用频装备强场电磁辐射效应等效试验方法

卢新福, 魏光辉, 潘晓东, 万浩江, 孙江宁

(陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应重点实验室, 河北 石家庄 050003)

0 引 言

现代信息化战争的制胜关键是获取战场的制电磁权,除电子对抗等军事手段外,对敌方雷达、电台等通信装备进行无信息型电磁干扰甚至损伤攻击也是各军事大国争相发展的攻击手段,例如美军高功率微波武器CHAMP导弹的列装,是这种攻击手段的典型应用。在高功率微波武器、超宽带电磁脉冲武器等的作用下,用频装备的正常工作受到极大的威胁,因此事先开展用频装备的强场电磁辐射效应测试,摸清装备的强场电磁环境适应能力,对于用频装备在战场正常发挥作战性能以及进一步改装具有重要的意义。用频装备是大功率辐射源攻击的重要对象,检验用频装备的抗干扰能力十分必要。

然而,传统电磁辐射效应试验过于依赖大功率放大器,尤其是按照GJB 1389A要求,电磁辐射试验需要模拟的电磁环境场强需要进一步提高,对于大型装备而言,需要在大空间范围内模拟强场电磁环境,这样的试验代价十分高昂甚至难以实现。为此,开展强场电磁辐射效应等效试验的方法研究已成为强场电磁环境效应评估领域重要的发展方向。电流注入法作为其中一种等效试验方法,日益受到研究者的重视。目前,用于等效电磁辐射试验的注入方法主要包括:大电流注入法(bulk current injection, BCI)、直接电流注入法和差模注入法。BCI方法主要用于线缆耦合途径下等效电磁辐射试验,但目前研究主要集中于不同线缆类型下BCI与辐射试验的等效性,针对非线性受试设备(equipment under test,EUT)的强场电磁辐射效应的等效研究还需进一步开展。对于天线和同轴线缆为耦合途径的电磁辐射效应试验而言,应采取差模注入法开展等效试验,该方法已被国军标GJB 8848—2016采用,然而由于注入监测耦合装置的影响,现有差模注入方法等效的是辐射试验时接入耦合装置的情况,这与应当开展的电磁辐射试验结果存在差别,需要在原有方法的基础上进行校准。本文提出了差模等效注入法的校准方法,并将该方法用于通信电台这一典型用频装备的阻塞效应等效试验中,验证了校准后的等效注入试验方法的正确性和工程实用性。

1 差模注入等效试验校正方法

1.1 差模注入等效强场试验方法

对于天线系统,在天线和互联同轴线缆为电磁辐射耦合途径的情况下,干扰信号通过EUT端口,此时通过等效注入试验,保证进入EUT端口的干扰信号与辐射时相等,则可实现注入对辐射的等效。天线互联系统的等效电路如图1所示,辅助设备A和受试设备B通过同轴线缆互联,为实现干扰信号的监测和注入,在受试设备端口连接注入监测耦合装置。

图1 辐射和注入的试验配置Fig.1 Experimental setup for radiation and injection

根据戴维南等效的思想,在辐射和注入的无源网络模型相等的前提下,只要辐射注入时等效源相等,则EUT响应也相等,由于场线耦合过程是线性的,因此辐射场强与辐射等效源、注入电压与注入等效源间的关系均为线性的,因而,在辐射和注入的无源网络模型相同的前提条件下,场强和等效注入电压的关系是线性的,与EUT特性无关。由于注入时需要在受试系统中接入注入监测耦合装置,因此辐射时也需接入该耦合装置。

(1)

为避免注入源电压受到EUT特性影响,应直接使辐射和注入时EUT输入端口的初始入射波电压相等,即

(2)

其中上标W和I分别表示辐射和注入时的物理量。在此条件下,由于辐射和注入时线缆两端设备一致,所以经过多次反射后的入射波电压同样可保证相等,即

(3)

(4)

