基于半實(shí)物環(huán)境的高功率微波信號干擾分析*

賀 宇，鄭浩月，王 哲，宋 滔，程慧斌

（中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

高功率微波（High Power Microwave，HPM）作為復(fù)雜電磁環(huán)境的重要組成部分，對各種基帶通信設(shè)備的工作將產(chǎn)生影響，而通過線纜輻射耦合是HPM干擾基帶通信設(shè)備中各互聯(lián)分系統(tǒng)的主要方式，因此，工程研究中，需要通過試驗(yàn)對線纜上耦合的HPM干擾信號進(jìn)行分析[1]。

通過試驗(yàn)研究HPM對基帶通信設(shè)備的影響效應(yīng)的方式主要有兩種，即：輻照試驗(yàn)和注入試驗(yàn)[2]。HPM輻照試驗(yàn)，是利用HPM脈沖發(fā)生器及輻射天線構(gòu)成能夠模擬高功率微波輻射的裝置，產(chǎn)生高強(qiáng)度的電磁脈沖，通過對基帶通信設(shè)備進(jìn)行空間輻射的方式考察相關(guān)的干擾效應(yīng)。HPM注入試驗(yàn)，是通過對線纜直接注入的方式，將HPM干擾信號（此干擾信號為HPM輻射在線纜上產(chǎn)生的耦合電壓）加載到基帶通信設(shè)備的線路上，從而考察相關(guān)的干擾效應(yīng)。

在實(shí)踐中，通過輻照試驗(yàn)對HPM干擾效應(yīng)進(jìn)行研究，存在HPM信號波形難以跟蹤記錄，試驗(yàn)用HPM輻射源功率要求高（兆瓦級以上），構(gòu)成復(fù)雜（HPM脈沖發(fā)生器包括：初級脈沖源、脈沖功率裝置、強(qiáng)流電子束發(fā)生器和高功率微波源系統(tǒng)等）且難以獲取，對試驗(yàn)環(huán)境要求苛刻（必須是電波暗室），試驗(yàn)費(fèi)用高昂等實(shí)際問題[3]，導(dǎo)致通過輻照試驗(yàn)的方法去研究HPM對基帶通信設(shè)備的干擾效應(yīng)存在較大困難。而注入試驗(yàn)對HPM輻射源的功率要求相對較低（千瓦級），試驗(yàn)系統(tǒng)容易構(gòu)建，對試驗(yàn)環(huán)境要求寬松（可以是開放場地），且試驗(yàn)費(fèi)用較低。因此，工程中，往往采用注入試驗(yàn)代替輻照試驗(yàn)的方式來等效研究HPM對基帶通信設(shè)備的信號干擾[4]，這就需要通過建立半實(shí)物仿真與試驗(yàn)環(huán)境（即：采用仿真生成信號與實(shí)物結(jié)合試驗(yàn)的半實(shí)物研究方式），確定注入試驗(yàn)中所需的干擾電流波形，以便等效分析HPM輻射耦合所產(chǎn)生的干擾電壓信號[5]。

另外，在研究過程中，通常只知道環(huán)境中HPM干擾信號的部分頻域特征（如：工作頻段、3 dB帶寬、中心頻率、場強(qiáng)均值、峰值功率或功率密度等），且無法得知其時域波形，而參考文獻(xiàn)[6]的方法，可生成試驗(yàn)研究所需的等效HPM干擾信號。

本文結(jié)合以上工程應(yīng)用背景，采用注入試驗(yàn)代替HPM輻照試驗(yàn)的方式，并基于半實(shí)物試驗(yàn)環(huán)境，等效分析HPM對基帶通信設(shè)備產(chǎn)生的信號干擾。首先，借鑒文獻(xiàn)[6]的方法生成試驗(yàn)所需的HPM干擾信號；其次，由實(shí)際設(shè)備構(gòu)建半實(shí)物試驗(yàn)的實(shí)物環(huán)境，并建立研究對象的數(shù)值模型；同時，利用仿真得到需要通過電流鉗注入到線纜上的干擾電流，再使用實(shí)際的信號源加載并生成該電流對應(yīng)的電壓波形；最后，將該波形作為半實(shí)物試驗(yàn)所用干擾信號，經(jīng)電流鉗注入到互聯(lián)線纜上進(jìn)行效應(yīng)試驗(yàn)，較好地滿足了對HPM輻照所產(chǎn)生的信號干擾分析的需要。

