CN103063939A - 一种地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法，包括：将地面级联系统其中一个分系统布置于开阔场测试位置处，并设置其余的分系统，构建分系统的传输线缆电磁耦合计算模型，根据传输线缆电磁耦合计算模型获取分系统和与之相连的分系统之间的耦合干扰电流，并建立耦合干扰电流值曲线，通过注入探头将耦合干扰电流注入至传输线缆，同时利用场强计、功率放大器、定向耦合器、信号源、功率计和辐射天线所生成的电磁环境，对分系统最易发生电磁干扰耦合的位置实施天线照射，判断分系统是否发生电磁敏感现象，若发生则表示级联系统的试验不合格，否则表示试验合格。本发明可达到地面级联系统整体在射频电磁环境中考核的目的。

Description

一种地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法

技术领域

本发明属于系统级电磁兼容试验技术领域，更具体地，涉及一种地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法。

背景技术

随着信息化技术的飞速发展，系统智能化、信息化等程度越来越高，系统相互级联协调工作已成发展趋势。与此同时系统工作的电磁环境也变得日趋复杂，为保障地面系统的功能在复杂电磁环境下有效发挥，开展国家军用标准GJB1389A—2005《系统电磁兼容性要求》所规定的射频电磁环境考核变得尤为重要。该标准中明确规定被考核系统应与规定的外部射频电磁环境兼容，外部电磁环境的数据按系统工作平台不同而不同，其中地面系统要求在10k~2MHz频率范围内时，外部电磁环境平均场强值为25v/m；在2MHz~40GHz频率范围内时，外部电磁环境平均场强值为50v/m。

由于地面级联系统构建非常复杂，系统占地面积较大，在进行国家军用标准GJB1389A—2005《系统电磁兼容性要求》所规定的外部射频电磁环境考核时，让其整体处于所规定的射频电磁环境中进行试验考核一直是工程上的难点问题。例如，横电磁波传输室（Transmission Cell，简称TEM）和吉赫兹横电磁波传输小室（Cell Gigahertz Transverse ElectromagneticCell，简称GTEM）是可进行相关电磁抗扰度的测试设备，但是进行大型级联系统测试时，其测试空间过于狭小；混响室也可对设备或系统进行高场强的辐射抗扰度测试，但作为新型测试场地其理论、设计、校准和测试等方面的问题仍然有待深入研究，还没有转入工程使用阶段。

在国家军用标准GJB1389A—2005《系统电磁兼容性要求》中，对系统级外部射频电磁环境的试验方法没有具体明确。在传统试验方法中，采用对被试级联系统内的分系统逐一照射的方法进行射频电磁环境考核，测试场地一般选为半电波暗室（Semi Anechoic Chamber，简称SAC）或开阔试验场（Open Area TestSit，简称OATS）。在这种传统试验方法中，由于没有考虑当全系统置于射频电磁环境中时，各分系统之间存在的干扰互耦相关问题，从而导致考核不全面。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法，旨在解决现有试验方法中无法实现地面级联系统整体处于国家军用标准GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》所规定的外部射频电磁环境考核的难题。

为实现上述目的，本发明提供了一种地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法，地面级联系统包括多个分系统，包括以下步骤：按照级联系统正常工作布局中的最小间隔布置分系统，将分系统全部开机并使其处于典型工作状态，构建分系统的传输线缆电磁耦合计算模型，包括：分系统和与之相连的分系统之间传输线缆的距离，与分系统相连的传输线缆距导电平面的高度，与分系统相连的传输线缆的直径，分系统与之相连的分系统的寄生电容，以及分系统和与之相连的分系统的电阻，根据传输线缆电磁耦合计算模型获取分系统和与之相连的分系统之间的耦合干扰电流，并建立耦合干扰电流值曲线，通过注入探头将耦合干扰电流注入至传输线缆，同时利用场强计、功率放大器、定向耦合器、信号源、功率计和辐射天线所生成的电磁环境，对分系统最易发生电磁干扰耦合的位置实施天线照射，判断分系统是否发生电磁敏感现象，若发生则表示地面级联系统的射频电磁环境试验不合格，否则表示级联系统的试验合格。

分系统最易发生电磁干扰耦合的位置是由空间电磁场的极化方向、入射方向、传输线缆的摆放位置、分系统箱体开孔的位置、方式、大小、方向和厚度决定。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

（1）与传统试验方法相比较，本发明更全面地考核了地面级联系统的射频电磁环境；

（2）本发明在分析传统试验方法的基础上，充分利用现有的测试设备和设施进行地面级联系统的整体射频电磁环境考核，没有新增任何新型设施和设备，从而降低了试验成本；

（3）本发明可实施性好，易于工程实践。

附图说明

图1是本发明一种地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法的流程图。

图2是开阔场的结构示意图。

图3是电磁场入射方向的坐标图。

图4示出传输线缆随空间电磁场极化方向变化时的端口耦合电压。

图5示出箱体内中心点处随空间电磁场极化方向变化时的场强。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法包括如下步骤：

