用频装备的双源连续波辐照干扰预测研究*

郭玉冰,魏光辉,赵国梁,潘晓东,卢新福

(解放军军械工程学院静电与电磁防护研究所,石家庄 050003)

用频装备的双源连续波辐照干扰预测研究*

郭玉冰,魏光辉,赵国梁,潘晓东,卢新福

(解放军军械工程学院静电与电磁防护研究所,石家庄 050003)

为研究复杂电磁环境下用频装备的电磁辐射效应预测方法,设计了某无线电引信多源电磁辐照干扰试验方法。试验研究了某无线电引信双源连续波辐照干扰效应,得到了引信在不同频率连续波组合下发火的临界干扰场强组合。分别以数值分析方法和能量型干扰机理为理论依据,提出了两种双源连续波辐照下引信电磁干扰的预测模型。通过两种预测模型得到的相同频率下临界干扰场强组合与试验数据基本一致,证明了两种双源连续波辐照干扰预测方法的有效性。

双源连续波;电磁干扰;辐照效应;预测;插值法;能量型干扰

0 引言

随着无线电发射装备的大量应用,战场电磁环境日趋恶化,军用电子装备的抗电磁干扰性能得到重视。GJB151B—2013给出了部分装备电磁敏感度电平,提供了装备电磁敏感度测试方法[1]。四川大学电子信息学院研究发现在特定频率范围内,电磁辐射的功率密度达到一定值会导致某通信系统功能失效,并得到了系统失效时干扰电磁辐射的频率与功率密度的关系[2]。石家庄静电与电磁防护研究所研究了电磁脉冲作用下单片机集成电路发生死机或重启故障的静电放电电压阈值研究[3]。外国学者对设备在不同形式电磁干扰下的敏感度阈值进行了研究,并得到了一些有益结论[4-6]。但标准中和已有研究大部分是在单频点辐照下进行的,而实际战场电磁环境错综复杂,引信作为重要的武器装备单元,在复杂电磁环境下能否发挥效能至关重要。因此文中选取该引信为受试设备,研究了双源连续波辐照的辐照规律,并重点研究了双源连续波辐照下引信干扰预测方法。

1 实验方法及结果分析

1.1 实验平台搭建

引信双源连续波辐照实验平台如图1所示。两信号源产生不同频率连续波,经功率合成器合成后由200T1G3A型功率放大器进行功率放大。放大后的信号由双向耦合器传到AT4510M2型高增益喇叭天线。功率计主要是用于监测功率放大器的前向输入功率以及后向反射功率。辐照天线、受试某无线电引信和EMR-200电磁场辐射场强测试仪均置于电磁屏蔽室内,SS4323直流稳压电源通过屏蔽线为引信供电,使引信处于工作状态。引信水平放置在实验台上,弹体轴线方向与电磁波传播方向一致,使引信天线极化方向与辐照电场方向平行,以使引信处于对电磁辐照最敏感姿态[7],引信前端距辐照天线1.5 m,数字存储示波器用于监测引信发火信号。场强计由光纤连接外部计算机显示系统。

图1 双源连续波实验示意图

1.2 单源连续波辐照引信实验

为得到引信发火的干扰阈值,并更直观说明单频点辐照实验的指导意义不强,首先开展了单源连续波辐照实验。

实验方法:选取性能良好的引信处于加电工作状态。选择若干频点对引信进行单源连续波辐照。在每个频点上,由小到大调节信号发生器输出功率,直到示波器恰好观察到发火信号,此时引信处场强即为该频点下引信的发火临界场强。实验结果如图2所示(f0为引信本振频率)。

图2 单源连续波干扰实验结果

实验结果显示,单源连续波辐照时,当频率在引信本振频率附近时,干扰临界场强较小,随着连续波频率远离本振频率,干扰临界场强逐渐增大。这是由于接近本振频率的干扰信号更容易通过引信的滤波电路,干扰能量更容易进入高频电路进而引起检波管非正常性波动,导致引信意外发火。

1.3 双源连续波辐照引信实验

双源连续波辐照实验方法:打开信号发生器1到频率f1,调节信号源输出功率使辐照场强达到适当值E1,E1小于该频率下引信发火临界值。打开信号发生器2到频率f2,由小到大调节输出功率,直到恰好观测到发火信号。关闭信号发生器1,记录信号发生器2的单独辐照场强E2。则(E1,E2)为引信在两连续波辐照下的一对发火场强组合。按一定步长增大信号发生器1单独辐照的初始场强,重复上述实验步骤,得到两连续波的若干组发火场强组合。实验的4组结果如表1所示,为更加直观的显示实验结果,选取两组数据如图3、图4所示。

表1 双源连续波辐照下的干扰场强组合

实验结果显示,在双源连续波辐照下,当两个连续波各自的辐照场强均未达到各自单独辐照的临界发火场强时,仍可以使引信发火。实验结果显示,引信处于发火临界状态时,其场强组合呈现出一个连续波的辐照场强增大,另一个连续波辐照场强减小的规律。

图3 (f0-70) MHz与(f0-30) MHz辐照场强E1与E2组合

图4 (f0-40) MHz与(f0+80) MHz辐照场强E1与E2组合

2 干扰预测方法及分析

2.1 牛顿插值法

为研究双源连续波对装备电磁干扰的预测,以实验结果为依据,讨论以牛顿插值法[8]预测干扰临界值。

表1中在(f0-40) MHz和(f0+80) MHz两连续波场强组合中选取插值点(24.78,44.64)和(34.95,40.16),利用一次牛顿插值法求解当频率为(f0-40) MHz的连续波场强为29.87 V/m时,频率为(f0+80) MHz连续波的场强。一次牛顿插值公式为:

N1(x)=f(x0)+f[x0,x1](x-x0)

