电磁混响室高强度辐射场下机载电台敏感度研究

袁洪涛，段泽民，，仇善良，王建国

(1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 合肥 230009)(2.安徽省飞机雷电防护省级实验室， 合肥 230031)(3.强电磁环境防护技术航空科技重点实验室， 合肥 230031)

0 引 言

随着电子信息科学技术的快速发展，各类军用及民用的电子设备包括导航、雷达、通信、电磁干扰机等被广泛应用，导致电磁信号在作战环境中形成了极为复杂的电磁环境[1-4]。而主要源自于雷达、无线电、广播发射台及其他地基、舰载或机载射频发射器发射的能量，具有频带宽、作用时间长、电场强度高等特点的高强度辐射场(High-intensity Radiated Fields,简称HIRF)不利于飞机电子电气系统的运行，更有甚者会导致航空器系统故障，造成严重后果[5]。复杂电磁环境对飞机各种机载设备的影响研究日趋成为军事和民用工程技术领域备受关注的要点之一[6-7]。其中机载电台作为飞机典型用频机载设备，对其进行HIRF辐照效应试验研究具有重要意义。

国际上已建立了较为完善的HIRF试验标准，例如美国的RTCA/DO-160G《机载设备环境条件和试验程序 第20章 射频敏感性(辐射和传导)》[8]和SAE-ARP 5583《飞机在HIRF环境中的合格审定指南》[9]等。国外大量的试验研究也已验证了混响室是机载设备HIRF测试的理想试验场地[10]。然而，目前国内在混响室下进行的设备敏感度测试仍集中在通过性试验，对于混响室不同工作模式下电子设备敏感度测试的研究较少，对于有关机载设备的报道更少。魏光辉等[11]、贾锐等[12-13]在混响室下对引信、不同的军用医疗设备和雷达进行了辐照效应研究，对比了混响室与微波暗室的相关性以及搅拌器不同工作模式对受试设备敏感度阈值测试结果的影响；但是，他们是按照国际电工委员会IEC61000-4-21标准中的试验方法，在低场强下比较了信号源为连续波时搅拌速度对设备敏感度阈值的影响，没有描述混响室高场强下信号源为脉冲波时，脉冲宽度对电子设备的敏感度阈值测试结果的影响。

本文依托航空工业合肥航太电物理技术有限公司在国内建立的符合标准资格认证的混响室HIRF试验平台，选择某型直升机机载电台为研究对象，进行HIRF辐照效应试验，以确定在满足标准要求的情况下如何快速有效地进行机载设备敏感度测试，以期为完善有关机载设备电磁辐射防护性能测试方法及标准规范，支撑直升机复杂电磁环境适应性试验、评估和验证提供借鉴。

1 HIRF辐射敏感度试验

1.1 试验环境

试验用混响室为机械搅拌式混响室，由电磁屏蔽室和一个金属搅拌器组成，与微波暗室不同，内部无吸波材料，主要由表面镀锌钢材质的高导电反射金属层墙壁、天线和被试设备等吸收电磁波。随着搅拌器的搅拌，消除腔体谐振驻波效应产生的空间电场的非均匀性，使电磁波在腔体内部形成多模分布，并通过电磁场多模叠加提高场分布的空间均匀性。搅拌器转动一周，混响室中的电磁场经历一个完整的变化过程。在统计意义上，通过机械搅拌器搅拌，混响室中的电磁场能实现空间均匀、各向同性和随机极化的分布，以提供HIRF所需的理想电磁环境[14-15]。

混响室腔体尺寸为3.4 m×2.7 m×3.0 m，工作区域尺寸为1 m×1 m×1 m，最低测试频率为400 MHz，通过配备国际先进的混响室测控系统和全固态功率放大系统，能够满足DO-160G标准中G类等级HIRF辐射敏感性试验要求。该混响室可实现400 MHz～18 GHz频段内方波、连续波、脉冲波等各种波形测试，最大脉冲宽度可达100 μs的脉冲波形试验，最高测试场强为4 000 V/m，且可以进行搅拌器步进与连续两种工作模式的试验。机械搅拌式混响室高强度辐射场辐射敏感度测试系统如图1所示。

图1 混响室HIRF辐射敏感度测试系统

混响室场地主要布置如下：

(1) 搅拌器：由4片铝制金属浆叶组成，呈V折形，相邻两叶片的夹角为90°，叶片宽为38 cm，长度不同(从上至下依次为49、68、62、93 cm)，旋转轴距离墙角两表面均为50 cm；

(2) 发射天线：测试所用的发射天线型号为UHALP 9108 A1对数周期天线，其固定位置距离yOz平面43 cm、xOz平面66 cm、腔体上表面66 cm；

(3) 接收天线：与发射天线相同型号的对数周期天线，其位置可移动，方便接收测试区域电磁信号；

(4) 摄像头：高清抗干扰摄像头位置可以移动，以方便在控制室监视受试设备状态；

(5) 测试区域：测试空间尺寸为1 m×1 m×1 m，内部放置1 m×1 m×80 cm的试验台，方便受试设备的摆放，试验台位置距离前后表面各85 cm、左右表面各120 cm；

