CN108132390B - 一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法及系统，方法利用混响室模拟多频高场强复杂电磁环境，采用同频微波功率在混响室内的空间合成方法获得试验区域内的高场强；采用异频非相干谐振方法获得试验区的多频复合场；采用在混响室内设置多个可移动轻质封闭良导体金属箱体，减小混响室在频率高端的无效空间，提高试验区域的场强幅值。系统包括混响室、若干可移动轻质封闭良导体金属箱体、射频信号源、功率分配器、功率放大器、定向耦合器、环形器、功率计、发射天线、接收天线、光纤场强计、频谱分析仪、测量控制和数据采集计算机。本发明利用多台功率放大器及调整混响室内部结构提升混响室内场强幅值，在混响室内部模拟多频复杂电磁环境。

Description

一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法及系统

技术领域

本发明涉及复杂电磁环境效应试验领域，具体涉及一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法及系统，用于复杂电磁环境效应试验的多频复合高场强电磁环境构建，使在实验室条件下开展电子设备和系统电磁环境效应试验时的复杂电磁环境构建更具灵活性和可实现性。

背景技术

随着电子信息技术的发展，各种电子设备、武器装备面临的电磁环境越来越复杂。一方面，平台或系统内部自身的通信、雷达、电子干扰设备的功率增大导致设备辐射产生的近场环境增强，威胁平台或系统内部其他敏感设备的正常工作或电磁安全性；另一方面，来自平台或系统外部的各种电子战设备、电磁攻击武器产生的电磁环境，也对平台或系统内部的电子设备构成了严峻威胁。因此，需要模拟电子设备在寿命期内可能面临的各类复杂电磁环境,特别是高场强复杂电磁环境，进行电磁敏感性试验和环境适应性试验。

为了在实验室产生试验用的电磁场环境，可以有多种方法。

天线直接辐射法是最常见的方法，辐射场强取决于天线的增益、功率放大器的输出功率以及距天线的距离。在微波频段时，天线的波束较窄，照射范围有限，对较大的设备或系统试验时，需要进行分段照射，但系统被照射区域电磁场的均匀性较差，远距离照射可以改善场均匀性，但场强幅值会大幅下降，难以达到试验要求；常用的照射天线为单极化天线，需要通过改变天线的极化布置方式来模拟不同极化类型的电磁环境，但通常只能采用有限的状态来进行模拟(如采用水平和垂直两种极化方式)；进行高场强电磁环境试验时，为了保证人员和周围电子设备的安全，还需将辐射天线和被试设备置于造价昂贵的微波暗室内部。

横电磁波传输室(TEM)和吉赫兹横电磁波传输室(GTEM)也是常用的电磁场环境模拟装置，TEM装置一般工作在1GHz以下，GTEM装置工作频率可达到18GHz。TEM和GTEM装置内部产生的场强取决于功率放大器的输出功率、TEM和GTEM装置中芯板与底板间的距离，被试件尺寸一般不能超过芯板与底板间距的1/3，试验空间通常比较小，且极化单一，适合于小型设备的电磁敏感性试验；当被试设备尺寸较大时，会对内部的场分布产生比较严重的影响，使其场均匀性大幅下降，影响试验的准确性。

采用混响室进行电磁敏感性试验是一种比较新的方法。其优点是可利用混响室内高品质因素的谐振工作方式，用较小的射频功率就可在试验区域产生较高的辐射场强；利用搅拌器连续改变混响室内部的边界条件，可以使混响室试验空间内的电磁场环境统计均匀、各向同性。混响室内场强取决于混响室的输入功率、发射天线效率和混响室体积尺寸等因素，如式(1)所示：

式中：

为混响室内场强，Q为混响室品质因数，P_input为混响室的输入功率(W)，由功率放大器的输出功率决定，η_tx为发射天线效率，Z₀为波阻抗，c₀为电磁波传输速度，V为混响室内部空间体积，f为混响室工作频率，K为混响室系数。

