航天电子对抗第25卷第1期收稿日期:2008-12-05作者简介:赵兴录(1956-),男,教授,硕士,长期从事雷达、电子对抗等领域的科研和教学工作;盛松林(1975-),男,博士,工程师,主要研究方向为雷达与电子对抗;张继龙(1976-),男,博士后,工程师,主要研究方向为雷达与电子对抗。

系统间电磁兼容分析预测赵兴录,盛松林,张继龙(空军装备研究院防空所,北京　100085) 摘要:　简要分析了国内外系统间电磁兼容现状,选择和建立了系统间电磁兼容预测模型,对多种地面电子装备间电磁兼容的最小部署距离进行了预测和部分验证。

关键词:　电磁兼容;电子系统;电子设备中图分类号:　TN 937.3 文献标识码:　APrediction analysis of systems electromagnetic compatibilityZhao Xing lu ,Sheng So ng lin ,Zhang Jilong(Equipment Institute o f Land -Based Air Defence ,Equipment Academe of Air fo rce ,Beijing 100085,China )A bstract :T he pre sent situatio n of sy stem s e lectro magnetic com patibility is analyzed .Sever al pr edic tion mo dels of systems EM C are built and selected .T he minimal EM C distance betw een land -based air defe nse e -quipment is calcula ted and prov ed .Key words :electromag netic compatibility ;electr onic sy stem ;elect ronic equipment1　引言随着信息化时代的到来,现代战场上电子设备急剧增多,表现为激烈对抗条件下全频谱、多类型、高密度的电磁辐射信号在空间的立体传播及其相互影响。

随着电子装备的密集化,当它们部署在较近的空域内同时工作时,各装备间电磁兼容的问题就显得尤为突出。

若不能达到电磁兼容,则武器系统整体作战效能就会下降,不仅达不到预期作战目的,还可能相互制约,甚至导致某些武器系统不能正常工作。

因此,系统间的电磁兼容是确保掌握战场电磁主动权的基础。

本文就武器系统间的电磁兼容问题进行探讨,通过对目前系统间电磁兼容现状的分析,提出现有条件下仿真预测系统间电磁兼容最小间距的方法,并就将来多电子装备体系顶层设计和频谱管理等提出设想和建议。

2　系统间电磁兼容研究现状2.1　国外电磁兼容研究现状国外开展系统间电磁兼容问题的研究较早,有的已经应用于实战。

美国自1945年开始,颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范,并不断加以充实和完善,并开发了大量不同规模的预测分析软件,使得电磁兼容技术应用于军事领域较早。

在20世纪80年代,美国罗姆航空发展中心研制开发了1型干扰预测程序(IPP -1)和系统电磁兼容分析程序(SEM -CAP )。

IPP -1用来分析和估计拟用的或现有的发射机和接收机之间的潜在干扰,S EM CAP 则是一种大规模综合性的系统电磁兼容分析程序。

2.2　国内研究现状国内一些高等院校和科研院所已经逐步开展了电磁兼容预测分析技术研究,针对某些具体系统编制了部分预测分析软件。

而关于武器装备系统间电磁兼容问题的研究,相关的资料文献比较少。

在多种类、多数量武器系统密集部署时,迫切需要对其电磁兼容进行预测。

3　系统间电磁兼容预测与距离计算分析3.1　系统间电磁兼容预测模型3.1.1　系统间电磁兼容问题的特点系统间电磁兼容预测分析与单个系统内的电磁兼582009(1)赵兴录,等:系统间电磁兼容分析预测容预测分析不同,其模型的特点是:不必知道装备的详细内部特征,仅需要确定干扰源的发射特性和敏感设备的敏感度;采用逐对考虑,每次只选一个干扰源和一个敏感设备进行分析,即一次只考虑一个系统的电磁发射对另一个独立系统的电磁兼容影响,以下简称“发射-接收响应对”。

此外,虽然武器系统在设计时对功率(增益、杂散抑制度等设计指标类似)有规定,但是同一型号的设备实际功率输出是不相同的,该发射功率是统计平均值,其均方差越大,预测得到的电磁兼容最小间距的误差越大。

杂散和宽带噪声难以进行理论建模,需要通过实际测量得到,实际上,同一型号的两套系统的杂散和宽带噪声可能差异很大。

3.1.2　系统间电磁兼容建模电磁兼容问题涉及到3方面因素,即干扰源、传输通道和敏感设备。

如果对干扰源和敏感设备进行进一步细化,将干扰源分解为干扰源发射机和干扰源发射天线两部分,将敏感设备分解为敏感设备接收天线和敏感设备接收机两部分,则可以建立如下电磁兼容分析模型:IM=P t+G t-L+G r-P r(1)式中,I M为干扰余量(dB);P t为干扰源的发射功率(dBW);G t为干扰源发射天线的增益(dB);P r为干扰源与敏感设备之间的传播损耗(dB);G r为敏感设备接收天线的增益(dB);P r为敏感设备的敏感度门限(dBW)。

如果IM大于0dB,表示敏感设备处的干扰信号强度大于敏感度门限,则有干扰现象存在,表示两个系统出现了电磁兼容问题;如果I M小于0dB,表示敏感设备处的干扰信号强度小于敏感度门限,则无干扰现象,即两个系统间具有良好的电磁兼容性。

