通信電臺電磁輻射簡介

王冬 宋頂山 楊飛

摘 要：為客觀評價通信裝備的抗電磁干擾能力，從電磁輻射試驗裝置構(gòu)建、輻射場強測定、語音干擾效果評價方法、干擾檢測和試驗程序等方面，設(shè)計了通信電臺電磁輻射效應(yīng)試驗方案。通過典型短波、超短波電臺超寬帶電磁脈沖和單頻連續(xù)波輻射效應(yīng)試驗研究，驗證了效應(yīng)試驗方案的可行性，確定了超寬帶電磁脈沖輻射時通信裝備的主要故障模式（顯示異常、語音被壓制、語音中斷、死機或重啟）和不同故障模式的臨界干擾場強值以及單頻連續(xù)波電磁輻射的效應(yīng)規(guī)律和作用機理。試驗結(jié)果表明：受試短波、超短波電臺的單頻連續(xù)波電磁輻射干擾敏感帶寬分別為±4 kHz 和±15 kHz 左右，帶內(nèi)臨界干擾場強在mV/m 的數(shù)量級，而帶外抗電磁干擾能力約為50 V/m以上。

關(guān)鍵詞：通信;電磁輻射;電磁干擾;超寬帶;連續(xù)波;效應(yīng)機理

未來生活及其他各種環(huán)境電磁環(huán)境十分復(fù)雜、惡劣，對信息化裝備將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通信裝備是C4ISR （command，control， communication， computer， intelligence，surveillance，reconnaissance）系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，更是保證信息暢通的紐帶，對整個戰(zhàn)爭進(jìn)程和結(jié)局起著至關(guān)重要的作用，必將成為電磁武器的攻擊重點。通信裝備如果沒有足夠的抗電磁干擾能力。就難以進(jìn)行有效的信息傳輸，甚至貽誤戰(zhàn)機。研究通信裝備電磁輻射效應(yīng)機理，是提高通信裝備電磁防護(hù)性能的基礎(chǔ)工作，受到了西方軍事強國的高度重視。

美軍從20 世紀(jì)60 年代開始研究軍械裝備的電磁危害問題，并逐步將研究內(nèi)涵由“射頻對軍械的危害”擴展到目前的“裝備電磁環(huán)境效應(yīng)”，在概念和研究范圍上不斷更新和發(fā)展。在20 世紀(jì)80 年代初，美軍開始系統(tǒng)研究包括主戰(zhàn)坦克、飛機及電子裝備在內(nèi)的電磁輻射效應(yīng)問題，相繼給出了試驗程序和評估方法。與此同時，開始關(guān)注電子元器件的電磁脈沖損傷效應(yīng)，美空軍裝備司令部太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心組織開展了砷化鎵場效應(yīng)管（GaAsFETs）和高電子遷移率晶體管（HEMTs）高功率微波損傷閾值的研究工作。但是，受保密因素的影響，有關(guān)具體裝備電磁輻射效應(yīng)規(guī)律與作用機理方面的文獻(xiàn)鮮有報道。

我國自20世紀(jì)80 年代后期開始重視電磁兼容性和電磁輻射對武器裝備的危害問題研究，在核電磁脈沖、高功率微波、超寬帶（UWB）電磁脈沖以及連續(xù)波電磁輻射對武器裝備的效應(yīng)機理方面進(jìn)行了深入的研究，揭示了典型裝備電磁輻射干擾通道、效應(yīng)機理和電子器件電磁脈沖損傷規(guī)律，對提高裝備的電磁防護(hù)性能發(fā)揮了重要作用，但研究工作的系統(tǒng)性還有待加強。本文以典型短波、超短波通信電臺為受試對象，系統(tǒng)研究了超寬帶電磁脈沖和單頻連續(xù)波電磁輻射效應(yīng)規(guī)律，揭示了干擾通信電臺正常工作的電磁輻射能量耦合通道及作用機理，為通信電臺電磁防護(hù)加固奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

一、超寬帶電磁脈沖輻射效應(yīng)機理

超寬帶電磁脈沖覆蓋頻率范圍寬，幾乎覆蓋所有的軍用通信頻段，而且超寬帶電磁脈沖輻射功率大、場強高，能夠通過多個通道對通信設(shè)備進(jìn)行耦合，形成較強的脈沖電壓與電流，導(dǎo)致通信工作紊亂甚至中斷。從通信裝備的實際工作特性和電磁干擾信號的特點來看，超寬帶電磁脈沖只能產(chǎn)生離散性的瞬態(tài)干擾，每秒最多只能產(chǎn)生上千個脈沖，每次持續(xù)時間<10 ns，不會嚴(yán)重影響通話質(zhì)量。因此超寬帶電磁脈沖輻射效應(yīng)試驗應(yīng)重點關(guān)注硬損傷和死機等影響通信裝備連續(xù)工作的效應(yīng)與作用規(guī)律;對重復(fù)頻率較高的超寬帶電磁脈沖輻射，還應(yīng)關(guān)注接收機被阻塞的問題。

