盧新福, 魏光輝, 潘曉東, 萬浩江, 孫江寧

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050003)

0 引 言

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的制勝關(guān)鍵是獲取戰(zhàn)場的制電磁權(quán),除電子對抗等軍事手段外,對敵方雷達(dá)、電臺等通信裝備進(jìn)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(fā)展的攻擊手段,例如美軍高功率微波武器CHAMP導(dǎo)彈的列裝,是這種攻擊手段的典型應(yīng)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(qiáng)場電磁輻射效應(yīng)測試,摸清裝備的強(qiáng)場電磁環(huán)境適應(yīng)能力,對于用頻裝備在戰(zhàn)場正常發(fā)揮作戰(zhàn)性能以及進(jìn)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(yàn)用頻裝備的抗干擾能力十分必要。

然而,傳統(tǒng)電磁輻射效應(yīng)試驗(yàn)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(yàn)需要模擬的電磁環(huán)境場強(qiáng)需要進(jìn)一步提高,對于大型裝備而言,需要在大空間范圍內(nèi)模擬強(qiáng)場電磁環(huán)境,這樣的試驗(yàn)代價(jià)十分高昂甚至難以實(shí)現(xiàn)。為此,開展強(qiáng)場電磁輻射效應(yīng)等效試驗(yàn)的方法研究已成為強(qiáng)場電磁環(huán)境效應(yīng)評估領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。電流注入法作為其中一種等效試驗(yàn)方法,日益受到研究者的重視。目前,用于等效電磁輻射試驗(yàn)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(yàn),但目前研究主要集中于不同線纜類型下BCI與輻射試驗(yàn)的等效性,針對非線性受試設(shè)備(equipment under test,EUT)的強(qiáng)場電磁輻射效應(yīng)的等效研究還需進(jìn)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(yīng)試驗(yàn)而言,應(yīng)采取差模注入法開展等效試驗(yàn),該方法已被國軍標(biāo)GJB 8848—2016采用,然而由于注入監(jiān)測耦合裝置的影響,現(xiàn)有差模注入方法等效的是輻射試驗(yàn)時(shí)接入耦合裝置的情況,這與應(yīng)當(dāng)開展的電磁輻射試驗(yàn)結(jié)果存在差別,需要在原有方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行校準(zhǔn)。本文提出了差模等效注入法的校準(zhǔn)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(yīng)等效試驗(yàn)中,驗(yàn)證了校準(zhǔn)后的等效注入試驗(yàn)方法的正確性和工程實(shí)用性。

1 差模注入等效試驗(yàn)校正方法

1.1 差模注入等效強(qiáng)場試驗(yàn)方法

對于天線系統(tǒng),在天線和互聯(lián)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(shí)通過等效注入試驗(yàn),保證進(jìn)入EUT端口的干擾信號與輻射時(shí)相等,則可實(shí)現(xiàn)注入對輻射的等效。天線互聯(lián)系統(tǒng)的等效電路如圖1所示,輔助設(shè)備A和受試設(shè)備B通過同軸線纜互聯(lián),為實(shí)現(xiàn)干擾信號的監(jiān)測和注入,在受試設(shè)備端口連接注入監(jiān)測耦合裝置。

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

根據(jù)戴維南等效的思想,在輻射和注入的無源網(wǎng)絡(luò)模型相等的前提下,只要輻射注入時(shí)等效源相等,則EUT響應(yīng)也相等,由于場線耦合過程是線性的,因此輻射場強(qiáng)與輻射等效源、注入電壓與注入等效源間的關(guān)系均為線性的,因而,在輻射和注入的無源網(wǎng)絡(luò)模型相同的前提條件下,場強(qiáng)和等效注入電壓的關(guān)系是線性的,與EUT特性無關(guān)。由于注入時(shí)需要在受試系統(tǒng)中接入注入監(jiān)測耦合裝置,因此輻射時(shí)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(yīng)直接使輻射和注入時(shí)EUT輸入端口的初始入射波電壓相等,即

(2)

