强电磁环境对用频设备的影响机理研究

郝晓军

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003)



强电磁环境对用频设备的影响机理研究

郝晓军

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003)

在复杂电磁环境下，尤其是当强场存在时，用频设备的工作状况往往会出现很多意想不到的情况，比如接收机的灵敏度下降、发射机辐射信号存在其它频率分量等。通过深入分析模块化射频器件的工作特性和注入式实物试验，验证了射频电路中非线性器件工作特性变化是导致用频设备工作性能下降的本质机理。通过改变不同试验条件，研究了互调发射、接收机减敏等现象随强干扰信号参数改变的变化规律。研究结果可为强电磁环境下用频设备的合理使用提供借鉴。

强电磁环境；非线性；交调；减敏

0 引言

在复杂电磁环境下，用频设备往往会表现出很多在实验室条件下没有的现象，比如接收机的灵敏度下降，发射机辐射出很多设计中根本不可能产生的频率信号等[1-2]。这些奇怪的工作现象都与工作场地的复杂电磁环境密不可分。如果需要对发射机/接收机进行建模研究，预测其在未来复杂电磁环境下的工作特性，那么上述问题的机理研究尤为必要。

在接收机/发射机的整个射频链路中，信号放大是整个链路不可缺少的重要环节，小信号放大是接收机接收射频信号的第一个环节，大功率放大是发射机中射频信号辐射的最后一个步骤。为了分析射频信号链路的接收/发射特性，就必须对射频信号链路的放大器给予足够的重视。通过实验研究发现，放大器的偏置电压、输入信号功率等诸多因素都会导致放大器工作区间由线性区向非线性区偏移，最终导致有用信号得不到有效放大，致使信号接收链路信噪比下降，或者由于放大器工作非线性致使接收射频信号失真，这些都不是射频链路设计工程师所希望见到的，因此研究射频放大器在强干扰信号存在时的工作特性对于正确理解接收机/发射机在强电磁环境下的工作特性尤为重要[3-6]。本文基于放大器的工作特性开展研究，着重分析了强干扰信号存在时对射频放大器的影响，并通过试验进一步验证了上述分析。

1 放大器工作特性

大多数接收机中的信号放大器为固态器件，在小信号输入时，可以得到有效的放大，但是输入信号一旦过大，超过额定输入功率，那么信号的放大能力就会受到限制，表现出非线性特征，更有甚者还会直接烧毁整个放大器。放大器的工作特性可以表示为：

(1)

其功率放大曲线如图1所示。当输入信号的功率过大时，就会使放大器的放大能力受到限制，即出现通常所说的放大器增益压缩效应。

图1 放大器工作特性示意图

随着输入功率的增加，放大器工作于非线性区，输出功率不再随着输入功率的增大而线性增长，从而引入一个关键的技术指标：1dB增益压缩点。通常把增益下降到比线性功率低1dB时的输入功率定义为输入功率1dB压缩点，把相应的输出功率定义为输出功率1dB压缩点。

2 强干扰信号对放大器特性影响理论分析

当电子器件工作于复杂电磁环境中，尤其是工作于强场环境中时，放大器对于输入有用信号的放大规律就会发生改变，这里对有干扰信号存在情况下，有用信号馈入放大器后的变化规律进行研究。

假设接收机收到2个信号，有用信号S1(t)=Acos(ω1t)与干扰信号S2(t)=Bcos(ω2t)，假设B≫A(干扰信号属于强信号)，当S1与S2同时馈入放大器，即：

U1=Acos(ω1t)+Bcos(ω2t)

(2)

依据式(1)放大器的工作模型，计算可得放大器的输出。U0可表示为：

(3)

由式(3)可见输出有用信号ω1的信号电压为：

US1=(AK1+(3A3/4+3/2AB2)K3)cos(ω1t)

(4)

由于K3为负值，因此ω1信号的输出电压会被减小，即功率受到压缩，导致信噪比降低。

上述现象通常被描述为接收机阻塞。在通信接收机中，对应的上述现象有时也称作临近信号干扰或者接收机交调(调幅信号输入时)，是用来描述接收机受到接近其调谐频率的干扰信号作用下的工作性能降级[7]；在雷达接收机中，对应的上述现象也被称作接收机减敏，是用来描述强干扰信号造成有用信号输出功率的降低，即信噪比的下降。

上述现象是由于接收机中放大器的非线性所致。物理机理是大信号的引入，导致放大器工作于非线性区，放大倍数降低，最终导致有用小信号得不到足够的放大。相比没有强干扰信号输入的情况，小信号的输出相对变小。

3 强干扰信号造成接收机减敏现象研究

依据上一节的分析，当雷达接收机在其有效工作频带外受到强信号干扰时，接收机信噪比会下降，输出有用信号会失真。这些现象会导致雷达目标发现距离缩短，空间目标坐标判读错误。

对整个射频接收链路中的核心器件放大器进行试验验证：通过合路器同时向放大器注入2个信号，即有用工作信号f0和干扰信号f1，f0频率为800MHz，工作电平P0为-20dBm。干扰信号f1的频率偏差Δf为2MHz，试验布局如图2所示。

