電磁混響室高強度輻射場下機載電臺敏感度研究

袁洪濤，段澤民，，仇善良，王建國

(1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院， 合肥 230009)(2.安徽省飛機雷電防護省級實驗室， 合肥 230031)(3.強電磁環(huán)境防護技術(shù)航空科技重點實驗室， 合肥 230031)

0 引 言

隨著電子信息科學技術(shù)的快速發(fā)展，各類軍用及民用的電子設(shè)備包括導航、雷達、通信、電磁干擾機等被廣泛應(yīng)用，導致電磁信號在作戰(zhàn)環(huán)境中形成了極為復雜的電磁環(huán)境[1-4]。而主要源自于雷達、無線電、廣播發(fā)射臺及其他地基、艦載或機載射頻發(fā)射器發(fā)射的能量，具有頻帶寬、作用時間長、電場強度高等特點的高強度輻射場(High-intensity Radiated Fields,簡稱HIRF)不利于飛機電子電氣系統(tǒng)的運行，更有甚者會導致航空器系統(tǒng)故障，造成嚴重后果[5]。復雜電磁環(huán)境對飛機各種機載設(shè)備的影響研究日趨成為軍事和民用工程技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注的要點之一[6-7]。其中機載電臺作為飛機典型用頻機載設(shè)備，對其進行HIRF輻照效應(yīng)試驗研究具有重要意義。

國際上已建立了較為完善的HIRF試驗標準，例如美國的RTCA/DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件和試驗程序 第20章 射頻敏感性(輻射和傳導)》[8]和SAE-ARP 5583《飛機在HIRF環(huán)境中的合格審定指南》[9]等。國外大量的試驗研究也已驗證了混響室是機載設(shè)備HIRF測試的理想試驗場地[10]。然而，目前國內(nèi)在混響室下進行的設(shè)備敏感度測試仍集中在通過性試驗，對于混響室不同工作模式下電子設(shè)備敏感度測試的研究較少，對于有關(guān)機載設(shè)備的報道更少。魏光輝等[11]、賈銳等[12-13]在混響室下對引信、不同的軍用醫(yī)療設(shè)備和雷達進行了輻照效應(yīng)研究，對比了混響室與微波暗室的相關(guān)性以及攪拌器不同工作模式對受試設(shè)備敏感度閾值測試結(jié)果的影響；但是，他們是按照國際電工委員會IEC61000-4-21標準中的試驗方法，在低場強下比較了信號源為連續(xù)波時攪拌速度對設(shè)備敏感度閾值的影響，沒有描述混響室高場強下信號源為脈沖波時，脈沖寬度對電子設(shè)備的敏感度閾值測試結(jié)果的影響。

本文依托航空工業(yè)合肥航太電物理技術(shù)有限公司在國內(nèi)建立的符合標準資格認證的混響室HIRF試驗平臺，選擇某型直升機機載電臺為研究對象，進行HIRF輻照效應(yīng)試驗，以確定在滿足標準要求的情況下如何快速有效地進行機載設(shè)備敏感度測試，以期為完善有關(guān)機載設(shè)備電磁輻射防護性能測試方法及標準規(guī)范，支撐直升機復雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗、評估和驗證提供借鑒。

1 HIRF輻射敏感度試驗

1.1 試驗環(huán)境

試驗用混響室為機械攪拌式混響室，由電磁屏蔽室和一個金屬攪拌器組成，與微波暗室不同，內(nèi)部無吸波材料，主要由表面鍍鋅鋼材質(zhì)的高導電反射金屬層墻壁、天線和被試設(shè)備等吸收電磁波。隨著攪拌器的攪拌，消除腔體諧振駐波效應(yīng)產(chǎn)生的空間電場的非均勻性，使電磁波在腔體內(nèi)部形成多模分布，并通過電磁場多模疊加提高場分布的空間均勻性。攪拌器轉(zhuǎn)動一周，混響室中的電磁場經(jīng)歷一個完整的變化過程。在統(tǒng)計意義上，通過機械攪拌器攪拌，混響室中的電磁場能實現(xiàn)空間均勻、各向同性和隨機極化的分布，以提供HIRF所需的理想電磁環(huán)境[14-15]。

混響室腔體尺寸為3.4 m×2.7 m×3.0 m，工作區(qū)域尺寸為1 m×1 m×1 m，最低測試頻率為400 MHz，通過配備國際先進的混響室測控系統(tǒng)和全固態(tài)功率放大系統(tǒng)，能夠滿足DO-160G標準中G類等級HIRF輻射敏感性試驗要求。該混響室可實現(xiàn)400 MHz～18 GHz頻段內(nèi)方波、連續(xù)波、脈沖波等各種波形測試，最大脈沖寬度可達100 μs的脈沖波形試驗，最高測試場強為4 000 V/m，且可以進行攪拌器步進與連續(xù)兩種工作模式的試驗。機械攪拌式混響室高強度輻射場輻射敏感度測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 混響室HIRF輻射敏感度測試系統(tǒng)