由(1)式可知,进行电磁兼容分析时,需对发射机、接收机、接收天线、发射天线和电波传播衰减等因素分别建立分系统级的模型。

由于一般的天线通常都是收发互易的,因此对武器系统中收发共用天线的情况,即在同型号武器系统间电磁兼容问题中,G r和G t可以用相同的参数带入计算。

但如果分析不同型号武器系统之间的电磁兼容问题,则干扰发射天线和敏感设备接收天线是不同的天线,不能进行合并处理。

3.2　电波传播衰减模型不同频率的电磁波的传播特性是不同的。

中波和短波均可以天波和地波的方式进行传播,由于本文研究局部区域的系统间电磁兼容性,所以仅考虑地波传播方式。

超短波主要是直射波传播方式,但是其绕射能力强。

微波则主要是直射波传播方式。

3.2.1　自由空间传输损耗自由空间的电波传播损耗有精确的计算方法,为[4]:L0=20lg R+20lg(4πf/c)(2)式中,f为电磁波的频率(M H z),R为距发射天线的直线距离(km)。

3.2.2　地形等因素引起的损耗自由空间中的传播公式应用条件非常严格,实际的地面防空武器系统总是部署在地表,在这种情况下需要考虑地面引起的损耗,特别是长距离情况下,还需要考虑地球曲率的影响。

在各种地形相关的传播模型中,Longley-Rice模型能够有效预测不规则地形上的传播损耗,其适用频率为20M Hz～20GH z,作用距离为1～2000km,极化方式为水平或垂直极化,天线架设高度范围为0.5～3000m,该模型比较适用于本文所研究的问题。

利用Lo ng ley-Rice模型计算传播损耗时,首先计算与距离、地形等因素有关的额外电波传播损耗,然后加上自由空间损耗。

实际的电波传播损耗计算公式如下:L=20lg R+20lg(4πf/c)+L a(R)(3)式中L a(R)是与距离、地形等因素有关的额外电波传播损耗。

在Long ley-Rice模型中该值的计算方法比较复杂,并且还涉及包括局部地面天线高度、地面折射率、等效地球半径、地面电磁参数、气候因子、天线间地平线距离和地形不规则参数在内的诸多参数。

Lo ng ley-Rice模型是以“点对点”模式或“区域”模型两种方式给出的。

当能够获得详细的地形数据,并且对任意特定路径由这些地形数据能确定上述参数时,那么预测模型就可以采用“点对点”模式。

如果没有地形剖面数据,预测模型需要估算与路径有关的这些参数,采用“区域”模式。

3.3　多级筛选预测当武器系统密集部署,且每种武器系统有多个辐射源混合部署时,所需研究的发射-接收响应对的数目庞大。

在这种情况下,可以采用多级筛选方法快速剔除不可能产生干扰的响应对,从而减少运算量和节省时间。

多级筛选一般可分为4级进行:快速剔除、幅度剔除、带宽与频率间隔修正、详细预测。

其中,快筛选预测是从工作频段上考虑,快速剔除工作频段相差较远的发射-接收响应对。

幅度剔除时简单考虑发射和接收时的响应幅度,并用自由空间电波传播损耗代替实59航天电子对抗2009(1)际损耗简化计算干扰余量,快速剔除不会产生干扰的发射-接收响应对。

带宽与频率间隔修正则进一步考虑到实际工作频段以及带宽的差异,对幅度剔除所得到的干扰余量进行修正并进一步剔除不会产生干扰的发射-接收响应对。

在快速剔除一些不会产生干扰的发射-接收响应对后,需要对余下的响应对进行详细预测。

多级快速电磁干扰预测分析方法如图1所示。

图1　分级筛选示意图3.4　系统间最小电磁兼容部署距离计算模型实际工作中,除了需要对部署一定间距的装备进行电磁兼性分析外,有时候还需要计算装备间的最小电磁兼容距离,从而确定装备间最小部署间距。

在电磁兼容问题的总体模型的5个因素中,只有1个因素与距离有关,即电波传播损耗L。

最小电磁兼容距离可以认为是一个临界距离,此时应该有干扰余量I M为零。

这时的电波传播损耗L是一个确定的值:L=P t+G t+G r-P r(4)此外,若考虑发射和接收天线极化方式的差异,可引入极化失配损耗L p,上式可以修正为:L=P t+G t+G r-P r-L p(5)结合电波传播损耗计算公式(3),从而可以得出如下最小电磁兼容距离R min计算公式:lg(R min)=0.05[P t+G t+G r-P r-L p-L a(R min)]+ lg[c/(4πf)](6)通常,和设备相关的P t、G t、G r、P r以及L p等参数可以通过实际测试获得准确数据,因此和最小电磁兼容距离相对应的传播损耗也是比较准确的。

但是电波传播损耗非常复杂,需要考虑地形地貌、气候等诸多因素,因此,电磁兼容最小距离的计算结果可能会有一定的误差。

4　多种系统混合部署电磁兼容实例对某两种地面武器系统混合部署时的电磁兼容情况进行分析,其中每种装备至少包含2个大功率雷达辐射源和数种中小功率通信辐射源。

具体的方法是:首先进行仿真计算得出电磁兼容最小距离;其次结合机动训练对数套装备进行部署验证,最后根据试验结果对模型、数据进行校正。

采用多级筛选技术对上述两种武器系统的电磁兼容情况进行预测,仿真结果表明,在两个型号武器装备之间不存在电磁兼容问题,但同型号装备之间可能会存在电磁兼容问题。