其中上標(biāo)W和I分別表示輻射和注入時(shí)的物理量。在此條件下,由于輻射和注入時(shí)線纜兩端設(shè)備一致,所以經(jīng)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(shí)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(jìn)入的干擾信號主要是天線耦合的。耦合裝置接入系統(tǒng)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(dǎo)致EUT端口左側(cè)的等效源電壓和源阻抗發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致EUT響應(yīng)出現(xiàn)變化。因此,注入試驗(yàn)等效的其實(shí)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(lián)線纜的長度,為耦合裝置的等效線長,插損為原有互聯(lián)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(shí)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(lián)線纜,保證該線纜加上耦合裝置后的等效線長與原有互聯(lián)線纜長度一致。這相當(dāng)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(yīng)盡量降低耦合裝置的插損。

然而,在工程試驗(yàn)中,一般不必進(jìn)行嚴(yán)格校正,應(yīng)主要從敏感度測試結(jié)果的角度進(jìn)行補(bǔ)償。由于天線本身的響應(yīng)規(guī)律一般不會受到互聯(lián)線纜長度的影響,因此耦合裝置接入系統(tǒng)對天線自身的響應(yīng)特性基本沒有影響,只是天線響應(yīng)信號在沿線纜傳輸過程中的損耗和時(shí)延會增大。耦合裝置的插損主要會導(dǎo)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(shù)應(yīng)等于耦合裝置主通道插損的分貝數(shù)。另外,耦合裝置接入后,信號傳輸時(shí)延會有微小增加,而很多情況下EUT效應(yīng)對此微小時(shí)延并不敏感,此時(shí)可不必對時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償。因此,在等效注入試驗(yàn)時(shí)應(yīng)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(jié)果與不接入耦合裝置的輻射試驗(yàn)結(jié)果等效。

2 通信電臺阻塞效應(yīng)等效注入試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 等效注入試驗(yàn)方法驗(yàn)證

選取某型超短波通信電臺作為受試對象,由于試驗(yàn)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(yàn)配置如圖3所示,發(fā)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(shí)現(xiàn)接收電臺接收到的工作信號強(qiáng)度與實(shí)際情況可比擬,在發(fā)射電臺和發(fā)射天線之間連接40 dB衰減器。耦合裝置監(jiān)測端連接頻譜分析儀,輻射時(shí)耦合裝置注入端口連接匹配負(fù)載,注入時(shí)則連接信號源。

為驗(yàn)證試驗(yàn)方法的有效性,將干擾信號位于帶內(nèi)和帶外的兩種情況均進(jìn)行了試驗(yàn)。帶內(nèi)輻射試驗(yàn)時(shí),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(yàn)時(shí)則不需要使用功率放大器。帶外輻射試驗(yàn)時(shí),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(yàn)時(shí)使用50 W功率放大器。

選擇電臺數(shù)字通信的誤碼率作為觀察阻塞效應(yīng)的定量判據(jù)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證,選擇誤碼率達(dá)到0.1作為出現(xiàn)阻塞效應(yīng)的判據(jù),此時(shí)臨界干擾場強(qiáng)測試結(jié)果的重復(fù)性良好。

首先開展電磁輻射試驗(yàn),調(diào)節(jié)干擾功率使起始場強(qiáng)值較小,保證開始試驗(yàn)時(shí)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(qiáng)和耦合裝置監(jiān)測端電壓值。逐漸增大干擾源功率,記錄誤碼率為0.1時(shí)的場強(qiáng)值,該值即為臨界干擾場強(qiáng)。需要注意的是,當(dāng)誤碼率達(dá)到0.1附近時(shí),誤碼率隨場強(qiáng)變化十分敏感,為找到誤碼率為0.1時(shí)對應(yīng)的場強(qiáng),應(yīng)將場強(qiáng)調(diào)節(jié)的步長減小。需要注意的是,為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性,上述試驗(yàn)應(yīng)反復(fù)開展幾次,獲取臨界干擾場強(qiáng)的平均值。

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

當(dāng)干擾頻率位于帶內(nèi)時(shí),對應(yīng)的臨界干擾場強(qiáng)值很小,由于場強(qiáng)計(jì)的精度限制,無法直接測試得到此時(shí)的場強(qiáng)值。為解決這一問題,采取線性外推方法。試驗(yàn)時(shí)首先進(jìn)行場強(qiáng)標(biāo)定,在場強(qiáng)計(jì)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測的前提下獲取場強(qiáng)E和干擾天線輸入功率開方值的比例關(guān)系,即