（一）超寬帶電磁脈沖輻射效應(yīng)試驗方案

由于超寬帶電磁輻射系統(tǒng)輸出功率難以調(diào)節(jié)，需要通過改變輻射天線與被試通信裝備之間的距離調(diào)節(jié)輻射場強。為保證試驗過程中的人員安全，利用光端機將聲音及其他需要測量的信號轉(zhuǎn)換為光信號實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量;利用攝像頭及監(jiān)視系統(tǒng)觀測被試通信裝備工作狀態(tài)是否正常。具體試驗方案如下：

1）將超寬帶電磁脈沖輻射系統(tǒng)置于開闊場內(nèi)，調(diào)整、檢驗其工作狀態(tài)參數(shù)，使其正常工作。根據(jù)預(yù)估的輻射場強，將被試通信裝備置于輻射主波束內(nèi)合適的位置。為消除地面發(fā)射對輻射場的影響，被試通信裝備應(yīng)距離地面0.8 m 以上。

2）將被試通信裝備置于UWB 輻射場中，輔助通信裝備置于超寬帶電磁脈沖輻射源側(cè)面、距離輻面板、電源線等分別朝向UWB 輻射源。

3）將被試通信裝備與輔助電臺調(diào)整至通話狀態(tài)，被試通信裝備工作于接收機狀態(tài)，開啟超寬帶電磁輻射源，每次輻射時間為10 s。逐步增大被試通信裝備處場強，通過攝像頭觀察被試通信裝備顯示面板顯示是否異常，通過光端機將被試通信裝備語音信號轉(zhuǎn)化為光信號連接屏蔽方艙內(nèi)的接收設(shè)備，觀察通話是否異常。記錄被試通信裝備出現(xiàn)某種異?，F(xiàn)象的最小場強值作為該實驗狀態(tài)下的臨界干擾場強值。

4）通過改變被試通信裝備空間位置、電臺工作頻率、發(fā)射電臺發(fā)射功率和UWB 輻射源脈沖重復(fù)頻率，研究超寬帶電磁脈沖輻射對通信裝備的作用規(guī)律。

（二）輻射場強的確定

輻射場強是決定被試設(shè)備能否出現(xiàn)干擾、損傷的關(guān)鍵因素，場強測試的準(zhǔn)確度對確定裝備電磁輻射作用規(guī)律影響很大?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)雖然允許采用電場傳感器實時監(jiān)測法測試輻射場強，但由于金屬物體置入電磁場將導(dǎo)致電場發(fā)生嚴(yán)重畸變，被試設(shè)備不同部位的電場強度、極化方向相差甚遠(yuǎn)，難以準(zhǔn)確描述空間電磁輻射場的強弱。為此，試驗中采用位置替代法測試選定試驗點的UWB 輻射場強，即UWB 輻射場強的測量與被試通信裝備的輻射效應(yīng)測試分2 次進(jìn)行，首先將測試天線置于試驗點，測量該位置的場強，之后移開測試天線，將被試通信裝備放置于選定的試驗點，在不改變輻射系統(tǒng)狀態(tài)的條件下進(jìn)行輻射試驗。

實驗所用的超寬帶電磁脈沖輻射系統(tǒng)集成為1個整體，采用橫電磁波（transverse electromagnetic wave，TEM）喇叭饋源拋物面發(fā)射天線。由于拋物面反射的聚焦作用，距饋源前端3 m 范圍內(nèi)主波束的電場強度基本不變，遠(yuǎn)場電場強度與距饋源的距離成反比，中間區(qū)域場強變化速率低于距離的變化速率。實測天線饋源經(jīng)拋物面反射到饋源前端的距離為2.5 m。