混响室内的试验区域(被试件所放置的区域)一般要求距混响室的内壁、搅拌器等的距离不小于0.5m或四分之一工作波长。对于一个建好的矩形腔体混响室来说，只要最低工作频率满足要求，其他工作频率均可以满足要求(因为最低工作频率的波长最长)。但是，在相同的输入功率情况下，混响室的工作频段的低端产生的场强较高，容易实现高场强的模拟，而频率越高，产生的场强越低，实现高场强的环境模拟越困难。尺寸较小的混响室的最低工作频率较高，但在工作频段内，同样的输入功率下，比尺寸较大的混响室内部产生的场强要高。

利用混响室在单台功率放大器输出功率有限的情况下，高场强电磁环境的模拟以及多频复合场的模拟存在如下问题：

第一，受当前宽带微波功率放大器的输出功率限制，特别是在微波频段，在混响室内进行高场强试验时，常常会由于单台功率放大器的功率不够而不能产生所期望的高场强，而使试验无法进行。如何在现有功率放大器输出功率有限的情况下，在混响室内实现所需要的高场强环境的模拟，是实际中经常遇到的技术问题；

第二，试验单位通常只有一个混响室，混响室尺寸固定，若混响室尺寸过小，又不能兼顾较低的频率。再新建小型混响室，又会受到资金和时间的限制，影响试验的正常进行。如何用一个尺寸相对较大的混响室，用功率一定的宽频带功率放大器，实现全频段的高场强模拟，也是实际中需要解决的技术问题；

第三，由于混响室内部没有电磁波吸波材料，发射天线实际是“沉浸”在所产生的高场强中，内部高场强在发射天线上产生的感应信号成为天线的反射功率。通常是功率放大器的输出功率越大，混响室内的场强越高，反射功率也越大，当反射功率大到一定程度时，微波功率放大器将无法正常工作，甚至有被烧毁的危险。

第四，在复杂电磁环境的效应试验中，还需要模拟平台上多个辐射源同时工作时产生的电磁环境，以验证被试设备在多个频率电磁环境下的交调、互调等复合场效应。常规的单源辐射方法无法模拟复合电磁环境开展复合场效应试验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有高场强电磁环境的模拟以及多频复合场的模拟存在的上述不足，提供一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法及系统，利用多台功率放大器以及调整混响室内部的结构来提升混响室内场强的幅值，以及在混响室内部模拟多频复杂电磁环境，从而满足相关的高场强试验和复合场试验对电磁环境的要求。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法，利用混响室模拟多频高场强复杂电磁环境，采用同频微波功率在混响室内的空间合成方法获得试验区域内的高场强；采用异频非相干谐振方法获得试验区的多频复合场；采用在混响室内设置多个可移动轻质封闭良导体金属箱体，减小混响室在频率高端的无效空间，从而减小混响室内部空间体积即混响室内部电磁能量分布的体积，提高试验区域的场强幅值。

按上述方案，所述可移动轻质封闭良导体金属箱体采用厚度0.4mm～1mm的铝板，铆接在铝合金型材框架表面，形成封闭的六面体，六面体所有缝隙采用屏蔽胶带进行电磁密封；所述铝合金型材框架采用宽度20mm～40mm、高度20mm～40mm、厚度2mm～4mm的角铝焊接或铆接而成。

按上述方案，所述可移动轻质封闭良导体金属箱体放置在混响室内距被试设备和搅拌器较远的角落，紧靠混响室的内壁，在空间允许的情况下，采用叠放和平放的方式放置多个可移动轻质封闭良导体金属箱体，占据混响室内的无效空间，而不影响被试设备布置的试验空间。

本发明还提供了一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的系统，包括混响室、若干可移动轻质封闭良导体金属箱体、射频信号源、功率分配器、功率放大器、定向耦合器、环形器、功率计、发射天线、接收天线、光纤场强计、频谱分析仪、测量控制和数据采集计算机；所述混响室包括高导电率封闭金属壳体、搅拌器、驱动电机及驱动控制器，搅拌器设置在高导电率封闭金属壳体内，驱动电机一端连接搅拌器、另一端连接驱动控制器；所述驱动控制器、频谱分析仪、光纤场强计、功率计、射频信号源的输入端均与测量控制和数据采集计算机相连；