(6) 受试设备(EUT):受试设备为某型直升机可用于收、发信号以及数字显示的机载超短波电台，其本身以及所连接屏蔽导线下部放有起绝缘隔离作用的泡沫。受试电台放置在测试区域的试验台上，其大小以及相对试验台位置如图2所示。

图2 某型直升机机载电台

1.2 试验内容

在电磁兼容领域中，机载设备的敏感度测试是为了确定使其产生错误运行的电磁干扰参数。试验前验证机载电台是能够正常使用的合格产品，并将调试正常工作状态的机载电台放入满足标准资格认证的混响室测试区域内。试验中利用直流稳压电源通过屏蔽线对机载电台供电，直流稳压电源供电不仅可以为机载电台提供长期稳定的电能，便于在试验中控制开关电源调整机载电台的工作状态，而且达到了有效杜绝工频对试验结果影响的效果。在混响室测控室放置单独的信号源为机载电台发射信号，以有效控制机载电台的收发状态。试验过程是通过改变混响室内部HIRF场强，分别在混响室搅拌器处于步进模式和连续模式下不同搅拌速度、不同脉宽下进行机载电台敏感度试验。具体测试内容如表1所示，测试频段为400 MHz～2 GHz。

表1 测试内容

参照DO-160G标准中第20章射频敏感性测试方法，由于功率放大器的限制，将测试频段分为400 MHz～1 GHz和1～2 GHz进行试验。采用脉冲波为激励源，分别设置搅拌器处于不同工作模式，以混响室能够达到的DO-160G标准中高强度辐射场外部电磁环境的临界试验G类等级的2倍场强值进行频段内扫频，找到受试机载电台的敏感频点，再对单个敏感频点采用精确度为50 V/m的二分法进行逐级升降场强。试验过程中由混响室监视装置观测机载设备出现的故障现象，找到受试设备是否正常工作的场强分界点，并以此记录敏感度阈值。辐射敏感性G类试验场强如表2所示，测试流程如图3所示。试验中频率的点数选为每十倍频100个频率点，其计算公式为

fn+1=fn×101/100

(1)

式中：fn为试验频率，并且n=1×m，f1为起始频率，fm为终止频率，频点数m=1+100×1g(fm/f1)，四舍五入至最接近的整数，即在400 MHz～1 GHz频段内需扫描41个频点，1～2 GHz频段内扫描33个频点。

表2 辐射敏感性G类试验场强

图3 测试流程

1.2.1 混响室搅拌器步进工作模式

DO-160G标准中对搅拌器步进样本数的规定：搅拌器步数设置与搅拌器旋转一周电场比相关，其中电场比的定义为搅拌器旋转一周用到的电场绝对值的平方最大值与平均值平方之比[9]，DO-160G校准参数如表3所示。由于在步进模式下混响室在低频段校准时12个步进数已满足混响室的统计均匀性，且在400 MHz～2 GHz频段内能够满足标准规定，确定12步进数测试机载电台的辐射敏感度阈值。

表3 DO-160G标准第20.6节要求的校准参数(起始频率fs=100 MHz)

当搅拌器处于步进工作时，搅拌器扇叶分别处于12个不同位置，机载电台敏感度的确定是对整个频段内每个频点多个搅拌器位置下的测量进行统计处理的结果[16]。

1.2.2 混响室搅拌器连续工作模式

DO-160G标准中仅提供了搅拌器连续模式下对受试设备敏感度试验的搅拌器搅拌速度与激励源脉冲宽度的范围，故本文在混响室搅拌器处于连续工作模式下，选取搅拌器搅拌速度和激励源的脉冲宽度为变量，在400 MHz～2 GHz频段，进行不同搅拌速度、不同脉冲宽度下机载电台辐射敏感度试验，得到搅拌速度和脉冲宽度对机载电台敏感度阈值的影响。当搅拌器处于连续工作模式时，搅拌器以设定的恒定速率进行旋转，扇叶位置变化无限多个，搅拌器在一定时间内旋转一周完成测量数据的采集过程；再对每组测量数据进行平均，增加测量中所需要的统计特性；最后，以搅拌器旋转一周后接收机所得到的最大值作为测试结果[17]。

(1) 对于搅拌器的搅拌速度，只要确定其搅拌速度能够满足场强的均匀性，并且受试设备能在一定时间里响应这种变化的电磁场，即可认为确定的搅拌速度能够进行有效测试[18]。因此，在脉冲宽度为4 μs、重复频率为1 kHz的脉冲波调试下，分别设置2、5和12 r/min三种搅拌速度进行测试，以对比搅拌速度对机载电台辐射敏感度的影响。

(2) 对于激励源脉冲宽度，标准仅规定在测试频段使用适当的脉冲宽度4 μs(或更大)和1 kHz脉冲重复频率的激励源进行测试。因此，本文试验在搅拌器搅拌速度为2 r/min时，分别设置脉宽为4、10和20 μs,重复频率为1 kHz的脉冲波进行对比，以确定激励源脉冲宽度对机载电台辐射敏感度的影响。