1 半實(shí)物環(huán)境的構(gòu)建

1.1 半實(shí)物模型

高功率微波主要通過線纜、孔縫等的“后門”耦合對基帶通信設(shè)備產(chǎn)生干擾[7]。因此，建立如圖1 所示的基帶信號處理與控制系統(tǒng)作為研究對象，并作為半實(shí)物試驗(yàn)環(huán)境中的實(shí)物模型部分，并重點(diǎn)分析后門耦合產(chǎn)生的信號干擾。

圖1 研究對象實(shí)物組成圖

該系統(tǒng)由控制計算機(jī)、伺服控制器以及轉(zhuǎn)臺等三部分組成，并通過RS232線纜進(jìn)行互聯(lián)。系統(tǒng)正常工作時，控制計算機(jī)利用其預(yù)裝的串口通信控制軟件產(chǎn)生控制命令，通過RS232接口向伺服控制器下發(fā)控制信號；伺服控制器利用串口協(xié)議，成功解析接收到的報文內(nèi)容后，將控制轉(zhuǎn)臺進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)。若控制計算機(jī)輸出的串口控制信號受到干擾而產(chǎn)生波形失真，致使信號解析失敗，則轉(zhuǎn)臺不會產(chǎn)生任何旋轉(zhuǎn)動作，且伺服控制器將向控制計算機(jī)反饋解析失敗所產(chǎn)生的亂碼，并在串口通信控制軟件的輸出界面中顯示；另外，控制計算機(jī)在接收到亂碼后將停止下發(fā)串口控制信號。

根據(jù)以上實(shí)物模型，建立半實(shí)物環(huán)境下的仿真模型。研究表明，后門耦合機(jī)理比前門耦合復(fù)雜，且前門耦合研究業(yè)已成熟，同時，場線耦合相對孔縫耦合將產(chǎn)生更大的能量[8]，所以，分析HPM的輻射耦合信號干擾，關(guān)鍵在于對后門場線耦合的研究。故將重點(diǎn)放在線纜的耦合信號仿真、試驗(yàn)與分析上，因此，該仿真模型的關(guān)鍵在于RS232線纜的建模。在半實(shí)物試驗(yàn)中，RS232串口將采用DB-9型線纜，該線纜橫截面、線型及所用材料如 圖2所示。

圖2 試驗(yàn)用RS232線纜截面、線型及材料

查閱線纜規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，可知該線型的RS232線纜的基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用RS232線纜基本參數(shù)

根據(jù)以上RS232線纜的幾何結(jié)構(gòu)、材料和基本電氣參數(shù)，并結(jié)合實(shí)物研究對象的組成、互聯(lián)及位置關(guān)系、外形尺寸、及其各自材料屬性等要素，在電磁場仿真軟件中建立如圖3所示的三維電磁仿真模型，以及RS232線纜的行為級模型，作為半實(shí)物試驗(yàn)環(huán)境中的仿真部分。其中，控制計算機(jī)與伺服控制器間的RS232線纜長度設(shè)為0.5 m。

圖3 研究對象的三維電磁仿真模型

1.2 干擾信號

高功率微波是一種強(qiáng)電磁脈沖信號，其頻率范圍一般認(rèn)為在0.3～300 GHz之間[9]，在考慮到超寬帶電磁脈沖頻率范圍的時候，可以將高功率微波信號頻率下限擴(kuò)展至100 MHz[10]。

由于所構(gòu)建的實(shí)物模型屬于較低工作頻率的基帶通信設(shè)備，而目前試驗(yàn)用超寬帶輻射源的中心工作頻率及3 dB帶寬多數(shù)都在300 MHz附近，故假設(shè)半實(shí)物仿真所用高功率微波干擾信號的部分已知頻域特征信息如表2所示。