混響室場地主要布置如下：

(1) 攪拌器：由4片鋁制金屬漿葉組成，呈V折形，相鄰兩葉片的夾角為90°，葉片寬為38 cm，長度不同(從上至下依次為49、68、62、93 cm)，旋轉(zhuǎn)軸距離墻角兩表面均為50 cm；

(2) 發(fā)射天線：測試所用的發(fā)射天線型號為UHALP 9108 A1對數(shù)周期天線，其固定位置距離yOz平面43 cm、xOz平面66 cm、腔體上表面66 cm；

(3) 接收天線：與發(fā)射天線相同型號的對數(shù)周期天線，其位置可移動，方便接收測試區(qū)域電磁信號；

(4) 攝像頭：高清抗干擾攝像頭位置可以移動，以方便在控制室監(jiān)視受試設(shè)備狀態(tài)；

(5) 測試區(qū)域：測試空間尺寸為1 m×1 m×1 m，內(nèi)部放置1 m×1 m×80 cm的試驗臺，方便受試設(shè)備的擺放，試驗臺位置距離前后表面各85 cm、左右表面各120 cm；

(6) 受試設(shè)備(EUT):受試設(shè)備為某型直升機可用于收、發(fā)信號以及數(shù)字顯示的機載超短波電臺，其本身以及所連接屏蔽導線下部放有起絕緣隔離作用的泡沫。受試電臺放置在測試區(qū)域的試驗臺上，其大小以及相對試驗臺位置如圖2所示。

圖2 某型直升機機載電臺

1.2 試驗內(nèi)容

在電磁兼容領(lǐng)域中，機載設(shè)備的敏感度測試是為了確定使其產(chǎn)生錯誤運行的電磁干擾參數(shù)。試驗前驗證機載電臺是能夠正常使用的合格產(chǎn)品，并將調(diào)試正常工作狀態(tài)的機載電臺放入滿足標準資格認證的混響室測試區(qū)域內(nèi)。試驗中利用直流穩(wěn)壓電源通過屏蔽線對機載電臺供電，直流穩(wěn)壓電源供電不僅可以為機載電臺提供長期穩(wěn)定的電能，便于在試驗中控制開關(guān)電源調(diào)整機載電臺的工作狀態(tài)，而且達到了有效杜絕工頻對試驗結(jié)果影響的效果。在混響室測控室放置單獨的信號源為機載電臺發(fā)射信號，以有效控制機載電臺的收發(fā)狀態(tài)。試驗過程是通過改變混響室內(nèi)部HIRF場強，分別在混響室攪拌器處于步進模式和連續(xù)模式下不同攪拌速度、不同脈寬下進行機載電臺敏感度試驗。具體測試內(nèi)容如表1所示，測試頻段為400 MHz～2 GHz。

表1 測試內(nèi)容

參照DO-160G標準中第20章射頻敏感性測試方法，由于功率放大器的限制，將測試頻段分為400 MHz～1 GHz和1～2 GHz進行試驗。采用脈沖波為激勵源，分別設(shè)置攪拌器處于不同工作模式，以混響室能夠達到的DO-160G標準中高強度輻射場外部電磁環(huán)境的臨界試驗G類等級的2倍場強值進行頻段內(nèi)掃頻，找到受試機載電臺的敏感頻點，再對單個敏感頻點采用精確度為50 V/m的二分法進行逐級升降場強。試驗過程中由混響室監(jiān)視裝置觀測機載設(shè)備出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，找到受試設(shè)備是否正常工作的場強分界點，并以此記錄敏感度閾值。輻射敏感性G類試驗場強如表2所示，測試流程如圖3所示。試驗中頻率的點數(shù)選為每十倍頻100個頻率點，其計算公式為

fn+1=fn×101/100

(1)

式中：fn為試驗頻率，并且n=1×m，f1為起始頻率，fm為終止頻率，頻點數(shù)m=1+100×1g(fm/f1)，四舍五入至最接近的整數(shù)，即在400 MHz～1 GHz頻段內(nèi)需掃描41個頻點，1～2 GHz頻段內(nèi)掃描33個頻點。

