阻塞干擾雙頻鈍感效應(yīng)規(guī)律與作用機(jī)理

趙 凱 魏光輝

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050003)

1 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，各種電磁信號(hào)在空域、時(shí)域、頻域密集重疊，電磁環(huán)境更加惡劣，裝備工作的可靠性以及生存能力受到嚴(yán)重威脅。當(dāng)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，會(huì)使有用信號(hào)增益降低，導(dǎo)致裝備性能降級(jí)甚至受損。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境中的生存能力是提高其電磁防護(hù)性能的基礎(chǔ)工作。

現(xiàn)行的抗擾度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)幾乎都以單源、單頻為背景，這與實(shí)際電磁環(huán)境有所出入[1-3]。有研究指出，通過(guò)單輻射源抗擾度試驗(yàn)后，裝備可能會(huì)在強(qiáng)度較低的多輻射源環(huán)境中受到干擾，包括不同射頻干擾和互調(diào)干擾的貢獻(xiàn)[4-6]。在非互調(diào)干擾效應(yīng)方面，根據(jù)阻塞干擾的機(jī)理，可將用頻裝備分為場(chǎng)強(qiáng)有效值敏感型和場(chǎng)強(qiáng)幅值敏感型兩類(lèi)，其中場(chǎng)強(qiáng)幅值敏感型對(duì)雙頻干擾更為敏感，針對(duì)這兩種類(lèi)型分別建立了干擾預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[7-11]。然而，通過(guò)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)強(qiáng)有效值敏感型裝備在某些情形下對(duì)雙頻干擾表現(xiàn)出鈍感，導(dǎo)致預(yù)測(cè)模型誤差增大。

本文首先通過(guò)電路非線性失真分析，從理論上探索了場(chǎng)強(qiáng)有效值敏感型裝備雙頻鈍感效應(yīng)規(guī)律與作用機(jī)理，而后以某型Ku波段頻率步進(jìn)雷達(dá)為受試裝備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)提高用頻裝備電磁防護(hù)能力提供了技術(shù)支撐。

2 理論分析

接下來(lái)探究雙頻干擾中單個(gè)分量強(qiáng)度變化對(duì)干擾效果的影響。假定系統(tǒng)受到雙頻干擾，其中干擾分量1強(qiáng)度保持恒定，則干擾分量2對(duì)有用信號(hào)增益的影響可通過(guò)下式分析

上述對(duì)雙頻鈍感效應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行了理論分析，結(jié)合冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式中非線性系數(shù)的特性可知，a1,a5>0對(duì)有用信號(hào)起到了放大作用，而a3<0起到了阻塞作用。由此可認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)非線性失真時(shí)，僅需保留冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式的a1與a3項(xiàng)，系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)有效值敏感，此時(shí)不存在鈍感現(xiàn)象；隨著非線性失真程度增加，a5項(xiàng)的作用不可忽視，致使雙頻鈍感現(xiàn)象出現(xiàn)。下面通過(guò)開(kāi)展雷達(dá)雙頻電磁輻射效應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)以上理論分析內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證與完善。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

受試裝備為某型0中頻體制Ku波段頻率步進(jìn)連續(xù)波雷達(dá)，工作頻率為f0±100 MHz(f0為中心頻率)，具備靜目標(biāo)測(cè)距功能，并可顯示不同目標(biāo)回波的電平[13]。具體試驗(yàn)布置如圖1所示。使用兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦連續(xù)波干擾信號(hào)，輻射天線同時(shí)充當(dāng)雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)。頻譜儀通過(guò)定向耦合器監(jiān)測(cè)干擾功率，并結(jié)合位置替換法與線性外推/內(nèi)插法獲取試驗(yàn)點(diǎn)處實(shí)際干擾場(chǎng)強(qiáng)[14]。

圖1 試驗(yàn)配置圖

試驗(yàn)中用目標(biāo)回波峰值電平的壓縮量反映有用信號(hào)增益的變化。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)增益壓縮1 dB時(shí)，可認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)了不可忽視的非線性失真[15]。為比較阻塞程度強(qiáng)弱對(duì)雙頻電磁輻射效應(yīng)規(guī)律的影響，將峰值電平壓縮1.5 dB, 6 dB和12 dB分別作為阻塞干擾敏感判據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.2 雙頻臨界干擾特性測(cè)試