表2 仿真用高功率微波信號部分頻域特征信息

對于窄帶與超寬帶高功率微波信號的界定，采用計算百分比帶寬的方法判別，公式如下：

其中，pbw表示百分比帶寬，fh表示相對于峰值功率下降3 dB時所對應(yīng)頻率的上限，fl表示相對于峰值功率下降3 dB時所對應(yīng)頻率的下限。當(dāng)pbw＞25%時，則可以判斷為超寬帶高功率微波。因此，根據(jù)表2中參數(shù)，由式（1）計算可知，所設(shè)干擾信號的百分比帶寬為50%，屬于超寬帶高功率微波。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，并結(jié)合文獻(xiàn)[6]的方法，生成可以用于代換以上設(shè)定干擾信號的等效時域信號波形，作為仿真所用超寬帶高功率微波干擾信號。將采樣頻率取為2 GHz，計算得到用于生成等效時域信號的帶通濾波器的脈沖響應(yīng)h(n)如下式所示：

由文獻(xiàn)[6]中計算脈沖序列時間的方法，得到以上脈沖響應(yīng)的時間序列的長度為110ns。將此時間序列等分成221個時間點(diǎn)，并與式（2）得到的脈沖響應(yīng)h(n)進(jìn)行一一對應(yīng)；同時，由表2中功率密度數(shù)據(jù)計算可知其時域電場強(qiáng)度峰值約為 1800 V/m，故可得到所需的等效高功率微波干擾信號的時域序列，將其作圖如圖4所示。

1.3 控制信號

試驗(yàn)中使用RS232信號作為控制信號。RS232接口的任何一條信號線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系，即：邏輯“1”對應(yīng)電平為-3～-15 V，邏輯“0”對應(yīng)電平為+3～+15 V，噪聲容限為2 V，工程中常見的情況是，邏輯“1”對應(yīng)電平為-12 V，邏輯“0”對應(yīng)電平為+12 V。

圖4 等效高功率微波干擾信號時域波形曲線

另外，RS232信號傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是按字符傳輸，并且傳送一個字符總是以起始位開始，以停止位結(jié)束，字符之間沒有固定的時間間隔要求。每一個字符由10個bit位組成，前面第一位是起始位（高電平），后面緊接著8位數(shù)據(jù)位，最后是一位是停止位（低電平），停止位后面是不定長度的空閑位（低電平）[11]。故每傳輸10 bit數(shù)據(jù)所需時間可由下式計算得到。

式中，bps表示波特率。在實(shí)物試驗(yàn)中，設(shè)置串口波特率為115 200 bit/s，由式（3）可知此時RS232傳輸一個字符所需時間約為86.8 μs，故傳輸一個bit數(shù)據(jù)所需時間約為8.68 μs。試驗(yàn)中，預(yù)設(shè)控制計算機(jī)下發(fā)的控制轉(zhuǎn)臺順時針轉(zhuǎn)動的命令字符為16進(jìn)制數(shù)據(jù)0x6112，使用RS232傳輸時，將其分成0x61和0x12兩部分，分別換算成二進(jìn)制數(shù)據(jù)并保留8位數(shù)為0B01100001和0B00010010，將其取反后為0B10011110和0B11101101，加入起始位和停止位后，則得到仿真所用控制信號數(shù)據(jù)幀格式如圖5所示。

圖5 控制信號數(shù)據(jù)幀格式（0x6112）

2 信號干擾仿真

2.1 仿真設(shè)置

建立了以上半實(shí)物仿真模型后，按照表3所示參數(shù)對仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。

表3 仿真設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果

基于以上仿真設(shè)置，并在仿真中使用圖4中的干擾信號，以及圖5中的控制信號作為工作信號。其中，由于試驗(yàn)中只使用RS232接口的TXD端（管腳3）發(fā)送控制信號，使用RXD端（管腳2）接收伺服控制器的反饋信號，故在仿真中，控制信號只設(shè)置在發(fā)送信號的TXD端，其余信號線上無工作信號；同時，在控制計算機(jī)與伺服控制器間的RS232線纜上設(shè)置電流注入與監(jiān)測探頭，最后，進(jìn)行場路協(xié)同仿真。在RS232線纜上無工作信號時，得到電流注入與監(jiān)測探頭上監(jiān)控到的電流時域波形如圖6所示。

