电磁兼容预测分析在试验中的应用

王全升

(91550部队 大连 116023)



电磁兼容预测分析在试验中的应用

王全升

(91550部队 大连 116023)

论文分析在复杂的电磁环境下开展试验面临的电磁兼容问题。研究了发射场电磁兼容预测分析的理论方法,给出了干扰预测的数学模型,可以在试验设计、故障诊断、EMC加固方面得到应用。

电磁兼容; 预测; 干扰; 加固

Class Number TN03

1 引言

靶场进行武器系统试验,测量装备的安全可靠运转是必要条件。这些测量装备自成系统,相对独立,是靶场试验获取试验数据的保证,由于舰艇平台本身和飞行航区的复杂电磁环境,独立于武器系统之外的测量装备虽然已经过电磁兼容试验,却使得试验条件不能与装备设计初衷一致,会给试验方案的设计以及故障的分析排查带来很多困难。因此在试验开展前及开展过程中进行电磁兼容预测分析是很有必要的,可以在下述方面发挥作用:

1) 根据飞行器接收指令、搜寻目标时的工作特性,有助于分析飞行器内部敏感度兼容性,以及与外界电磁环境的兼容性。

2) 对飞行器、舰艇平台、测控站点联试中出现的干扰问题进行分析,为所涉及到的故障排查提供数据支撑。

3) 根据发射航区内、外的电磁场分布,摸清背景电磁环境及应用电磁环境,可以优化测控系统站点以及站点内部设备布局。

4) 若有干扰问题产生,可以分析产生干扰的根源,从而采取必要措施进行调整防护。

靶场电磁兼容性预测,涉及所有无线电发射和接收设备,随着航区的不断扩展,试验调动兵力的增多,试验子系统越趋复杂。大量无线设备的应用以及武器平台本身的寻的、指挥设备构成高密度的电磁环境。进行预测时忽略电磁环境的密度,从干扰源,传输途径和敏感设备的电磁干扰三要素着手,建立合理的数学模型。

干扰预测模型涉及两类数据。第一类是设备标称的特性数据,如发射设备的工作带宽、基波和杂波发射功率;接收设备的工作带宽、灵敏度和杂波响应;设备本身天线增益、传输极化形式和波束宽度;设备的工作频率;设备工作时天线的方向等。第二类数据是干扰发射功率的大小、方向,调制特性,干扰距离,传输软件和干扰时间等干扰特性参数。

2 系统干扰信号分析

靶场测控系统设备众多,包括连续波雷达、脉冲雷达和测速雷达,需要主站、副站多台雷达配合才能获取弹道参数,还有完成目标特性测量的相控阵雷达等设备,覆盖多个频段。干扰信号为非正弦周期函数,可用多个正弦函数表示,与频率成整数倍关系:

(1)

满足狄里克利条件的周期信号,可以描述为

时域:

(2)

频域:

(3)

如果An是与频率特性相关的周期信号函数,那么其谱线将是离散的。当T→∞时,nω=ω,有:

(4)

3 系统间电磁干扰分析

试验实施时测控系统、指挥系统及各子系统多且复杂,各频段电磁信号密集交迭,用背景信号强度变化不均,频谱占用度不同,电磁信号密度、类型与样式多变。系统间的电磁干扰分析只能进行概要分析,可以采用幅度筛选。为达到预测目的,必须考虑干扰时天线、馈线的固有频率特性,然后对天线方向图和设备的频率特性进行简化,分类后制定约束条件。通过实际应用可知,无线传送设备的主要工作在波长很短的微波频段,这就要求进行空间傅立叶变换的精度提高。基于电磁兼容性原理,系统间干扰包括辐射干扰和传导干扰,起到主要作用的是辐射干扰,干扰系统方程可采用对数表示法,与单程二次雷达计算公式相类似,公式如下:

(5)

实际运算考虑馈线损耗,把最后一项与Ls合并可得:

(6)

其中,1/N为噪声干扰比,Gt为发射天线增益函数,Gr为发射天线增益函数,L0为馈线损耗(单位均为dB);Pt为发射机功率谱函数,Pr为接收机响应谱函数(单位均为dBm);R为干扰对的相互距离(单位m);f0为干扰对基波频率(单位MHz)。

具体应用中考虑通过某一空中反射目标产生的相互干扰,式(6)可转化为

-20lgf0+10lgSr+15.8

(7)

式中,R1为发射天线到反射目标的距离,R2分别为接收天线到反射目标的距离(单位:m);Sr为双基地目标散射目标截面积(单位为:m2)。

3.1 发射机因素分析

分析发射机的工作原理,如今的发射管依靠主振放大式高功率输出,那么其谐波、杂波量要比以往振荡管直接输出小。功率谱函数数学模型需要分别考虑杂波和谐波功率谱数学模型并且进行统一综合。

1) 杂波功率谱函数数学模型

可采用类似谐波数学模型公式

(8)

式中,f为杂波频率,f0为发射机工作频率(单位MHz);A′,B′为系数,A′=A=-60dB,B′=B=-50dB;

2) 谐波功率谱函数数学模型

Pt=P0+AlgN+B

(9)

式中,P0(单位:dBm)是发射机额定输出功率;N为谐波次数,N≥2;A,B为系数,A=-60dB,B=-50dB;

对杂波和谐波的功率谱数学模型进行综合后通用表示为

(10)

