電磁兼容預(yù)測分析在試驗中的應(yīng)用

王全升

(91550部隊 大連 116023)

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電磁兼容預(yù)測分析在試驗中的應(yīng)用

王全升

(91550部隊 大連 116023)

論文分析在復(fù)雜的電磁環(huán)境下開展試驗面臨的電磁兼容問題。研究了發(fā)射場電磁兼容預(yù)測分析的理論方法,給出了干擾預(yù)測的數(shù)學(xué)模型,可以在試驗設(shè)計、故障診斷、EMC加固方面得到應(yīng)用。

電磁兼容; 預(yù)測; 干擾; 加固

Class Number TN03

1 引言

靶場進(jìn)行武器系統(tǒng)試驗,測量裝備的安全可靠運轉(zhuǎn)是必要條件。這些測量裝備自成系統(tǒng),相對獨立,是靶場試驗獲取試驗數(shù)據(jù)的保證,由于艦艇平臺本身和飛行航區(qū)的復(fù)雜電磁環(huán)境,獨立于武器系統(tǒng)之外的測量裝備雖然已經(jīng)過電磁兼容試驗,卻使得試驗條件不能與裝備設(shè)計初衷一致,會給試驗方案的設(shè)計以及故障的分析排查帶來很多困難。因此在試驗開展前及開展過程中進(jìn)行電磁兼容預(yù)測分析是很有必要的,可以在下述方面發(fā)揮作用:

1) 根據(jù)飛行器接收指令、搜尋目標(biāo)時的工作特性,有助于分析飛行器內(nèi)部敏感度兼容性,以及與外界電磁環(huán)境的兼容性。

2) 對飛行器、艦艇平臺、測控站點聯(lián)試中出現(xiàn)的干擾問題進(jìn)行分析,為所涉及到的故障排查提供數(shù)據(jù)支撐。

3) 根據(jù)發(fā)射航區(qū)內(nèi)、外的電磁場分布,摸清背景電磁環(huán)境及應(yīng)用電磁環(huán)境,可以優(yōu)化測控系統(tǒng)站點以及站點內(nèi)部設(shè)備布局。

4) 若有干擾問題產(chǎn)生,可以分析產(chǎn)生干擾的根源,從而采取必要措施進(jìn)行調(diào)整防護(hù)。

靶場電磁兼容性預(yù)測,涉及所有無線電發(fā)射和接收設(shè)備,隨著航區(qū)的不斷擴展,試驗調(diào)動兵力的增多,試驗子系統(tǒng)越趨復(fù)雜。大量無線設(shè)備的應(yīng)用以及武器平臺本身的尋的、指揮設(shè)備構(gòu)成高密度的電磁環(huán)境。進(jìn)行預(yù)測時忽略電磁環(huán)境的密度,從干擾源,傳輸途徑和敏感設(shè)備的電磁干擾三要素著手,建立合理的數(shù)學(xué)模型。

干擾預(yù)測模型涉及兩類數(shù)據(jù)。第一類是設(shè)備標(biāo)稱的特性數(shù)據(jù),如發(fā)射設(shè)備的工作帶寬、基波和雜波發(fā)射功率;接收設(shè)備的工作帶寬、靈敏度和雜波響應(yīng);設(shè)備本身天線增益、傳輸極化形式和波束寬度;設(shè)備的工作頻率;設(shè)備工作時天線的方向等。第二類數(shù)據(jù)是干擾發(fā)射功率的大小、方向,調(diào)制特性,干擾距離,傳輸軟件和干擾時間等干擾特性參數(shù)。

2 系統(tǒng)干擾信號分析

靶場測控系統(tǒng)設(shè)備眾多,包括連續(xù)波雷達(dá)、脈沖雷達(dá)和測速雷達(dá),需要主站、副站多臺雷達(dá)配合才能獲取彈道參數(shù),還有完成目標(biāo)特性測量的相控陣?yán)走_(dá)等設(shè)備,覆蓋多個頻段。干擾信號為非正弦周期函數(shù),可用多個正弦函數(shù)表示,與頻率成整數(shù)倍關(guān)系:

(1)