当需要提升混响室内场强时，射频信号源的输出端通过功率分配器分成两路或多路，分别连接两台或多台功率放大器的输入端，功率放大器的输出端依次连接定向耦合器、环形器连接位于混响室内的发射天线；射频信号源的输出功率通过功率分配器分成两路或多路，分别馈给两台或多台额定输出功率相当的功率放大器，经功率放大器放大后，再经定向耦合器、环形器、发射天线馈至混响室内，在试验区域形成高场强；

当需要模拟复合场电磁环境时，两台或多台射频信号源的输出端分别连接两台或多台功率放大器，各个功率放大器的输出端依次连接定向耦合器、环形器连接位于混响室内的发射天线；两台或多台射频信号源的异频输出信号，分别馈给两台或多台功率放大器，经功率放大器放大后，再经定向耦合器、环形器、发射天线馈至混响室内，在试验区域形成双频或多频辐射场；

混响室内的接收天线与频谱分析仪连接，光纤场强计(含场强计主机)通过光纤连接位于混响室内的电场探头。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：

1、本发明用于电子设备和系统开展复杂电磁环境效应试验时的高场强电磁环境模拟和构建，可以利用功率较小的多台功率放大器在混响室内产生较高的试验场强，并模拟真实平台上多个辐射源同时工作时产生的复杂电磁环境，且具有较大的试验空间和良好的场均匀性；

2、采用双射频功率放大器的工作方式，在混响室内进行功率合成，比单射频功率放大器工作方式可以在混响室内试验区域产生更高的场强，当两台功率放大器的输出功率相同时，产生的辐射场强约为单功放工作方式产生场强的1.4倍，如式(2)所示：

若采用三台相同功率的功率放大器，则产生的辐射场强约为单功放工作方式产生场强的1.7倍；若采用四台相同功率的功率放大器，则产生的辐射场强约为单功放工作方式产生场强的2倍，依此类推；为解决由于单功放额定输出功率不够而不能产生所需高场强的问题提供了一种有效的解决途径；

3、当工作频率高于混响室最低工作频率的2倍以上时，将可移动轻质封闭良导体金属箱体放置在混响室内，占据混响室内部的无效空间，使混响室内部空间体积V减小；当输入功率不变的情况下，混响室内部空间减小一半时，产生的场强是不用可移动轻质封闭良导体金属箱体填充时场强的1.4倍，如式(3)所示：

通过此方法，为在混响室内解决高场强的测试提供了一种有效可行的解决途径；

4、可以同时采用增加功率放大器数量的方式提升混响室的输入功率以及填充可移动轻质封闭良导体金属箱体减小混响室内部空间体积两种方式，来提升混响室内部试验空间的场强幅值；当混响室的输入功率增加一倍，同时混响室内部空间体积减小一半时，场强可提升为原来的两倍；

5、采用功率分配器将一台射频信号源的输出功率分成两路，分别馈给两台功率放大器，可以确保混响室内为所需要的单一频率工作模式，避免由两台射频信号源分别馈电时由于频率不一致而产生的频率偏差；

6、通常射频信号源的最大输出功率大于功率放大器的最大输入功率，采用功率分配器对射频信号源的功率平均分配给两台或多台功率放大器，还可以充分利用射频信号源的输出信号，节省射频信号源的数量；

7、采用两台或多台射频信号源的输出分别馈给两台或多台功率放大器产生多频复杂电磁环境时，可以根据试验需要模拟平台上多天线工作时在敏感设备处产生的电磁环境；独立设置每台射频信号源的频率、输出功率、调制方式等，使复合场的频率组合、幅值组合、调制方式组合具有更好的灵活性；