图2 注入时信号源所需模拟信号Fig.2 Analog signal required by signal source during injection

1.2 校正方法

由于同轴线缆的耦合能力较弱,从EUT端口进入的干扰信号主要是天线耦合的。耦合装置接入系统的影响主要是改变了主通道的插损和等效线长,这些影响会导致EUT端口左侧的等效源电压和源阻抗发生改变,进而导致EUT响应出现变化。因此,注入试验等效的其实为线长和主通道插损均增大的辐射情况,其中线长为

′=+

(5)

式中:为原有互联线缆的长度,为耦合装置的等效线长,插损为原有互联线缆插损加上耦合装置主通道插损。

想要完全校正耦合装置接入带来的影响,需要减小辐射时主通道的插损和等效线长。为减小等效线长,可改用长度为-的互联线缆,保证该线缆加上耦合装置后的等效线长与原有互联线缆长度一致。这相当于用耦合装置替换了一段长度为的线缆,然而,耦合装置插损一般大于等长线缆插损,所以校正后插损仍存在一定偏差。为减小该误差,应尽量降低耦合装置的插损。

然而,在工程试验中,一般不必进行严格校正,应主要从敏感度测试结果的角度进行补偿。由于天线本身的响应规律一般不会受到互联线缆长度的影响,因此耦合装置接入系统对天线自身的响应特性基本没有影响,只是天线响应信号在沿线缆传输过程中的损耗和时延会增大。耦合装置的插损主要会导致EUT输入端口接收的信号幅值减小。因此,通过将有用信号和干扰信号放大,可以抵消耦合装置插损的影响,信号放大的分贝数应等于耦合装置主通道插损的分贝数。另外,耦合装置接入后,信号传输时延会有微小增加,而很多情况下EUT效应对此微小时延并不敏感,此时可不必对时延进行补偿。因此,在等效注入试验时应将工作信号和等效干扰信号均提高k倍(耦合装置主通道插损值),所得结果与不接入耦合装置的辐射试验结果等效。

2 通信电台阻塞效应等效注入试验验证

2.1 等效注入试验方法验证

选取某型超短波通信电台作为受试对象,由于试验选取的频率范围是30～88 MHz,因此选用100 kHz～1 GHz频段的耦合装置。试验配置如图3所示,发射电台天线和接收电台天线间距离25 m,干扰天线和接收天线间距离20 m。为模拟正常通信情况,实现接收电台接收到的工作信号强度与实际情况可比拟,在发射电台和发射天线之间连接40 dB衰减器。耦合装置监测端连接频谱分析仪,辐射时耦合装置注入端口连接匹配负载,注入时则连接信号源。

为验证试验方法的有效性,将干扰信号位于带内和带外的两种情况均进行了试验。带内辐射试验时,由于所需干扰功率较小,所以干扰天线连接额定输出功率为50 W的功率放大器(AR 50WD1000),而注入试验时则不需要使用功率放大器。带外辐射试验时,由于所需干扰功率较大,因而干扰天线连接额定输出功率为10 kW的功率放大器(AR 10000LM45),注入试验时使用50 W功率放大器。

选择电台数字通信的误码率作为观察阻塞效应的定量判据。通过试验验证,选择误码率达到0.1作为出现阻塞效应的判据,此时临界干扰场强测试结果的重复性良好。

首先开展电磁辐射试验,调节干扰功率使起始场强值较小,保证开始试验时接收电台基本不受干扰。开展链路测试,记录误码率、干扰场强和耦合装置监测端电压值。逐渐增大干扰源功率,记录误码率为0.1时的场强值,该值即为临界干扰场强。需要注意的是,当误码率达到0.1附近时,误码率随场强变化十分敏感,为找到误码率为0.1时对应的场强,应将场强调节的步长减小。需要注意的是,为保证测试结果的准确性,上述试验应反复开展几次,获取临界干扰场强的平均值。

图3 电台为受试对象时差模注入等效连续波强场辐射的试验配置Fig.3 Test setup for differential-mode injection equivalent continuous wave intensity field radiation with communication station under test