滿足狄里克利條件的周期信號,可以描述為

時域:

(2)

頻域:

(3)

如果An是與頻率特性相關(guān)的周期信號函數(shù),那么其譜線將是離散的。當(dāng)T→∞時,nω=ω,有:

(4)

3 系統(tǒng)間電磁干擾分析

試驗實施時測控系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)及各子系統(tǒng)多且復(fù)雜,各頻段電磁信號密集交迭,用背景信號強度變化不均,頻譜占用度不同,電磁信號密度、類型與樣式多變。系統(tǒng)間的電磁干擾分析只能進(jìn)行概要分析,可以采用幅度篩選。為達(dá)到預(yù)測目的,必須考慮干擾時天線、饋線的固有頻率特性,然后對天線方向圖和設(shè)備的頻率特性進(jìn)行簡化,分類后制定約束條件。通過實際應(yīng)用可知,無線傳送設(shè)備的主要工作在波長很短的微波頻段,這就要求進(jìn)行空間傅立葉變換的精度提高。基于電磁兼容性原理,系統(tǒng)間干擾包括輻射干擾和傳導(dǎo)干擾,起到主要作用的是輻射干擾,干擾系統(tǒng)方程可采用對數(shù)表示法,與單程二次雷達(dá)計算公式相類似,公式如下:

(5)

實際運算考慮饋線損耗,把最后一項與Ls合并可得:

(6)

其中,1/N為噪聲干擾比,Gt為發(fā)射天線增益函數(shù),Gr為發(fā)射天線增益函數(shù),L0為饋線損耗(單位均為dB);Pt為發(fā)射機功率譜函數(shù),Pr為接收機響應(yīng)譜函數(shù)(單位均為dBm);R為干擾對的相互距離(單位m);f0為干擾對基波頻率(單位MHz)。

具體應(yīng)用中考慮通過某一空中反射目標(biāo)產(chǎn)生的相互干擾,式(6)可轉(zhuǎn)化為

-20lgf0+10lgSr+15.8

(7)

式中,R1為發(fā)射天線到反射目標(biāo)的距離,R2分別為接收天線到反射目標(biāo)的距離(單位:m);Sr為雙基地目標(biāo)散射目標(biāo)截面積(單位為:m2)。

3.1 發(fā)射機因素分析

分析發(fā)射機的工作原理,如今的發(fā)射管依靠主振放大式高功率輸出,那么其諧波、雜波量要比以往振蕩管直接輸出小。功率譜函數(shù)數(shù)學(xué)模型需要分別考慮雜波和諧波功率譜數(shù)學(xué)模型并且進(jìn)行統(tǒng)一綜合。

1) 雜波功率譜函數(shù)數(shù)學(xué)模型

可采用類似諧波數(shù)學(xué)模型公式

(8)

式中,f為雜波頻率,f0為發(fā)射機工作頻率(單位MHz);A′,B′為系數(shù),A′=A=-60dB,B′=B=-50dB;

2) 諧波功率譜函數(shù)數(shù)學(xué)模型

Pt=P0+AlgN+B

(9)

式中,P0(單位:dBm)是發(fā)射機額定輸出功率;N為諧波次數(shù),N≥2;A,B為系數(shù),A=-60dB,B=-50dB;

對雜波和諧波的功率譜數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合后通用表示為

(10)

發(fā)射機頻譜帶寬對于脈沖調(diào)制為20/τ,線性調(diào)頻脈沖為20d/τ,式中τ為調(diào)制脈沖寬度,d為脈沖壓縮比。f/f0的取值范圍為0.1～10,超過該范圍采用Pt=Pt0-110,表征含義為帶外雜波抑制最大達(dá)110dB。

發(fā)射機功率譜函數(shù)是寬頻帶噪聲及離散輻射的合成結(jié)果,其中包含了基波信號及其諧波、主振頻率及其諧波、噪聲、非諧波信號等。

3.2 接收機因素分析

所有通信設(shè)備易感裝置都可視為接收機,一般由高頻接收機,一、二次混頻,中頻接收機組成。對于單次混頻超外差接收機,能產(chǎn)生亂真(雜波)響應(yīng)的頻率為