8、环形器可以避免天线在混响室内接收的或由不匹配产生的反射功率倒灌至功率放大器，保护功率放大器在大输出功率工作状态下不被烧毁，并能正常工作。

附图说明

图1为本发明利用混响室、双功放系统及可移动轻质封闭良导体金属箱体产生高场强电磁环境的试验组成框图；

图2为本发明利用混响室产生双(多)频复杂电磁环境的试验组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明实施例提升混响室内场强的试验组成框图，包括混响室、若干可移动轻质封闭良导体金属箱体、射频信号源、功率分配器、功率放大器、定向耦合器、环形器、功率计、发射天线、接收天线、光纤场强计(含场强计主机、电场探头、光纤等)、频谱分析仪、测量控制和数据采集计算机；所述混响室包括高导电率封闭金属壳体、搅拌器、驱动电机及驱动控制器，搅拌器设置在高导电率封闭金属壳体内，驱动电机一端连接搅拌器、另一端连接驱动控制器；所述驱动控制器、频谱分析仪、光纤场强计、功率计、射频信号源的输入端均与测量控制和数据采集计算机相连；射频信号源的输出端通过功率分配器分成两路或多路，分别连接两台或多台功率放大器的输入端，功率放大器的输出端依次连接定向耦合器、环形器连接位于混响室内的发射天线；射频信号源的输出功率通过功率分配器分成两路或多路，分别馈给两台或多台额定输出功率相当的功率放大器，经功率放大器放大后，再经定向耦合器、环形器、发射天线馈至混响室内，在试验区域形成高场强；混响室内的接收天线与频谱分析仪连接，光纤场强计通过光纤连接位于混响室内的电场探头。

两台或多台功率计和两个或多个定向耦合器用来监测两台或多台功率放大器的输出功率；环形器用于阻止发射天线感应的射频信号反射进入射频功率放大器而烧毁，保护射频功率放大器的正常工作；电场探头和光纤场强计用于监测试验区域的场强，接收天线和频谱分析仪用于监测试验区域的场频谱幅值；驱动控制器控制驱动电机，从而带动搅拌器按照指定的方向、速度、运动方式旋转；测量控制和数据采集计算机用于控制射频信号源的输出功率、频率、调制方式等参数，采集功率计监测的功率放大器输出功率，光纤场强计监测的试验区域的场强，频谱分析仪监测的试验区域的频谱和幅值，并控制驱动控制器。

两台或多台功率放大器的输入功率小于或等于其额定输入功率；功率放大器工作在线性区域，其输出功率小于或等于其额定输出功率。

增加射频信号源、功率放大器、功率计、定向耦合器、环形器、发射天线的配置套数，形成多路输入。

当功率计为单通道功率计时，每两台单通道功率计采用一台双通道功率计替代。

如图2所示，本发明实施例模拟复合场电磁环境的试验组成框图，其他结构与图1一致，区别处在于，两台或多台射频信号源的输出端分别连接两台或多台功率放大器，各个功率放大器的输出端依次连接定向耦合器、环形器连接位于混响室内的发射天线；两台或多台射频信号源的异频输出信号，分别馈给两台或多台功率放大器，经功率放大器放大后，再经定向耦合器、环形器、发射天线馈至混响室内，在试验区域形成双频或多频辐射场。

功率放大器输出端与发射天线之间通过电缆连接，从功率放大器输出至发射天线间的连接电缆应选用低损耗电缆，且电缆的长度应尽可能短，以减小电缆对射频功率的损耗。

射频信号源的输出功率一般可以达到10dBm～20dBm，而功率放大器的输入功率一般小于0dBm。考虑到功率分配器的插入损耗，在使用单信号源给双功放馈信号时，射频信号源的输出功率应比给单功放馈信号时大4dB左右(考虑电缆和功率分配器的插入损耗)。举一个典型例子，要求在尺寸为4m×3m×2.9m的混响室内产生3GHz、600V/m场强开展效应试验，采用单台功率放大器，馈入功率为200W时，产生的场强为440V/m，不满足试验要求，当增加一台同样的功率放大器后，用双功率放大器的方式，产生的场强达到610V/m，可以满足试验要求。

可移动轻质封闭良导体金属箱体可采用厚度0.4mm～1mm的铝板，铆接在1m×1m×1m左右见方的铝合金型材框架表面(外框尺寸不大于混响室屏蔽门的内框尺寸，便于人工移动进出混响室)，形成封闭的六面体，再用屏蔽胶带将所有缝隙进行电磁密封，避免电磁能量泄漏进入箱体内部。铝合金型材框架可采用宽度20mm～40mm，高度20mm～40mm，厚度2mm～4mm的角铝焊接或铆接而成。