基于不同的敏感判據(jù)與雙頻干擾頻偏，測(cè)定受試?yán)走_(dá)的單頻、雙頻臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于雙頻干擾頻率的選擇，首先要涉及受試?yán)走_(dá)工作頻帶內(nèi)與帶外頻率，以增加驗(yàn)證的可信性；其次，要防止雙頻干擾信號(hào)的3階互調(diào)頻率落入工作頻帶內(nèi)造成額外干擾[16]；另外，若2階互調(diào)差頻頻率(即兩者頻差)小于接收機(jī)末級(jí)混頻器后低通濾波器帶寬，則在某些情形下同樣會(huì)造成阻塞干擾[17]，故雙頻干擾信號(hào)的頻差要顯著高于低通濾波器帶寬。結(jié)合受試?yán)走_(dá)零中頻體制的特性，可選擇干擾頻偏為0 Hz,90 MHz與-150 MHz, 150 MHz的雙頻干擾信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)。

為便于表示，將雙頻臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)組合(E1,E2)相對(duì)其單頻臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)E10,E20進(jìn)行歸一化處理，并按場(chǎng)強(qiáng)有效值敏感雙頻電磁輻射效應(yīng)模型式(6)計(jì)算得到雙頻電磁輻射阻塞效應(yīng)指數(shù)R，結(jié)果如表1-表3所示。

表1 以峰值電平壓縮1.5 dB為敏感判據(jù)試驗(yàn)結(jié)果

表2 以峰值電平壓縮6 dB為敏感判據(jù)試驗(yàn)結(jié)果

表3 以峰值電平壓縮12 dB為敏感判據(jù)試驗(yàn)結(jié)果

表1是以峰值電平壓縮1.5 dB為敏感判據(jù)的試驗(yàn)結(jié)果，雙頻臨界干擾歸一化場(chǎng)強(qiáng)組合均小于1，說(shuō)明雙頻干擾信號(hào)對(duì)受試?yán)走_(dá)造成有效干擾時(shí)，各干擾分量所需能量小于其單獨(dú)作用；雙頻電磁輻射阻塞效應(yīng)指數(shù)約為1，說(shuō)明其符合有效值敏感雙頻電磁輻射效應(yīng)模型，此時(shí)系統(tǒng)可由冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式1,3階項(xiàng)來(lái)描述。表2、表3分別是以峰值電平壓縮6 dB, 12 dB為敏感判據(jù)的試驗(yàn)結(jié)果，出現(xiàn)臨界干擾時(shí)部分干擾分量歸一化場(chǎng)強(qiáng)大于1，說(shuō)明雙頻阻塞效應(yīng)出現(xiàn)了明顯的減弱現(xiàn)象，雙頻干擾信號(hào)反而削弱了干擾效果；雙頻阻塞效應(yīng)指數(shù)均有所上升，高至1.51，采用有效值敏感雙頻電磁輻射效應(yīng)模型評(píng)估其干擾效果誤差明顯增大。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)峰值電平壓縮6 dB, 12 dB時(shí)，相較于壓縮1.5 dB，系統(tǒng)非線性失真程度增大，冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式5階項(xiàng)的作用不可忽略，導(dǎo)致出現(xiàn)雙頻鈍感效應(yīng)；若此時(shí)雙頻干擾信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)滿足效應(yīng)指數(shù)R=1，則受試?yán)走_(dá)實(shí)際上并未達(dá)到臨界干擾狀態(tài)。上述試驗(yàn)結(jié)果與第2節(jié)理論分析相符。

3.3 有效電平相同時(shí)單頻、雙頻干擾效果對(duì)比

表4 單頻臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)與選擇系數(shù)比

對(duì)受試?yán)走_(dá)同時(shí)施加雙頻干擾。選定不同的干擾頻偏組合，結(jié)合選擇系數(shù)比A1/A2調(diào)整兩個(gè)干擾分量場(chǎng)強(qiáng)E1, E2，使雙頻干擾信號(hào)有效電平與表4中單頻臨界干擾有效電平相等，測(cè)量峰值電平壓縮量。按照ΔU1,2=|A1E1?A2E2|計(jì)算雙頻干擾信號(hào)兩分量的有效電平差，由于測(cè)試的目的僅在于分析規(guī)律，故可令A(yù)2=1 m進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如表5、表6所示。