发射机频谱带宽对于脉冲调制为20/τ,线性调频脉冲为20d/τ,式中τ为调制脉冲宽度,d为脉冲压缩比。f/f0的取值范围为0.1～10,超过该范围采用Pt=Pt0-110,表征含义为带外杂波抑制最大达110dB。

发射机功率谱函数是宽频带噪声及离散辐射的合成结果,其中包含了基波信号及其谐波、主振频率及其谐波、噪声、非谐波信号等。

3.2 接收机因素分析

所有通信设备易感装置都可视为接收机,一般由高频接收机,一、二次混频,中频接收机组成。对于单次混频超外差接收机,能产生乱真(杂波)响应的频率为

(11)

式中,p为本振谐波数;q为干扰信号谐波数;fL0为本振信号频率;fLF为中频放大器频率。一般取q=1,所以乱真响应

fLP=|pfL0±fLF|

(12)

与发射机一样,接收机的乱真响应灵敏度为

(13)

3.3 天线增益分析

测控、测量设备及武器平台的射频设备天线一般分为面型天线和线型天线,这两种天线有天线增益与有效面积成正比而且增益与频率有关的共同点。线型天线有谐振特性,在频率为0.5GHz～1.5GHz范围内经常使用折合振子为八木振子的线型天线。面型和线型两种天线其增益与频率增益的基本公式表达为

(14)

高增益天线频率引起的增益变化远比理论小,是由于型面误差引起相位和馈源方向图口径分布函数变化的因素,此时用对数表示,频率的比值平方关系变为一次方:

(15)

式中,G0为标称增益(单位为dB);f0为标称增益对应的频率,f为预测频率(单位为MHz)。

3.4 距离的计算

靶场试验组织复杂,单次出动各类舰船几十艘甚至上百艘甚为常见。随着受试产品的性能提高,试验航区的不断拓展,飞机、卫星不断成为参试元素,合作试验屡见不鲜,设备互扰日趋严重。航区内预测分析可以采用直角坐标系进行运算,实际取经纬度的精度为0.1(对距离的精度要求不高)即可,显而易见,两测量点间的距离为

R=[(dδΔδ)2+(dλΔλ)2+(Δh)2]1/2

(16)

式中,Δλ为经度,Δδ为纬度,单位分(′);Δh为高程(单位m)。

计算经纬度每分的距离,以R为地球半径(单位m),β为测量点所处的纬度。

纬度每分的距离

(17)

经度每分的距离

dλ=dδcosβ

(18)

4 干扰性能分析

实际应用中更加关注性能预测。I/N为干扰噪声比,是把系统内部噪声作为一个阈值,所有外来干扰信号与此阀值进行比较,作为干扰量的度量。此法可以直观的显示出干扰对设备的影响程度,因为易感设备数量较多,阀值不同,实际应用中根据各设备的调制方式采用不同的信噪比、门限电平。干扰信号在空域上纵横交错、在时域上持续不断、在频域上密集重叠、在效能上随机多变。干扰、噪声和信号之间有以下关系:

I/N=S/N-S/I

(19)

式中S/N为信号噪声比,S/I为信号干扰比。

5 结语

武器装备的信息化程度越来越高,同时试验方式、试验手段也在不断发展,不断增强的电子对抗也将成为试验的常态。日益复杂的电磁环境,需要我们在电磁防护方面深入研究。在概要分析不能满足实际应用时可以进行详细预测分析,采用频率筛选,即对发射机频谱结构和接收机选择性的频率响应给予分析,通过进一步对频率特性分析、互调制、交叉调制分析和天线近场分析等手段得出预测结果。确保试验子系统的各种电子设备正常工作以及测试数据、指令的安全保密将是组织试验成败的重要环节。

[1] 姚学玲,陈景亮,徐传骧.强电磁场环境中电磁防护的探讨[J].电工电能新技术,2003,22(1):64-67.

[2] 周璧华,陈彬,石立华.电磁脉冲及其工程防护[M].北京:国防工业出版社,2003.

[3] 李广军,李楠,张雪飞.浅谈强电磁脉冲环境下通信和信息系统设备的防护[C]//第十届中国科协年会信息化与社会发展学术讨论会分会场论文集,北京:国防工业出版社,2008:83-86.

[4] 梁海珊.抗电磁干扰(EMI)技术[J].杭州电子工业学院学报,2002,22(3):59-62.

[5] 邵涛,胡以华.战场电磁环境复杂度定量评估方法研讨[J].电光与控制,2010(17):82-84.

[6] 师振荣,张超,陈永东.战略靶场复杂电磁环境构建的几点思考[J].河北科技大学学报,2011,32(1)187-190.

[7] 刘正坤.沿海地区联合电子对抗侦查研究[D].郑州:解放军信息工程大学硕士论文,2008:6-9.

[8] 朱宇光.靶场复杂电磁环境构建[J].四川兵工学报,2012(3):42-45.

[9] 李宗利.面向发射任务的复杂电磁环境及应用研究[D].北京:中国科学院研究生院博士论文,2009:18-20.

Application of EMC Prediction Analysis in Fly Tests

WANG Quansheng

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

The paper analyzed the EMC(Electro Magnetic Compatibility) of tests in electromagnetic environment. The theory and method to predict the EMC(Electro Magnetic Compatibility) in fly tests are studied and the models for prediction are given. It can be used in test-design, malfunction analysis and EMC reinforce.

electro magnetic compatibility, prediction, interference, reinforce

2015年1月4日,

2015年2月25日 作者简介:王全升,男,工程师,研究方向:发射控制。

TN03

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.045