圖6 仿真監(jiān)測到的電流時域波形

實(shí)際應(yīng)用中，高功率微波可以間隙性連續(xù)發(fā)射，頻率可達(dá)十赫茲以上[12]，因此，在試驗(yàn)中，將把干擾信號設(shè)置成間隔一段時間（1 μs）進(jìn)行重頻（重頻10次）發(fā)射的方式。為模擬此干擾過程，將以上監(jiān)測到的電流波形在時間軸上依次重復(fù)設(shè)置10次，且每兩次重復(fù)波形間的時間間隔設(shè)為1 μs，以此作為干擾信號加載到仿真所設(shè)置的電流注入探頭中，在RS232線纜上有工作信號的情況下，設(shè)置伺服控制器RS232接口的RXD端輸出阻抗為 50 Ω，再次進(jìn)行仿真，得到伺服控制器RS232接口的RXD端（管腳2）上的接收電壓信號時域波形如圖7所示。

圖7 伺服控制器RXD端上的電壓波形

由上圖可以看出，伺服控制器RXD端接收的RS232控制信號的一個字符數(shù)據(jù)幀的起始位和數(shù)據(jù)位的第一位，被電流注入探頭上加載的電流所干擾，干擾電流峰值約為15 V。

3 信號注入干擾試驗(yàn)

3.1 干擾信號的生成

根據(jù)仿真監(jiān)測到的電流時域波形生成實(shí)際的可由信號源產(chǎn)生的干擾電壓信號是注入試驗(yàn)的關(guān)鍵。考慮到電流注入探頭在200～400 MHz內(nèi)，其阻抗變化很小，而試驗(yàn)所用功率放大器在輸出功率小于125 W時工作在線性放大區(qū)域，故可認(rèn)為試驗(yàn)所用干擾電壓波形與圖6監(jiān)測到的電流波形基本一致，而只存在物理單位及量綱上的差異，因此，需要確定干擾電壓的初始幅值。通常，信號源的輸出功率設(shè)置為-10 dBm，在輸出阻抗為50 Ω的條件下，由下式可知信號源輸出的試驗(yàn)用干擾電壓的最大初始峰值幅度約為70.8 mV，故可確定干擾電壓時 域波形。

在確定了干擾電壓時域波形后，需要將其波形數(shù)據(jù)加載到實(shí)際的信號源中，而第一步是將得到的電壓波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號源可識別的文件格式。格式轉(zhuǎn)換在專用的主控計算機(jī)上進(jìn)行，并由定制的格式轉(zhuǎn)換軟件完成，其轉(zhuǎn)換原理及流程如圖8所示。

圖8 干擾信號波形數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換流程

首先，格式轉(zhuǎn)換軟件根據(jù)以上所確定的干擾電壓時域波形計算出其I/Q數(shù)據(jù)；其次，軟件將I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件，并將此二進(jìn)制文件根據(jù)信號源的文件格式約定，添加頭文件；最后，按頭文件中的參數(shù)約定打包二進(jìn)制數(shù)據(jù)，產(chǎn)生完整的電壓波形文件，并加載到實(shí)際的信號源中。

3.2 試驗(yàn)配置

為確保電流鉗注入的電流波形與仿真監(jiān)測波形一致，在試驗(yàn)開始前，需要進(jìn)行干擾信號的校準(zhǔn)測試，校準(zhǔn)測試的配置如圖9所示。

圖9 校準(zhǔn)測試配置

選取一段阻抗均勻的線纜作為校準(zhǔn)測試的受試線纜，設(shè)置功率放大器的增益為50 dB，調(diào)節(jié)信號源輸出功率，使用帶電流探頭的示波器對受試線纜上感應(yīng)產(chǎn)生的電流進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到的電流信號的幅值及波形與圖6基本一致時，固定此時信號源的輸出功率，將此時信號源的輸出作為試驗(yàn)所用干擾信號。校準(zhǔn)測試中，由示波器監(jiān)測到的干擾電流波形如圖10所示。