当干扰频率位于带内时,对应的临界干扰场强值很小,由于场强计的精度限制,无法直接测试得到此时的场强值。为解决这一问题,采取线性外推方法。试验时首先进行场强标定,在场强计能够准确监测的前提下获取场强E和干扰天线输入功率开方值的比例关系,即

(6)

由天线的线性性质可知,比例关系在高低场强条件下保持不变,低场强辐射试验时直接监测干扰天线的输入功率,进而根据式(6)可计算出相应的场强值。

其次开展等效差模注入试验。根据辐射试验测试数据,在电台误码率为0的情况下,由监测端电压值确定场强和注入电压的等效关系。之后增大注入源功率,记录误码率为01时对应的注入电压值。根据得到的场强和注入电压的等效关系,计算出等效的临界干扰场强值,与辐射试验结果进行比较。

选取不同的工作频率和干扰频率开展上述试验,得到工作频率分别为和时辐射和注入的临界干扰场强曲线如图4所示。由图4可知,干扰频率离工作频率越近,对应的临界干扰场强越小,这是因为干扰信号此时更容易通过通信电台前端电路的滤波器。辐射和注入结果表现出了良好的等效性,为定量比较,计算了对应数据间的误差,如图5所示。图5中的最大误差为-07 dB(对应百分比误差为77%),从工程试验的角度而言,这一结果说明提出的差模注入等效连续波强场电磁辐射效应试验方法有着较高的准确性。造成上述试验产生误差的原因可能包括以下4个方面。

(1) 由于功放本底噪声和电台工作信号的影响,测试得到的监测端电压值可能不准确,影响了场强和注入电压等效关系的建立;

(2) 试验通过误码率获取临界干扰场强值,由于试验重复性存在一定误差,在同样的场强(或注入电压)下,重复试验得到的误码率可能不完全相同,因而导致最终辐射和注入结果间存在误差;

(3) 不同的场强(或注入电压)作用下可能均会出现误码率为01的情况,由于场强和注入电压的调节存在一定步长,导致得到的临界干扰场强值存在偏差;

(4) 对于部分试验频点,当误码率在01附近时,误码率随功率变化十分敏感,在试验确定的步长下,有时可能难以达到误码率刚好为01的状态。

图4 天线为耦合途径时辐射和等效注入试验得到的临界干扰场强值Fig.4 Critical interference field strength for radiation and equivalent injection test with antenna as main coupling route

图5 天线为耦合途径时试验所得临界干扰场强值间的误差Fig.5 Error of critical interference field strength with antenna as main coupling route

进一步计算了图5中两组曲线的相关性,得到频率为和时辐射和注入结果的相关系数分别为0.999 6和0.999 7,说明辐射和注入试验结果有很好的相关性,进一步证明了试验方法的准确性。

在上述带内试验的基础上,进一步开展带外试验,验证此时试验方法的准确性。考虑到试验时干扰天线辐射功率的限制,选取偏离工作频率较近的带外干扰频率,得到不同频率下辐射和注入的(等效)临界干扰场强如表1所示。

表1 不同频率下辐射和注入的临界干扰场强值

严格意义上,受试电台的带内是偏离工作频率±30 kHz以内,表1中干扰频率偏离工作频率约为1 MHz,此频偏已明显位于带外。上述带内试验中部分干扰频率的频偏达到100 kHz,其位于带内和带外之间的过渡区。由表1知,不同工作频率和干扰频率下辐射和注入试验结果间误差很小,除其中一种情况的误差达到-1.31 dB(对应的百分比误差为14%)外,其余点的误差模值均小于0.5 dB(对应的百分比误差为5.93%),证明了本试验方法对于带外情况同样适用。个别频点误差相对较大的原因主要是该频点电台阻塞效应结果的重复性较差。