（1）将其中一个分系统布置位于开阔场测试位置处，并设置其余的分系统，以使其与位于所述开阔场测试位置处的分系统之间的间隔为级联系统正常工作情况下的最小值，此时开阔场测试位置处的分系统处于易发生电磁敏感现象的工作状态，其余的分系统工作于最大功率状态；在本实施方式中，假设级联系统包括分系统A和分系统B，首先将分系统A放置于开阔场（Open area test site）的测试位置O₁处，如图2所示，其中d表示开阔场短轴的长度，位置O₂为另一测试位置处。进行系统级电磁兼容试验时，各分系统可互为干扰源。干扰源在距离r处所产生的场强可用自由空间传输方式近似计算：

$E=\frac{{\left(30P_t{G}_t\right)}^{1/2}}{r}$

式中E—干扰源在距离r处所产生的场强（V/m）；

P_t—干扰源的功率；

G_t—干扰源的增益；

由上述表达式可知，干扰源在距离r处所产生的场强与距离r近似成反比，所以分系统B与分系统A之间的间隔为级联系统正常工作情况下的最小值，即可构建级联系统自兼容工作时最复杂的电磁环境。

分系统A和B的工作状态参照国家军用标准GJB151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》中对敏感度和电磁发射相关试验的要求，其中分系统A工作于易发生电磁敏感现象的工作状态，分系统B工作于最大功率工作状态。应该理解的是，本发明级联系统所包括的分系统数量绝不限于2个。

（2）构建分系统的传输线缆电磁耦合计算模型；

如图3所示，分系统A和分系统B之间距离为L，传输线缆距导电平面的高度为H，分系统A的负载阻抗为Z₁，分系统B的负载阻抗为Z₂，分系统A的寄生电容为C_A，分系统B的寄生电容为C_B，分系统A的负载电阻为R_A，分系统B的负载电阻为R_B。

在图3所建立的模型中，Z₁、Z₂和Z₀可由下述表达式表示：

$Z_1=\frac{{2R}_A}{1+\mathrm{j\ω}{R}_A{C}_A}---\left(1\right)$

$Z_2=\frac{{2R}_B}{1+\mathrm{j\ω}{R}_B{C}_B}---\left(2\right)$

其中Z₀为分系统A与B之间传输线缆的特性阻抗。

（3）根据传输线缆电磁耦合计算模型获取分系统和与之相连的分系统之间的耦合干扰电流I(ω)，并建立耦合干扰电流值曲线；在本实施方式中，极化方向选择水平极化，该极化方向耦合干扰电流最大，场强的大小参照国家军用标准GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》规定；

耦合干扰电流I(ω)可由下式求解：

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\left(4j\sin \mathrm{\βH}\right)E_Z^i[Z_0\sin \mathrm{\βL}+j{Z}_1(1-\cos \mathrm{\βL})]}{\mathrm{\β}[(Z_0{Z}_1+Z_0{Z}_2)\cos \mathrm{\βL}+j({Z_0}^2+Z_1{Z}_2)\sin \mathrm{\βL}]}---\left(4\right)$

式中

λ为空间电磁波波长，

为空间电磁场场强，a为分系统A与B之间传输线缆的直径。

令带入表达式（4）中，可得：

$I\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{2K\left(\mathrm{\ω}\right)[Z_0\sin \mathrm{\βL}+j{Z}_1(1-\cos \mathrm{\βL})]}{\mathrm{\β}[(Z_0{Z}_1+Z_0{Z}_2)\cos \mathrm{\βL}+j({Z_0}^2+Z_1{Z}_2)\sin \mathrm{\βL}]}---\left(5\right)$

将表达式（5）两边同时取对数，可得：

$\log \left|I\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\log \left|\frac{2K\left(\mathrm{\ω}\right)[Z_0\sin \mathrm{\βL}+j{Z}_1(1-\cos \mathrm{\βL})]}{\mathrm{\β}[(Z_0{Z}_1+Z_0{Z}_2)\cos \mathrm{\βL}+j({Z_0}^2+Z_1{Z}_2)\sin \mathrm{\βL}]}\right|---\left(6\right)$

进一步展开后，可得耦合干扰电流I(ω)的对数形式的表达式：

I(ω)_(dB)＝log|2K(ω)|+log|Z₀sinβL+jZ₁(1-cosβL)|-log|β-

                                    （7）

log|[(Z₀Z₁+Z₀Z₂)cosβL+j(Z₀ ²+Z₁Z₂)sinβL]

