安全區(qū)，如果試驗結(jié)果落于該區(qū)域外則會出現(xiàn)重啟. 雙頻干擾試驗結(jié)果繪于圖中(見圓點)，結(jié)果均落于安全區(qū)以外. 為了增加帶外干擾重啟效應(yīng)預(yù)測模型的適用范圍，進(jìn)一步進(jìn)行帶外三頻干擾試驗.

2.4 帶外三頻干擾試驗

選擇同一型號的信號源進(jìn)行三頻干擾試驗，干擾信號經(jīng)過功率合成后輸入功放，經(jīng)功放放大后注入GTEM室中. 依舊選擇兩組試驗頻點，第一組是50、51和86 MHz；第二組是49、85和88 MHz. 首先進(jìn)行單頻干擾敏感度閾值試驗，試驗結(jié)果如表5所示.

表5 單頻敏感度試驗結(jié)果Tab.5 Test result of single frequency sensitivity

在測得單頻敏感度閾值之后，類比雙頻干擾試驗，在3個干擾頻點閾值的基礎(chǔ)上減小12 dB，之后保持兩個頻點的輸出功率不變，變化另一頻點信號源的輸出功率，使受試設(shè)備達(dá)到臨界干擾狀態(tài)，記錄下各頻點對應(yīng)的輸出功率和場強值；之后變化之前保持不變的頻點的輸出功率，重復(fù)上述過程，兩組試驗頻點所得試驗結(jié)果如表6、表7，并利用表5所得單頻敏感度和式(2)(4)計算對應(yīng)的預(yù)測系數(shù).

表6 三頻干擾時的臨界干擾閾值及預(yù)測系數(shù)(Ⅰ)

表7 三頻干擾時的臨界干擾閾值及預(yù)測系數(shù)(Ⅱ)

將表5～表7中的前向功率單位換算為mW，利用式(2)劃定安全區(qū)域如圖3和圖4. 圖中斜面與3個坐標(biāo)平面所夾區(qū)域為安全區(qū)，如果試驗結(jié)果落于該區(qū)域外則會出現(xiàn)重啟. 三頻干擾試驗結(jié)果繪于圖中(見灰點)，結(jié)果均落于安全區(qū)以外.

由以上試驗結(jié)果可以看出，有效值相關(guān)預(yù)測模型依然適用，S1預(yù)測誤差在23%以內(nèi)，而峰峰值預(yù)測模型系數(shù)S2預(yù)測誤差最高達(dá)到77%，而且通過理論分析可知疊加頻點的個數(shù)越多，誤差越大. 但不論雙頻還是三頻干擾試驗中，有效值預(yù)測模型在臨界干擾狀態(tài)下計算所得預(yù)測結(jié)果多數(shù)大于1，考慮到試驗過程中的誤差不可避免，在實際應(yīng)用過程中仍存在“虛警”的可能. 但對于用頻裝備來說，預(yù)測結(jié)果顯示其未達(dá)到臨界干擾而實際測試已經(jīng)達(dá)到臨界干擾，這種情況在應(yīng)用過程中不希望出現(xiàn)，因而該效應(yīng)預(yù)測模型具有一定的應(yīng)用價值.

3 結(jié) 論

針對電臺在帶外強場干擾下出現(xiàn)的重啟效應(yīng)，類比電臺帶內(nèi)干擾的效應(yīng)機理，從能量和波形的角度分別對應(yīng)著不同的效應(yīng)模型. 為了確定受試設(shè)備的敏感類型，提出利用正弦連續(xù)波和正弦調(diào)幅波分別進(jìn)行干擾試驗，利用這兩種干擾信號幅值和功率之間的聯(lián)系，確定敏感類型并選擇需要的預(yù)測模型. 利用預(yù)測模型結(jié)合單頻敏感度試驗結(jié)果可以確定受試對象的安全區(qū)，并能夠計算預(yù)測系數(shù)S的值. 試驗所用電臺經(jīng)正弦波和調(diào)幅波干擾的試驗結(jié)果，峰峰值的比值在0.61左右，表明電臺帶外重啟效應(yīng)與干擾信號的有效值相關(guān)；之后進(jìn)行帶外雙頻和三頻試驗，試驗結(jié)果預(yù)測系數(shù)S1更接近于1，預(yù)測誤差在23%以內(nèi)，而預(yù)測系數(shù)S2的最大誤差在50%～70%，且疊加的干擾頻點越多誤差越大. 試驗結(jié)果進(jìn)一步說明了帶外干擾的敏感類型及敏感類型確定方法的有效性. 但是，由于此類重啟效應(yīng)是由于干擾通過電臺間的互連線纜耦合到受試設(shè)備內(nèi)部引起的，如果對于單兵背負(fù)式電臺或者自帶電池供電的用品設(shè)備是否適用還有待進(jìn)一步研究.