实际过程中，可根据需要和实验手段条件，合理考虑射频信号源、功率放大器的数量，以及可移动轻质封闭良导体金属箱体的布置数量和布置位置，使试验空间产生满足要求的电磁环境。

由于混响室内的场强是变化的，理论上试验区域内每一点的场强都可以达到期望的高场强值，因此，在监测试验区域内的场强时，应让光纤场强计处于最大值保持状态，或通过计算机在连续采集至少一个周期范围的一组数据中取最大值。同样，频谱分析仪也应处于最大值保持状态，搅拌器至少旋转一周，测量控制和数据采集计算机读取频谱分析仪测量的最大值。

在设置搅拌器的转动方式(步进、连续)和转动速度时，应确保光纤场强计、频谱分析仪和被试系统有足够的响应时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法，其特征在于，利用混响室模拟多频高场强复杂电磁环境，采用同频微波功率在混响室内的空间合成方法获得试验区域内的高场强，即利用功率较小的多台功率放大器在混响室内进行功率合成，产生较高的试验场强；采用异频非相干谐振方法获得试验区的多频复合场；采用在混响室内设置多个可移动轻质封闭良导体金属箱体，减小混响室在频率高端的无效空间，从而减小混响室内部空间体积即混响室内部电磁能量分布的体积，提高试验区域的场强幅值。

2.如权利要求1所述的提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法，其特征在于，所述可移动轻质封闭良导体金属箱体采用厚度0.4mm ~1mm的铝板，铆接在铝合金型材框架表面，形成封闭的六面体，六面体所有缝隙采用屏蔽胶带进行电磁密封；所述铝合金型材框架采用宽度20mm ~40mm、高度20mm ~40mm、厚度2mm~4 mm的角铝焊接或铆接而成。

3.如权利要求1所述的提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的方法，其特征在于，所述可移动轻质封闭良导体金属箱体放置在混响室内距被试设备和搅拌器较远的角落，紧靠混响室的内壁，在空间允许的情况下，采用叠放和平放的方式放置多个可移动轻质封闭良导体金属箱体，占据混响室内的无效空间，而不影响被试设备布置的试验空间。

4.一种提升混响室内场强和模拟复合场电磁环境的系统，用于权利要求1所述的方法中，其特征在于，包括混响室、若干可移动轻质封闭良导体金属箱体、射频信号源、功率分配器、功率放大器、定向耦合器、环形器、功率计、发射天线、接收天线、光纤场强计、频谱分析仪、测量控制和数据采集计算机；所述混响室包括高导电率封闭金属壳体、搅拌器、驱动电机及驱动控制器，搅拌器设置在高导电率封闭金属壳体内，驱动电机一端连接搅拌器、另一端连接驱动控制器；所述驱动控制器、频谱分析仪、光纤场强计、功率计、射频信号源的输入端均与测量控制和数据采集计算机相连；

当需要提升混响室内场强时，射频信号源的输出端通过功率分配器分成两路或多路，分别连接两台或多台功率放大器的输入端，功率放大器的输出端依次连接定向耦合器、环形器之后连接位于混响室内的发射天线；射频信号源的输出功率通过功率分配器分成两路或多路，分别馈给两台或多台额定输出功率相当的功率放大器，经功率放大器放大后，再经定向耦合器、环形器、发射天线馈至混响室内，在试验区域形成高场强；

当需要模拟复合场电磁环境时，两台射频信号源的输出端连接两台功率放大器，多台射频信号源的输出端连接多台功率放大器，各个功率放大器的输出端依次连接定向耦合器、环形器之后连接位于混响室内的发射天线；两台或多台射频信号源的异频输出信号，分别馈给两台或多台功率放大器，经功率放大器放大后，再经定向耦合器、环形器、发射天线馈至混响室内，在试验区域形成双频或多频辐射场；

混响室内的接收天线与频谱分析仪连接，光纤场强计通过光纤连接位于混响室内的电场探头。

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