圖10 校準(zhǔn)測試中示波器監(jiān)測到的干擾電流波形

校準(zhǔn)測試結(jié)束后，在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行信號注入干擾試驗(yàn)。采用電流鉗將生成的干擾電流注入到控制計算機(jī)與伺服控制器間的RS232線纜上，并在伺服控制器RS232接口的RXD端監(jiān)測接收電壓信號波形，其試驗(yàn)配置如圖11所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將格式轉(zhuǎn)換后的干擾電壓文件加載到矢量信號源中，設(shè)置信號源重復(fù)10次發(fā)射，間隔時間1 μs， 同時，控制計算機(jī)向伺服控制器下發(fā)轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)的命令報文；期間，采用示波器上升沿觸發(fā)方式測量伺服控制器端RS232接口RXD端口接收電壓波形[13]，記錄試驗(yàn)現(xiàn)象如表4所示。

注入干擾電流時，示波器監(jiān)控到伺服控制器端RS232接口RXD端接收電壓波形如圖12所示。

圖11 注入試驗(yàn)配置

表4 試驗(yàn)現(xiàn)象記錄

圖12 伺服控制器端RS232接口RXD端接收電壓波形

從上圖可看出，伺服控制器RXD接收端電壓波形上產(chǎn)生了一系列（共10個）針狀干擾（圖中圈中部分），每個干擾間隔時長約為1 μs，干擾電壓峰值最大約為12 V，干擾總持續(xù)時間大約為10.1 μs。 由于干擾電壓峰值大于RS232信號對噪聲容限為2V的要求，因此，伺服控制器接收端在對此處信號進(jìn)行檢測時無法識別出正確的電平，導(dǎo)致對控制字符0x6112的解析失敗，從而致使順時針轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)臺停轉(zhuǎn)，同時，控制計算機(jī)上的串口通信控制軟件同步顯示伺服控制器反饋的亂碼。另外，從表4中“其它現(xiàn)象”可知，該干擾電流只是使RS232通信出現(xiàn)暫時的中斷，干擾消失后，通信隨即恢復(fù)正常，故從高功率微波對電子設(shè)備的毀傷等級劃分來看[14]，此時被測設(shè)備處于工作信號被短暫干擾狀態(tài)，其功能和性能未被降級，受高功率微波輻射影響的程度較輕。

將圖12與圖7進(jìn)行比較，可看出，針狀干擾出現(xiàn)的位置以及RS232信號波形均存在差異，但接收電壓波形上被加載的干擾信號的形式、時間順序、幅值大小等都基本吻合。而差異的原因，主要是由于仿真所設(shè)置RS232信號與干擾電流信號是同步的開始工作所造成的，而在試驗(yàn)中，干擾信號是在RS232控制信號的某個上升沿過后加載的。

4 結(jié) 語

本文研究了半實(shí)物試驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建，采用注入試驗(yàn)代替HPM輻照試驗(yàn)的方法，將數(shù)值仿真與注入試驗(yàn)相結(jié)合，等效分析了HPM對所構(gòu)建的基帶通信設(shè)備的輻照信號干擾。半實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果表明，峰值電場強(qiáng)度在1.8 kV/m以內(nèi)的超寬帶高功率微波還不足以通過線纜輻射耦合的方式，對本文所構(gòu)建的基帶通信設(shè)備造成毀壞性的輻射效應(yīng)，而只是對其正常工作信號產(chǎn)生了干擾，且具有可恢復(fù)性。

以上研究表明，在試驗(yàn)場地、輻射源、以及經(jīng)費(fèi)等條件有限的情況下，這種基于半實(shí)物環(huán)境的研究途徑是可行的，可為實(shí)際工程中研究高功率微波的輻射效應(yīng)提供一種有效的信號干擾分析方法。