图2 放大器交调试验实物照片

为保护频谱仪，放大器输出端接20dB可调衰减器，观察接收机减敏随干扰电平P1的变化情况，如图3所示。

可以看出，当干扰信号f1为小信号注入放大器时，放大器工作特性表现为线性，即没有其它互调频率分量产生，如图3(a)所示，此刻有用信号f0的功率显示为-20.98dBm。随着干扰信号P1能量的增强，有用信号f0输入条件不变，放大器表现出了非线性现象，互调分量产生，并伴随着f0输出功率的下降(放大器增益受到了压缩)，如图3(b)所示，此刻f0输出功率显示为-21.28dBm。干扰信号能量进一步增强，如图3(c)所示，互调频率分量进一步丰富，有用信号的输出功率受到进一步压缩，此刻f0的输出功率显示为-24.81dBm。当干扰信号P1注入能量为0dBm时，接收机显示f0的输出功率为-34.59dBm，如图3(d)所示，此时互调分量减小，究其原因是输入的强干扰信号使得放大器工作区域由线性区转变为非线性区，并使得有用信号的放大倍数下降，最终表现为有用信号输出功率减小。由于有用信号能量的减小，导致了互调频率分量的减少。当干扰信号的输入能量增加至8dBm时，接收机显示f0输出功率为-43.59dBm，如图3(e)所示，互调频率分量进一步减少。

图3 接收机减敏试验截图

在没有改变f0输入功率的情况下，仅仅改变干扰信号功率，从图3(a)到图3(e)，有用信号的输出功率从-20.98dBm下降到了-43.59dBm，被压缩了22.61dB。

针对不同干扰信号参数设置，进一步研究信号放大器的工作特性。这里设置有用信号f0=800MHz时，输入信号功率P0为-20dBm，干扰信号f1的频率变化范围为100MHz～2GHz，工作电平P1为-30～8dBm，试验链路中为保护频谱仪，接入了20dB的可调衰减器，试验结果如图4所示。

图4 有用信号输出功率随干扰信号变化试验结果

通过分析图4可以得出，干扰信号能量越强，有用信号受到的压制效果越明显。干扰信号距离有用信号工作频率越远，即频偏越大，有用信号受到压制的效果越弱。

4 强干扰信号造成发射机互调发射研究

发射机的互调发射是由于发射机中存在非线性器件所致。考虑发射机后端信号辐射出去必须经过功率放大器，因此以某射频发射前端模块化电路中的放大器进行实验研究，试验配置如图5所示。

图5 互调发射试验实物图

放大器的输入信号频率f0=1200MHz，功率P0=-5dBm；注入环行器干扰信号频率f1=1210MHz，功率P1=4dBm，信号输出端接30dB可调衰减器后连接频谱仪，试验数据截屏如图6所示。

图6 互调发射试验截图(P0=-5dBm，P1=4dBm)

从图6可以看出整个射频电路没有信号互调分量。出现1210MHz的信号是由于环行器2、3端口的隔离度较差所致。此时Marker1(有用信号f=1200MHz)输出功率为-27.67dBm。

抬高有用信号输入功率P0=0dBm，Marker1(有用信号)示数为-23.31dBm，互调分量出现，如图7所示。

图7 互调发射试验截图(P0=0dBm，P1=4dBm)

继续抬高有用信号输入功率P0=5dBm，此时放大器的输出已经不再与输入保持线性增长，Marker1(有用信号)示数为-21.67dBm，且互调分量明显，如图8所示。

图8 互调发射试验截图(P0=5dBm，P1=4dBm)

如果抬高干扰信号(f1=1210MHz)输入电平，则一样会增强互调分量。保持有用信号f0=1200MHz，输入功率P0=-5dBm，干扰信号输入功率增加至P1=10dBm，频谱仪测试结果如图9所示。

图9 互调发射试验截图(P0=-5dBm，P1=10dBm)

从图9可以看出输出的互调分量1190MHz(2×1200-1210)已经产生。

5 结束语

本文探讨了放大器的非线性工作特性， 尤其分析了在强电磁环境下，放大器的非线性特性导致的接收机减敏以及发射机的互调发射现象，并通过试验分析了上述特性的变化规律。通常工程技术人员仅关注放大器的输入信号电压，只要保证小于1dB压缩点的输入电压，确保放大器工作于线性区即可，而忽略了强干扰信号存在下对放大器工作特性的影响。本文的研究可为强电磁环境下放大器的合理使用提供借鉴。■

[1] 聂皞，汪连栋，曾勇虎．电子信息系统复杂电磁环境效应[M]．北京：国防工业出版社出版，2013：7-12.

[2] 刘尚合．武器装备的电磁环境效应及其发展趋势[J]．装备指挥技术学院学报，2005，16(1)：1-6.

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[5] 成伟兰，刘坚强．干扰条件下接收机减敏机理分析[J]. 舰船科学技术, 2012, 34(3):122-125.

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[7] 何宏涛，聂纯，刘继东，等.无线电接收机阻塞干扰响应的建模方法研究[J].微波学报，2014(6)：61-64.

Effects mechanism of strong electromagnetic environment to equipment

Hao Xiaojun
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang 471003，Henan，China )

When facing complex electromagnetic environment, especially strong interfering signals existing, the equipment using frequency always show some unexpected characters, such as sensitivity declining, some other frequencies power radiating which should not be exist. By injection test to some electronic devices, nonlinear effects are proved to the mechanism of equipment using frequency working performance descent. The disciplines of working performance descent, such as cross modulation radiation and desensitization, are also researched according to the different strong interfering signals. This research results could support the correct usages of equipment using frequency in strong interfering signal environment.

strong electromagnetic environment；nonlinear；cross modulation；desensitization

2016-05-06；2016-07-15修回。

郝晓军(1978-)，男，助理研究员，博士，主要研究方向为复杂电磁环境仿真、效应分析。

TN97

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