例如，对于长度L=0.5m，距地高度H=0.05m，直径a=0.25mm，R_A=20Ω，R_B=1.0×10⁵Ω，C_A=C_B=10pf的传输线缆，外界空间电磁场的入射方向及极化方式如图3所示，场强为50v/m，频率为100MHz，求得的分系统A与B之间的耦合干扰电流约为65.869dBμA。

根据表达式（1）至（5）生成随频率变化的耦合干扰电流曲线，其频率范围一般为：10kHz～400MHz。因为高于此频率时，传导耦合干扰电流影响较小。

（4）通过注入探头将耦合干扰电流I(ω)注入至与分系统相连的传输线缆，注入方法参照国家军用标准GJB152A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》规定中CS 114电缆束注入传导敏感度的试验方法，与此同时，利用场强计、功率放大器、定向耦合器、信号源、功率计和辐射天线所生成的电磁环境，对分系统最易发生电磁干扰耦合的位置实施天线照射；

在选择分系统最易发生电磁干扰耦合的位置时，应注意空间电磁场的极化方向、入射方向、传输线缆摆放位置、传输线缆类型、分系统箱体开孔位置、方式、大小、方向和厚度。

例如，电磁场的入射方向和极化方向的选取时，应使电场分量在传输线缆的传输方向上分量大，即其分量越大其耦合量值越高。假设外界场源为均匀平面波时，场强为1v/m，电场的方向与传输线缆的夹角从0°到90°变化时，RG58型传输线缆一端接负载处的耦合电压数值计算结果如图4所示，其中RG58型传输线缆的参数如下表1所示。由图4可以看出空间电磁场的极化方向与传输方向上分量越大，其电磁耦合量值就越大。

表1RG58传输线缆参数

此外，若分系统的箱体开孔时，假设其箱体尺寸为：20cm×20cm×20cm，材质为金属铜，开矩形孔尺寸：6cm×1cm，外界场源为均匀平面波，电场极化方向分别垂直和平行于长边时，箱体内相同位置处场强的数值计算结果见图5。由图5可以看出空间电磁场的电场方向垂直于孔缝长边方向的分量越大时，箱体耦合的场强值就越大，并且随外界电磁场频率升高，耦合场强值也呈增大趋势。

（5）判断分系统是否发生电磁敏感现象，若发生则级联系统的试验不合格。

在本实施方式中，级联系统是由两个分系统构成，若分系统多于此数量，仍可参照本发明的方法进行。具体而言，若某一分系统所连接的传输线缆多于一根时，需参照步骤（3）求得与该分系统相连接的每一根传输线缆的耦合干扰电流并建立干扰电流值曲线，利用多个电流注入探头将求得的耦合干扰电流注入相应的连接线缆，同时参照步骤（4）的方法用天线照射该分系统。对级联系统每一分系统进行考核，若所有分系统均未发生电磁敏感现象，则级联系统射频电磁环境试验合格，否则判为不合格。

本发明的试验方法可以用于级联等规模较大系统的射频电磁环境试验。在当前试验条件无法实现级联系统整体设置于规定的射频电磁环境中的情况下，利用辐射天线，场强计，功率放大器，定向耦合器、信号源、电流注入探头、电流监测探头，测量接收机设备实现地面级联系统的射频电磁环境试验。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种地面级联系统外部射频电磁环境的试验方法，所述地面级联系统包括多个分系统，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将其中一个分系统布置位于开阔场测试位置处，并设置其余的分系统，以使其与位于所述开阔场测试位置处的分系统之间的间隔为所述级联系统正常工作情况下的最小值，此时开阔场测试位置处的分系统处于易发生电磁敏感现象的工作状态，其余的分系统工作于最大功率状态；

（2）构建所述分系统的传输线缆电磁耦合计算模型，包括：所述分系统和与之相连的分系统之间的距离，与所述分系统相连的传输线缆距导电平面的高度直径，与所述分系统相连的传输线缆的所述分系统与之相连的分系统的寄生电容，以及所述分系统和与之相连的分系统的电阻；

（3）根据所述传输线缆电磁耦合计算模型获取所述分系统和与之相连的分系统之间的耦合干扰电流，并建立耦合干扰电流值曲线；

（4）通过注入探头将所述耦合干扰电流注入至所述传输线缆，同时利用场强计、功率放大器、定向耦合器、信号源、功率计和辐射天线所生成的电磁环境，对所述分系统最易发生电磁干扰耦合的位置实施天线照射；

（5）判断所述分系统是否发生电磁敏感现象，若发生则表示所述级联系统的试验不合格，否则表示所述级联系统的试验合格。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述分系统最易发生电磁干扰耦合的位置是由空间电磁场的极化方向、入射方向、所述传输线缆的摆放位置、传输线缆的类型、分系统箱体开孔的位置、方式、大小、方向和厚度决定。

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