表2 輻射敏感性G類試驗場強

圖3 測試流程

1.2.1 混響室攪拌器步進工作模式

DO-160G標準中對攪拌器步進樣本數(shù)的規(guī)定：攪拌器步數(shù)設(shè)置與攪拌器旋轉(zhuǎn)一周電場比相關(guān)，其中電場比的定義為攪拌器旋轉(zhuǎn)一周用到的電場絕對值的平方最大值與平均值平方之比[9]，DO-160G校準參數(shù)如表3所示。由于在步進模式下混響室在低頻段校準時12個步進數(shù)已滿足混響室的統(tǒng)計均勻性，且在400 MHz～2 GHz頻段內(nèi)能夠滿足標準規(guī)定，確定12步進數(shù)測試機載電臺的輻射敏感度閾值。

表3 DO-160G標準第20.6節(jié)要求的校準參數(shù)(起始頻率fs=100 MHz)

當攪拌器處于步進工作時，攪拌器扇葉分別處于12個不同位置，機載電臺敏感度的確定是對整個頻段內(nèi)每個頻點多個攪拌器位置下的測量進行統(tǒng)計處理的結(jié)果[16]。

1.2.2 混響室攪拌器連續(xù)工作模式

DO-160G標準中僅提供了攪拌器連續(xù)模式下對受試設(shè)備敏感度試驗的攪拌器攪拌速度與激勵源脈沖寬度的范圍，故本文在混響室攪拌器處于連續(xù)工作模式下，選取攪拌器攪拌速度和激勵源的脈沖寬度為變量，在400 MHz～2 GHz頻段，進行不同攪拌速度、不同脈沖寬度下機載電臺輻射敏感度試驗，得到攪拌速度和脈沖寬度對機載電臺敏感度閾值的影響。當攪拌器處于連續(xù)工作模式時，攪拌器以設(shè)定的恒定速率進行旋轉(zhuǎn)，扇葉位置變化無限多個，攪拌器在一定時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周完成測量數(shù)據(jù)的采集過程；再對每組測量數(shù)據(jù)進行平均，增加測量中所需要的統(tǒng)計特性；最后，以攪拌器旋轉(zhuǎn)一周后接收機所得到的最大值作為測試結(jié)果[17]。

(1) 對于攪拌器的攪拌速度，只要確定其攪拌速度能夠滿足場強的均勻性，并且受試設(shè)備能在一定時間里響應(yīng)這種變化的電磁場，即可認為確定的攪拌速度能夠進行有效測試[18]。因此，在脈沖寬度為4 μs、重復頻率為1 kHz的脈沖波調(diào)試下，分別設(shè)置2、5和12 r/min三種攪拌速度進行測試，以對比攪拌速度對機載電臺輻射敏感度的影響。

(2) 對于激勵源脈沖寬度，標準僅規(guī)定在測試頻段使用適當?shù)拿}沖寬度4 μs(或更大)和1 kHz脈沖重復頻率的激勵源進行測試。因此，本文試驗在攪拌器攪拌速度為2 r/min時，分別設(shè)置脈寬為4、10和20 μs,重復頻率為1 kHz的脈沖波進行對比，以確定激勵源脈沖寬度對機載電臺輻射敏感度的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

通過攪拌器在兩種工作模式下的掃頻測試發(fā)現(xiàn)：400 MHz～1 GHz頻段內(nèi)41個頻點受試機載電臺均能正常工作，未發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，這可能是由于混響室功率放大系統(tǒng)能力的限制，需要增大試驗場強值才能發(fā)現(xiàn)敏感頻點，在此測試系統(tǒng)下無法測試出受試電臺在400 MHz～1 GHz頻段的敏感度閾值；在1～2 GHz頻段內(nèi)掃頻33個頻點里有7個頻點受試設(shè)備出現(xiàn)不同的故障類型，其故障類型如表4所示。

表4 故障類型

2.1 攪拌器兩種工作模式對輻射敏感度的影響

在1～2 GHz頻段內(nèi)，設(shè)置激勵源為脈沖寬度4 μs、重復頻率1 kHz的脈沖波，對比攪拌器步進模式與連續(xù)模式下受試機載電臺敏感度閾值測試結(jié)果的差異，兩種工作模式機載電臺輻射敏感度閾值如圖4所示，將頻段內(nèi)每個敏感頻點視為一個單位，故采用等間距的形式繪制橫坐標(圖5、圖6亦同)。