(1)

将数值代入公式,得N1(29.87)=42.41。

选取插值点(19.89,46.96)和(24.78,44.64)以及(34.95,40.16),利用二次牛顿插值法求解当频率为(f0-40) MHz的连续波辐照场强为29.87 V/m时,频率为(f0+80) MHz的连续波场强值。二次牛顿插值公式为:

N2(x)=f(x0)+f[x0,x1](x-x0)+

f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)

(2)

将数值代入公式,得N2(29.87)=43.31。

在实验结果中,(29.87,42.07)为这两列连续波的一对发火场强组合。一次牛顿插值法得到的结果与实验结果相差0.8%,二次牛顿插值结果与实验结果相差2.9%,预测结果均较好。

表1中在(f0-70) MHz和(f0-30) MHz的两连续波场强组合中选取插值点(35.03,25.91)和(44.76,23.93),利用一次牛顿插值法求解当频率为(f0-70) MHz的连续波辐照场强为39.81 V/m时,频率为(f0-30) MHz的连续波的场强值。则可以得到N1(39.81)=24.94。

选取插值点(35.03,25.91)、(44.76,23.93)和(49.95,21.47),利用二次牛顿插值法求解当频率为(f0-70) MHz的连续波辐照场强为39.81 V/m时,频率为(f0-30) MHz的连续波场强值。则可以得到N2(39.81)=25.72。

在实验结果中,(39.81,25.16)是这两列连续波的一对发火场强组合,一次牛顿插值法得到的结果与实验结果差相0.08%,二次牛顿插值结果与实验结果差相2.7%,预测结果均较好

从无线电引信接收机的非线性特性以及意外发火的机理考虑,在发火场强组合(E1,E2)中,E1与E2并不呈简单的多项式关系。所选预测点的结果显示一次牛顿插值法得到的数据结果比二次牛顿插值法精确,具有偶然性。由插值法原理可知,预测结果精度和插值点选择有关,插值点间隔越小所得计算结果越精确。

2.2 能量干扰预测法

根据能量型干扰的原理,提出了两种假设,一种假设是无线电引信的意外发火对引信所处位置的场强叠加值更为敏感,另一种假设是无线电引信意外发火对其所处位置的功率密度更为敏感。为此做了推导分析。

假设引信对所处位置的场强叠加值更敏感,即当外界场强达到一定值时,引信高频电路的某敏感点将达到阈值电压U0。

(3)

(4)

aE1+bE2=U0

(5)

(E1,E2)是两连续波同时作用时的一对发火场强组合。将式(3)、式(4)代入式(5),有:

(6)

假设引信对所处位置的功率密度更为敏感,即认为当外界功率密度达到一定值时,引信内部电路某敏感部位将耦合到阈值功率P0,即:

(7)

(8)

当两连续波同时作用时,有:

(9)

其中c和d是只和连续波频率有关的功率耦合系数。将式(7)～式(8)代入式(9),得到:

(10)

将实验得到的数据进行处理,如图5～图6所示。

图5 实验数据中S1与1的比较

图6 实验数据中S2与1的比较

由图可知,对于4组数据,S1的值均大于1,其中有两组实验数据的S2值全部小于1,(f0-60) MHz和(f0-20) MHz实验组的S2值大于1,(f0-70) MHz和(f0-20) MHz实验组的S2值有大有小。通过计算可以得出,无论在哪种假设下,对任意一个实验点,均有

S1≥S2

(11)

这在实验数据和图中都是很明确的。

对于两种假设,在理想情况下,应有:S1=1,S2=1,然而现实情况下,电磁波是由天线、孔缝等多种途径耦合到内部电路的,各个途径对电磁波的衰减不同,且存在双源连续波辐照下电磁场极化方向不同等问题,认为真实情况下应有S1大于1且S2也大于1。因此通过对实验结果的分析,认为第一种假设,即无线电引信对引信所处位置的场强叠加值更为敏感更为合理。

3 结论

上述两种某无线电引信双源连续波辐照干扰预测方法中,牛顿插值法不需要两连续波各自的干扰临界场强,但需要提供两连续波的干扰场强组合。它是一种纯粹的针对实验结果进行的数值处理,它的预测范围受到干扰场强组合范围的局限,只能保证在干扰场强组合范围内有较好精度,因而想要扩大预测范围,这种方法需要大量实验结果作依托,且预测结果的精度与插值点的选择关联性很大,插值点间隔越小,结果越精确。而能量型干扰预测方法是基于能量型干扰的机理提出的,仅需要提供两连续波单独辐照时的干扰临界场强,不需要提供更多实验数据。当S1小于1时,可以确定引信不会受到干扰,但当S1大于1时,引信受干扰与否不能确定。

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Prediction for Effects of Two Sine Waves Radiation on Frequency Equiment

GUO Yubing,WEI Guanghui,ZHAO Guoliang,PAN Xiaodong,LU Xinfu

(Institute of Electrostatic and Electromagnetic Protection, Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China)

In order to research the method of forecasting electromagnetic interference on equipment under complex electromagnetic environment, an experimental electromagnetic radiation interference project was designed. In the experiment, a certain radio fuse was chosen as EUT and it showed the evidence of critical interfering magnetic field strength when fuse at different frequencies combination. Based on the experiment results and energy type interference mechanism, two models for predicting EMI effects on fuse were present. It is proved that the two models for predicting EMI effects on fuse are effective, and this is consistent with the experiment.

two sine waves; EMI; radiation effects; forecast; interpolation by proportional parts; energy type interference

2015-04-16基金项目:国家自然科学基金(61372040)资助

郭玉冰(1993-),男,河北邢台人,硕士研究生,研究方向:电磁环境效应试验评估。

O441.1

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