(6)

由天線的線性性質(zhì)可知,比例關(guān)系在高低場強(qiáng)條件下保持不變,低場強(qiáng)輻射試驗(yàn)時(shí)直接監(jiān)測干擾天線的輸入功率,進(jìn)而根據(jù)式(6)可計(jì)算出相應(yīng)的場強(qiáng)值。

其次開展等效差模注入試驗(yàn)。根據(jù)輻射試驗(yàn)測試數(shù)據(jù),在電臺誤碼率為0的情況下,由監(jiān)測端電壓值確定場強(qiáng)和注入電壓的等效關(guān)系。之后增大注入源功率,記錄誤碼率為01時(shí)對應(yīng)的注入電壓值。根據(jù)得到的場強(qiáng)和注入電壓的等效關(guān)系,計(jì)算出等效的臨界干擾場強(qiáng)值,與輻射試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

選取不同的工作頻率和干擾頻率開展上述試驗(yàn),得到工作頻率分別為和時(shí)輻射和注入的臨界干擾場強(qiáng)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(yīng)的臨界干擾場強(qiáng)越小,這是因?yàn)楦蓴_信號此時(shí)更容易通過通信電臺前端電路的濾波器。輻射和注入結(jié)果表現(xiàn)出了良好的等效性,為定量比較,計(jì)算了對應(yīng)數(shù)據(jù)間的誤差,如圖5所示。圖5中的最大誤差為-07 dB(對應(yīng)百分比誤差為77%),從工程試驗(yàn)的角度而言,這一結(jié)果說明提出的差模注入等效連續(xù)波強(qiáng)場電磁輻射效應(yīng)試驗(yàn)方法有著較高的準(zhǔn)確性。造成上述試驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因可能包括以下4個(gè)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(jiān)測端電壓值可能不準(zhǔn)確,影響了場強(qiáng)和注入電壓等效關(guān)系的建立;

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

(3) 不同的場強(qiáng)(或注入電壓)作用下可能均會出現(xiàn)誤碼率為01的情況,由于場強(qiáng)和注入電壓的調(diào)節(jié)存在一定步長,導(dǎo)致得到的臨界干擾場強(qiáng)值存在偏差;

(4) 對于部分試驗(yàn)頻點(diǎn),當(dāng)誤碼率在01附近時(shí),誤碼率隨功率變化十分敏感,在試驗(yàn)確定的步長下,有時(shí)可能難以達(dá)到誤碼率剛好為01的狀態(tài)。

圖4 天線為耦合途徑時(shí)輻射和等效注入試驗(yàn)得到的臨界干擾場強(qiáng)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(shí)試驗(yàn)所得臨界干擾場強(qiáng)值間的誤差Fig.5 Error of critical interference field strength with antenna as main coupling route

進(jìn)一步計(jì)算了圖5中兩組曲線的相關(guān)性,得到頻率為和時(shí)輻射和注入結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 6和0.999 7,說明輻射和注入試驗(yàn)結(jié)果有很好的相關(guān)性,進(jìn)一步證明了試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性。

在上述帶內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展帶外試驗(yàn),驗(yàn)證此時(shí)試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性?？紤]到試驗(yàn)時(shí)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(qiáng)如表1所示。

表1 不同頻率下輻射和注入的臨界干擾場強(qiáng)值

嚴(yán)格意義上,受試電臺的帶內(nèi)是偏離工作頻率±30 kHz以內(nèi),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(nèi)試驗(yàn)中部分干擾頻率的頻偏達(dá)到100 kHz,其位于帶內(nèi)和帶外之間的過渡區(qū)。由表1知,不同工作頻率和干擾頻率下輻射和注入試驗(yàn)結(jié)果間誤差很小,除其中一種情況的誤差達(dá)到-1.31 dB(對應(yīng)的百分比誤差為14%)外,其余點(diǎn)的誤差模值均小于0.5 dB(對應(yīng)的百分比誤差為5.93%),證明了本試驗(yàn)方法對于帶外情況同樣適用。個(gè)別頻點(diǎn)誤差相對較大的原因主要是該頻點(diǎn)電臺阻塞效應(yīng)結(jié)果的重復(fù)性較差。