2 试验结果与分析

通过搅拌器在两种工作模式下的扫频测试发现：400 MHz～1 GHz频段内41个频点受试机载电台均能正常工作，未发现故障现象，这可能是由于混响室功率放大系统能力的限制，需要增大试验场强值才能发现敏感频点，在此测试系统下无法测试出受试电台在400 MHz～1 GHz频段的敏感度阈值；在1～2 GHz频段内扫频33个频点里有7个频点受试设备出现不同的故障类型，其故障类型如表4所示。

表4 故障类型

2.1 搅拌器两种工作模式对辐射敏感度的影响

在1～2 GHz频段内，设置激励源为脉冲宽度4 μs、重复频率1 kHz的脉冲波，对比搅拌器步进模式与连续模式下受试机载电台敏感度阈值测试结果的差异，两种工作模式机载电台辐射敏感度阈值如图4所示，将频段内每个敏感频点视为一个单位，故采用等间距的形式绘制横坐标(图5、图6亦同)。

图4 两种工作模式下机载电台辐射敏感度阈值对比

从图4可以看出：受试机载电台在相同的频点下，混响室搅拌器处于连续模式，无论采用何种速度和脉冲宽度，步进模式下敏感阈值的测试结果均大于连续模式下的测试结果。这与贾锐等[12]发现的三种不同非用频军用医疗设备辐射敏感度阈值在连续搅拌的测试结果低于步进搅拌模式的结论一致。造成此结果的原因是采用样本数为12的步进搅拌模式可以看作是对搅拌器旋转一周在停留位置离散地提取出12个强弱不同电场进行的叠加，而连续搅拌模式是搅拌器旋转一周后，得到的一个扇形范围内较强电场的叠加[12]，因此，步进模式下敏感度阈值的测试结果在数值上必定要大于连续模式下的测试结果，即相对于步进搅拌模式，连续模式下更容易测试出机载设备的敏感度阈值。

2.2 连续模式下搅拌速度对辐射敏感度的影响

在1～2 GHz频段内，设置激励源为脉冲宽度4 μs、重复频率1 kHz的脉冲波，对比2、5和12 r/min三种搅拌速度情况下受试设备敏感度阈值的差异，不同搅拌速度下机载电台辐射敏感度阈值如图5所示。

图5 不同搅拌速度下机载电台辐射敏感度阈值

从图5可以看出：当混响室搅拌器处于连续搅拌模式时，随着搅拌器搅拌速度的增加，受试设备的辐射敏感度阈值呈下降趋势。虽然选择的搅拌速度与陈京平等[18]对于心电图机的搅拌速度不同，但是所得到的在敏感频点下随着搅拌速度的增加，受试设备的敏感度阈值减小趋势一致。这是由于搅拌速度增加会造成两种截然相反的结果：如果搅拌速度太快，受试设备来不及响应，则所需电场阈值应增加；若因搅拌器搅拌引起的寄生感应电流容易造成设备干扰，则所需电场阈值应减小。显然本文的试验情况属于后者。搅拌速度影响着搅拌器的搅拌效率，当搅拌器搅拌速度足够快时，混响室内产生的电磁环境会更加复杂[18]。因此，搅拌器搅拌速度较大时，机载电台出现故障的敏感度阈值较低。

2.3 连续模式下脉冲宽度对辐射敏感度的影响

在1～2 GHz频段内，设置搅拌速度为2 r/min，激励源为重复频率1 kHz的脉冲波，对比脉冲宽度4、10和20 μs三种情况受试设备敏感度阈值的差异，不同脉冲宽度下机载电台辐射敏感度阈值如图6所示。

图6 不同脉冲宽度下机载电台辐射敏感度阈值

从图6可以看出：脉冲宽度的增加会导致受试设备辐射敏感度阈值的减小。这是由于混响室产生相同的高强度辐射场所需要的电磁波功率是相同的，能量是功率作用时间的积分，随着脉冲宽度的增加，高强度辐射场对机载电台的电磁干扰能量变大，受试机载电台就容易在较低的场强下出现故障。

3 结 论

(1) 在试验环境相同条件下，无论是测试时间和测试成本的控制，还是对于机载电台敏感度阈值确定的难易程度考虑，相对混响室步进工作模式，选择混响室连续工作模式更适用于机载电台敏感度测试。

(2) 当混响室搅拌器处于连续工作模式时，为满足受试设备响应要求以及寄生感应电流干扰控制要求，均应在有效的搅拌速度范围内降低搅拌器速度进行机载电台敏感度测试。

(3) 当混响室搅拌器处于连续模式时，脉冲宽度的增加会得到机载电台敏感度阈值降低的测试结果，表明对于机载电台长脉冲干扰进行防护更为重要。

(4) 由于混响室功率放大器的性能以及测试时间和成本的控制，对于100 MHz～18 GHz整个频段内影响机载电台敏感度阈值测试结果变化的其他因素需要再做更为详细的测试和分析确定。

上述研究结论可为完善有关机载设备电磁辐射防护性能测试方法、标准规范以及军工科研单位开展复杂电磁环境适应性试验条件建设提供参考。