由表5、表6可知，當(dāng)單頻、雙頻干擾信號(hào)有效電平相等時(shí)，在雙頻干擾下峰值電平壓縮量低于單頻情形，雙頻干擾效果差于單頻；雙頻干擾信號(hào)兩個(gè)分量的有效電平越接近，峰值電平壓縮量越小，干擾效果越差，受試?yán)走_(dá)對(duì)雙頻干擾越鈍感，與第2節(jié)理論分析相符。

表5 頻偏0 Hz, 90 MHz雙頻干擾試驗(yàn)結(jié)果

表6 頻偏-150MHz, 150 MHz雙頻干擾試驗(yàn)結(jié)果

3.4 分量強(qiáng)度變化對(duì)干擾效果的影響

對(duì)受試?yán)走_(dá)施加雙頻干擾。選定敏感判據(jù)，調(diào)整干擾分量1的場(chǎng)強(qiáng)E1，使受試?yán)走_(dá)在其單獨(dú)作用下處于臨界干擾狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上調(diào)整干擾分量2場(chǎng)強(qiáng)E2，記錄峰值電平壓縮量的變化，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)干擾分量1單獨(dú)作用使峰值電平壓縮12 dB時(shí)，隨著干擾分量2的增強(qiáng)，峰值電平壓縮量先下降后上升，即有用信號(hào)增益先上升而后下降。增益上升的現(xiàn)象與第2節(jié)規(guī)律分析相一致，其機(jī)理在于冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式的5階項(xiàng)放大了有用信號(hào)；當(dāng)干擾分量2增強(qiáng)到一定程度后，干擾分量1的作用可忽略，此時(shí)有用信號(hào)增益的變化與單頻干擾類(lèi)似[12]，隨干擾分量2的增強(qiáng)而下降。當(dāng)干擾分量1單獨(dú)作用分別使得峰值電平壓縮1.5 dB, 6 dB時(shí)，隨著干擾分量2的增強(qiáng)，有用信號(hào)增益下降。其中，當(dāng)峰值電平壓縮6 dB時(shí)，根據(jù)前文分析，系統(tǒng)輸入輸出冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式的5階項(xiàng)不可忽略，但是由于此時(shí)干擾分量1的強(qiáng)度相對(duì)較弱，3階項(xiàng)仍處于主導(dǎo)地位，鈍感現(xiàn)象不明顯，有用信號(hào)增益的上升過(guò)程不明顯，被試驗(yàn)誤差掩蓋。

圖2 峰值電平壓縮量隨干擾信號(hào)2場(chǎng)強(qiáng)的變化

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)有效值敏感型裝備的雙頻鈍感效應(yīng)規(guī)律與作用機(jī)理進(jìn)行了探究，得到結(jié)論如下：

(1)場(chǎng)強(qiáng)有效值敏感型裝備的雙頻鈍感現(xiàn)象是由冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式中5階項(xiàng)引起的。當(dāng)干擾信號(hào)較弱、系統(tǒng)非線性失真程度較低時(shí)，非線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可由精確到3階項(xiàng)的冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式來(lái)描述，單頻、雙頻干擾信號(hào)臨界干擾有效電平相等，有用信號(hào)增益決定于干擾信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)有效值，此時(shí)不存在雙頻鈍感現(xiàn)象；當(dāng)干擾信號(hào)增強(qiáng)、系統(tǒng)非線性失真程度增加時(shí)，冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式的5階項(xiàng)不可忽略，出現(xiàn)雙頻鈍感現(xiàn)象。

(2)作為敏感判據(jù)的峰值電平壓縮量越大，雙頻信號(hào)干擾效率下降越嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)雙頻臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)分量高于單頻臨界干擾場(chǎng)強(qiáng)的情況；當(dāng)單頻、雙頻干擾信號(hào)有效電平相等時(shí)，雙頻干擾效果差于單頻，且兩個(gè)干擾分量有效電平越接近，干擾效果越差。若在單頻干擾基礎(chǔ)上額外施加單頻干擾，隨著該單頻干擾的增強(qiáng)，有用信號(hào)增益先增加后減弱。

(3)對(duì)于不同裝備而言，需要基于不同敏感現(xiàn)象來(lái)選擇具體的敏感判據(jù)，但敏感現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是由有用信號(hào)增益壓縮引起的。因此，盡管本文中以峰值電平壓縮量作為敏感判據(jù)，但據(jù)此得到的相關(guān)結(jié)論完全可向其他情形推廣。