需要說明的是,試驗(yàn)中接收電臺整體置于輻射場中,與實(shí)際的工程試驗(yàn)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(yīng)試驗(yàn),結(jié)果證明該方法具有較高的準(zhǔn)確性和工程實(shí)用性。

為使得受試電臺在帶外出現(xiàn)阻塞效應(yīng),注入試驗(yàn)所需電磁波功率遠(yuǎn)小于輻射試驗(yàn),因而可大大降低試驗(yàn)費(fèi)用,而當(dāng)頻偏進(jìn)一步增大后,受到功率放大器輸出限制,輻射試驗(yàn)已無法使得受試電臺出現(xiàn)阻塞效應(yīng),而注入試驗(yàn)仍可以用較小的功率使得受試電臺出現(xiàn)阻塞效應(yīng),因而具備了顯著優(yōu)勢。然而,輻射試驗(yàn)時(shí)受試系統(tǒng)中接入了注入監(jiān)測耦合裝置,因此注入試驗(yàn)等效的是該配置下輻射試驗(yàn)結(jié)果,與原本無耦合裝置的輻射試驗(yàn)結(jié)果存在差別,需要對注入試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正。

2.2 校正方法驗(yàn)證

天線耦合途徑下,線長改變的影響主要是信號傳播的時(shí)延出現(xiàn)變化。當(dāng)耦合裝置接入后,有用信號和干擾信號的傳播時(shí)延會有微小的增加,但這一改變對于阻塞效應(yīng)的敏感度測試結(jié)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(dǎo)致主通道插損增大,進(jìn)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(jié)果也會受到較大影響。因此,應(yīng)主要討論如何校正耦合裝置插損帶來的影響。

本試驗(yàn)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?shù)浇邮针娕_輸入端口時(shí)的幅值均比沒有耦合裝置時(shí)減小約倍。為此,試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將工作信號提高倍,此時(shí)接收電臺輸入端口處的工作信號強(qiáng)度與沒有接入耦合裝置時(shí)相等。干擾信號在試驗(yàn)時(shí)可不必調(diào)整,則得到的臨界干擾場強(qiáng)值比無耦合裝置時(shí)高出約倍,因此將接入耦合裝置時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果降低倍,就可獲得無耦合裝置時(shí)的臨界干擾場強(qiáng)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(yàn)。接入耦合裝置時(shí)將發(fā)射電臺工作信號強(qiáng)度相對于無耦合裝置時(shí)提高3.8 dB,實(shí)現(xiàn)的方法是將發(fā)射電臺和發(fā)射天線間衰減器衰減倍數(shù)由40 dB調(diào)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(qiáng)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(shù)據(jù)點(diǎn)間存在一定的差值,計(jì)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(diǎn)的最大誤差不超過0.78 dB(對應(yīng)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(yàn)出現(xiàn)誤差的原因主要是個(gè)別頻點(diǎn)測試結(jié)果的重復(fù)性相對較差。需要說明的是,對于設(shè)計(jì)的應(yīng)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(tǒng)的影響相對較小,校正時(shí)只需進(jìn)行微調(diào)即可。

圖6 天線為耦合途徑時(shí)輻射試驗(yàn)是否接入耦合裝置對應(yīng)的臨界干擾場強(qiáng)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(shí)不同頻點(diǎn)是否接入耦合裝置所得臨界干擾場強(qiáng)差值ΔE

3 結(jié) 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(yàn)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了注入法與電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)要求的電磁輻射試驗(yàn)結(jié)果等效。將改進(jìn)后的差模注入等效試驗(yàn)方法應(yīng)用于用頻裝備強(qiáng)場電磁輻射效應(yīng)等效試驗(yàn),以通信電臺為受試對象,將輻射和注入試驗(yàn)均出現(xiàn)阻塞效應(yīng)作為判據(jù),驗(yàn)證了等效注入試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性。針對工作信號和干擾信號同時(shí)存在的實(shí)際情況,提出了對應(yīng)的校正方法,所得注入試驗(yàn)結(jié)果與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁輻射試驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)室開展用頻裝備強(qiáng)場電磁環(huán)境效應(yīng)評估試驗(yàn),具有工程應(yīng)用價(jià)值。