(11)

式中,p為本振諧波數(shù);q為干擾信號諧波數(shù);fL0為本振信號頻率;fLF為中頻放大器頻率。一般取q=1,所以亂真響應(yīng)

fLP=|pfL0±fLF|

(12)

與發(fā)射機一樣,接收機的亂真響應(yīng)靈敏度為

(13)

3.3 天線增益分析

測控、測量設(shè)備及武器平臺的射頻設(shè)備天線一般分為面型天線和線型天線,這兩種天線有天線增益與有效面積成正比而且增益與頻率有關(guān)的共同點。線型天線有諧振特性,在頻率為0.5GHz～1.5GHz范圍內(nèi)經(jīng)常使用折合振子為八木振子的線型天線。面型和線型兩種天線其增益與頻率增益的基本公式表達(dá)為

(14)

高增益天線頻率引起的增益變化遠(yuǎn)比理論小,是由于型面誤差引起相位和饋源方向圖口徑分布函數(shù)變化的因素,此時用對數(shù)表示,頻率的比值平方關(guān)系變?yōu)橐淮畏?

(15)

式中,G0為標(biāo)稱增益(單位為dB);f0為標(biāo)稱增益對應(yīng)的頻率,f為預(yù)測頻率(單位為MHz)。

3.4 距離的計算

靶場試驗組織復(fù)雜,單次出動各類艦船幾十艘甚至上百艘甚為常見。隨著受試產(chǎn)品的性能提高,試驗航區(qū)的不斷拓展,飛機、衛(wèi)星不斷成為參試元素,合作試驗屢見不鮮,設(shè)備互擾日趨嚴(yán)重。航區(qū)內(nèi)預(yù)測分析可以采用直角坐標(biāo)系進(jìn)行運算,實際取經(jīng)緯度的精度為0.1(對距離的精度要求不高)即可,顯而易見,兩測量點間的距離為

R=[(dδΔδ)2+(dλΔλ)2+(Δh)2]1/2

(16)

式中,Δλ為經(jīng)度,Δδ為緯度,單位分(′);Δh為高程(單位m)。

計算經(jīng)緯度每分的距離,以R為地球半徑(單位m),β為測量點所處的緯度。

緯度每分的距離

(17)

經(jīng)度每分的距離

dλ=dδcosβ

(18)

4 干擾性能分析

實際應(yīng)用中更加關(guān)注性能預(yù)測。I/N為干擾噪聲比,是把系統(tǒng)內(nèi)部噪聲作為一個閾值,所有外來干擾信號與此閥值進(jìn)行比較,作為干擾量的度量。此法可以直觀的顯示出干擾對設(shè)備的影響程度,因為易感設(shè)備數(shù)量較多,閥值不同,實際應(yīng)用中根據(jù)各設(shè)備的調(diào)制方式采用不同的信噪比、門限電平。干擾信號在空域上縱橫交錯、在時域上持續(xù)不斷、在頻域上密集重疊、在效能上隨機多變。干擾、噪聲和信號之間有以下關(guān)系:

I/N=S/N-S/I

(19)

式中S/N為信號噪聲比,S/I為信號干擾比。

5 結(jié)語

武器裝備的信息化程度越來越高,同時試驗方式、試驗手段也在不斷發(fā)展,不斷增強的電子對抗也將成為試驗的常態(tài)。日益復(fù)雜的電磁環(huán)境,需要我們在電磁防護(hù)方面深入研究。在概要分析不能滿足實際應(yīng)用時可以進(jìn)行詳細(xì)預(yù)測分析,采用頻率篩選,即對發(fā)射機頻譜結(jié)構(gòu)和接收機選擇性的頻率響應(yīng)給予分析,通過進(jìn)一步對頻率特性分析、互調(diào)制、交叉調(diào)制分析和天線近場分析等手段得出預(yù)測結(jié)果。確保試驗子系統(tǒng)的各種電子設(shè)備正常工作以及測試數(shù)據(jù)、指令的安全保密將是組織試驗成敗的重要環(huán)節(jié)。

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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 作者簡介:王全升,男,工程師,研究方向:發(fā)射控制。

TN03

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.045