圖4 兩種工作模式下機載電臺輻射敏感度閾值對比

從圖4可以看出：受試機載電臺在相同的頻點下，混響室攪拌器處于連續(xù)模式，無論采用何種速度和脈沖寬度，步進模式下敏感閾值的測試結(jié)果均大于連續(xù)模式下的測試結(jié)果。這與賈銳等[12]發(fā)現(xiàn)的三種不同非用頻軍用醫(yī)療設(shè)備輻射敏感度閾值在連續(xù)攪拌的測試結(jié)果低于步進攪拌模式的結(jié)論一致。造成此結(jié)果的原因是采用樣本數(shù)為12的步進攪拌模式可以看作是對攪拌器旋轉(zhuǎn)一周在停留位置離散地提取出12個強弱不同電場進行的疊加，而連續(xù)攪拌模式是攪拌器旋轉(zhuǎn)一周后，得到的一個扇形范圍內(nèi)較強電場的疊加[12]，因此，步進模式下敏感度閾值的測試結(jié)果在數(shù)值上必定要大于連續(xù)模式下的測試結(jié)果，即相對于步進攪拌模式，連續(xù)模式下更容易測試出機載設(shè)備的敏感度閾值。

2.2 連續(xù)模式下攪拌速度對輻射敏感度的影響

在1～2 GHz頻段內(nèi)，設(shè)置激勵源為脈沖寬度4 μs、重復頻率1 kHz的脈沖波，對比2、5和12 r/min三種攪拌速度情況下受試設(shè)備敏感度閾值的差異，不同攪拌速度下機載電臺輻射敏感度閾值如圖5所示。

圖5 不同攪拌速度下機載電臺輻射敏感度閾值

從圖5可以看出：當混響室攪拌器處于連續(xù)攪拌模式時，隨著攪拌器攪拌速度的增加，受試設(shè)備的輻射敏感度閾值呈下降趨勢。雖然選擇的攪拌速度與陳京平等[18]對于心電圖機的攪拌速度不同，但是所得到的在敏感頻點下隨著攪拌速度的增加，受試設(shè)備的敏感度閾值減小趨勢一致。這是由于攪拌速度增加會造成兩種截然相反的結(jié)果：如果攪拌速度太快，受試設(shè)備來不及響應(yīng)，則所需電場閾值應(yīng)增加；若因攪拌器攪拌引起的寄生感應(yīng)電流容易造成設(shè)備干擾，則所需電場閾值應(yīng)減小。顯然本文的試驗情況屬于后者。攪拌速度影響著攪拌器的攪拌效率，當攪拌器攪拌速度足夠快時，混響室內(nèi)產(chǎn)生的電磁環(huán)境會更加復雜[18]。因此，攪拌器攪拌速度較大時，機載電臺出現(xiàn)故障的敏感度閾值較低。

2.3 連續(xù)模式下脈沖寬度對輻射敏感度的影響

在1～2 GHz頻段內(nèi)，設(shè)置攪拌速度為2 r/min，激勵源為重復頻率1 kHz的脈沖波，對比脈沖寬度4、10和20 μs三種情況受試設(shè)備敏感度閾值的差異，不同脈沖寬度下機載電臺輻射敏感度閾值如圖6所示。

圖6 不同脈沖寬度下機載電臺輻射敏感度閾值

從圖6可以看出：脈沖寬度的增加會導致受試設(shè)備輻射敏感度閾值的減小。這是由于混響室產(chǎn)生相同的高強度輻射場所需要的電磁波功率是相同的，能量是功率作用時間的積分，隨著脈沖寬度的增加，高強度輻射場對機載電臺的電磁干擾能量變大，受試機載電臺就容易在較低的場強下出現(xiàn)故障。

3 結(jié) 論

(1) 在試驗環(huán)境相同條件下，無論是測試時間和測試成本的控制，還是對于機載電臺敏感度閾值確定的難易程度考慮，相對混響室步進工作模式，選擇混響室連續(xù)工作模式更適用于機載電臺敏感度測試。

(2) 當混響室攪拌器處于連續(xù)工作模式時，為滿足受試設(shè)備響應(yīng)要求以及寄生感應(yīng)電流干擾控制要求，均應(yīng)在有效的攪拌速度范圍內(nèi)降低攪拌器速度進行機載電臺敏感度測試。

(3) 當混響室攪拌器處于連續(xù)模式時，脈沖寬度的增加會得到機載電臺敏感度閾值降低的測試結(jié)果，表明對于機載電臺長脈沖干擾進行防護更為重要。

(4) 由于混響室功率放大器的性能以及測試時間和成本的控制，對于100 MHz～18 GHz整個頻段內(nèi)影響機載電臺敏感度閾值測試結(jié)果變化的其他因素需要再做更為詳細的測試和分析確定。

上述研究結(jié)論可為完善有關(guān)機載設(shè)備電磁輻射防護性能測試方法、標準規(guī)范以及軍工科研單位開展復雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗條件建設(shè)提供參考。