（三）故障模式與臨界干擾場強

為驗證試驗方案的有效性，選擇典型短波、超短波通信電臺進(jìn)行了超寬帶電磁輻射效應(yīng)（脈沖前/后沿時間0.4/0.5 ns、寬度2.5 ns）試驗研究。被試短波通信電臺的超寬帶電磁脈沖輻射效應(yīng)如表1 所示，不同場強輻射下分別出現(xiàn)了顯示屏顯示異常、聲音被壓制、重啟、死機等效應(yīng)。改變電臺工作頻率及輔助電臺發(fā)射功率，對試驗中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象、臨界干擾場強沒有明顯影響。被試超短波電臺抗超寬帶電磁脈沖輻射干擾能力很強，在160 kV/m 的超寬帶電磁脈沖輻射場作用下，沒有發(fā)生影響其正常通信的干擾或損傷現(xiàn)象，工作及顯示功能均正常。

二、連續(xù)波電磁輻射效應(yīng)試驗評估方法

信息化設(shè)備的迅速發(fā)展，導(dǎo)致連續(xù)波電磁輻射信號普遍存在，強度、頻譜隨機變化，可通過帶內(nèi)和帶外耦合作用于用頻裝備，影響其正常工作。連續(xù)波電磁輻射能夠持續(xù)不斷地干擾通信裝備，導(dǎo)致通信中斷。因此研究連續(xù)波電磁輻射效應(yīng)應(yīng)重點關(guān)注阻塞、干擾等影響通話質(zhì)量的效應(yīng)與作用規(guī)律。

（一）連續(xù)波電磁輻射試驗裝置

利用射頻或微波信號發(fā)生器產(chǎn)生所需的單頻、調(diào)幅、調(diào)頻信號，經(jīng)相應(yīng)的寬帶功率放大器進(jìn)行功率放大后由雙向耦合器給輻射天線饋電。功率計經(jīng)雙向耦合器準(zhǔn)確測量寬帶功率放大器的前向輸出功率和后向反射功率，監(jiān)視試驗系統(tǒng)的工作狀態(tài)。被試通信裝備置于輻射天線正前方，試驗區(qū)域的輻射強度由光纖場強計測量。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出電平或功率放大器的增益倍數(shù)，可以任意調(diào)節(jié)輻射強度，便于研究被試通信裝備的輻射效應(yīng)。

（二）語音干擾效應(yīng)評價方法

語音質(zhì)量主要包括3 個方面的內(nèi)容：清晰度、可懂度和自然度。清晰度是指語音中字、詞的清晰程度;可懂度是指語音中單音的可識別程度;自然度是衡量語音保真性的標(biāo)準(zhǔn)。語音通信干擾效應(yīng)評估是一個十分復(fù)雜的問題，主要包括主觀評價和客觀評價2 種方式。主觀評價是通過專家進(jìn)行人工試聽，對干擾作用下的音質(zhì)變化程度進(jìn)行評價。這種方法的優(yōu)點是：可以直接反映收聽者的觀點，對各種性能的降級因素可做類似評價，靈活性強，容易實現(xiàn)。關(guān)于干擾等級的劃分，GJB 4405A–2006 有明確的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

三、效應(yīng)規(guī)律與作用機理

綜合分析上述試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1.受試短波、超短波電臺在不同工作頻點的電磁干擾敏感帶寬分別為±4 kHz、±15 kHz 左右，這是由受試電臺射頻前端濾波器的工作性能決定的。電磁干擾頻率偏離受試電臺中心工作頻率超過敏感帶寬后，隨頻率偏離量的增加，臨界干擾場強急劇增加，頻率偏離分別達(dá)到5 kHz、20 kHz 時，在50 m 的通信距離上被試電臺抗電磁干擾能力提高30 dB 以上，受試電臺抗帶外電磁干擾的能力很強。

2.受試電臺抗帶內(nèi)電磁干擾能力與其接收信號強度成正比。在其他條件不變的條件下，電臺發(fā)射功率越大、通話距離越近，其抗電磁干擾能力越強。由于正常通信情況下，信號強度與通信距離近似呈反比，因此，可以通過50 m（遠(yuǎn)場）通信距離下的臨界干擾場強推算其在遠(yuǎn)距離通信時的抗電磁干擾能力。在5 km 通信距離下，受試超短波電臺采用小功率、中功率和大功率發(fā)射時，接收機的臨界干擾場強分別大約為2、5 和20 mV/m。

3.受試電臺在不同工作頻點工作時，抗帶內(nèi)電磁干擾的能力相差1 倍左右，實際運用時可根據(jù)電磁環(huán)境態(tài)勢通過改變通信頻率提高其抗電磁干擾能力。對帶內(nèi)電磁干擾，只能通過跳頻才能達(dá)到抗干擾的目的。