需要说明的是,试验中接收电台整体置于辐射场中,与实际的工程试验情况一致。在天线为主要电磁辐射耦合途径的测试频段下,可采用这种配置开展差模注入等效辐射效应试验,结果证明该方法具有较高的准确性和工程实用性。

为使得受试电台在带外出现阻塞效应,注入试验所需电磁波功率远小于辐射试验,因而可大大降低试验费用,而当频偏进一步增大后,受到功率放大器输出限制,辐射试验已无法使得受试电台出现阻塞效应,而注入试验仍可以用较小的功率使得受试电台出现阻塞效应,因而具备了显著优势。然而,辐射试验时受试系统中接入了注入监测耦合装置,因此注入试验等效的是该配置下辐射试验结果,与原本无耦合装置的辐射试验结果存在差别,需要对注入试验结果进行校正。

2.2 校正方法验证

天线耦合途径下,线长改变的影响主要是信号传播的时延出现变化。当耦合装置接入后,有用信号和干扰信号的传播时延会有微小的增加,但这一改变对于阻塞效应的敏感度测试结果没有影响,因此线长的影响可不必校正。此外,耦合装置接入后会导致主通道插损增大,进一步使得工作信号和干扰信号的衰减增大,如果耦合装置主通道插损较大,则最终敏感度测试结果也会受到较大影响。因此,应主要讨论如何校正耦合装置插损带来的影响。

本试验所用耦合装置主通道的插损约为=3.8 dB,因此接入耦合装置后,工作信号和干扰信号传输到接收电台输入端口时的幅值均比没有耦合装置时减小约倍。为此,试验时应将工作信号提高倍,此时接收电台输入端口处的工作信号强度与没有接入耦合装置时相等。干扰信号在试验时可不必调整,则得到的临界干扰场强值比无耦合装置时高出约倍,因此将接入耦合装置时的试验结果降低倍,就可获得无耦合装置时的临界干扰场强值。

为证明上述分析的正确性,按照图3所示配置分别开展有无耦合装置的辐射试验。接入耦合装置时将发射电台工作信号强度相对于无耦合装置时提高3.8 dB,实现的方法是将发射电台和发射天线间衰减器衰减倍数由40 dB调整为36.2 dB。在其他条件不变的情况下,得到两种情况下的临界干扰场强如图6所示。由图6可知,两种情况下曲线形状基本一致,只是各数据点间存在一定的差值,计算得到该差值的大小如表2所示。可以看出,两种情况的差值均接近3.8 dB,各频点的最大误差不超过0.78 dB(对应的百分比误差为9.4%),证明上面提出的校正方法是正确的。试验出现误差的原因主要是个别频点测试结果的重复性相对较差。需要说明的是,对于设计的应用频段为600 MHz以上的其他耦合装置,其主通道插损在大部分频段小于1 dB,与等长线缆的插损接近,因此其接入后对原系统的影响相对较小,校正时只需进行微调即可。

图6 天线为耦合途径时辐射试验是否接入耦合装置对应的临界干扰场强Fig.6 Critical field strength involving coupling device or not with antenna as main coupling route

表2 天线为耦合途径时不同频点是否接入耦合装置所得临界干扰场强差值ΔE

3 结 论

基于电磁场理论,本文研究了采用线性外推方法开展差模等效注入试验所需满足的条件,分析了该方法引起误差的原因,提出了差模注入等效强场电磁辐射的校正方法,在接收天线为耦合途径的情况下,实现了注入法与电磁兼容测试标准要求的电磁辐射试验结果等效。将改进后的差模注入等效试验方法应用于用频装备强场电磁辐射效应等效试验,以通信电台为受试对象,将辐射和注入试验均出现阻塞效应作为判据,验证了等效注入试验方法的准确性。针对工作信号和干扰信号同时存在的实际情况,提出了对应的校正方法,所得注入试验结果与电磁兼容标准规定的电磁辐射试验结果间误差小于14 dB,并且所需电磁功率显著降低,该方法可用于实验室开展用频装备强场电磁环境效应评估试验,具有工程应用价值。