基于UE4的电子试验场区设备电磁干扰分析.pdf
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1、 年 无线电工程 第 卷 第 期:引用格式:郭海亮,陈金勇,张维,等基于的电子试验场区设备电磁干扰分析无线电工程,():,():基于的电子试验场区设备电磁干扰分析郭海亮,陈金勇,张维,郭国君,杜明(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄)摘要:针对电子试验场内存在试验频次较高、频率冲突严重和空间布局有限等问题,基于三维地理信息及设备模型,建立基于 ()平台的综合电子试验场。采用计算电磁学方法和远场分析技术,通过时域有限差分(,)法、一致性绕射理论(,)、射线跟踪法等算法优化调整场内设备时、空、频参数。提出了一种改进的网格划分方法,完成场区设备电磁干扰分析。仿真结果表明,提出的仿真系统
2、有一定的有效性和可靠性。关键词:;综合电子试验场;时域有限差分;射线跟踪中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文 章 编 号:(),(,):,(),(),(),:;收稿日期:引言随着科技装备和信息化的迅猛发展,复杂电磁环境已成为信息化的重要特征之一。在应对复杂电磁环境下的电子装备适应性试验和基地化训练时,构建和应用电磁环境的水平成为评估训练成效的关键要素。为此,基于信息化时代的电子试验场已初步具备构建复杂电磁环境的能力。然而,随着技术的不断提升,仍需进一步提高复杂电磁环境构建方法、条件等方面的专业化、标准化和精细化水平。这将有助于更准确地模拟战场上的复杂电磁环境,进一步提高训
3、练的实用性和效果评估的可靠性。针对电磁环境和设备建模的研究有很多。文献以电磁干扰预测方程为基础,构建电磁兼容系统发射机模型和接收机模型。文献定义了电磁干扰余量(,),进行系统间电磁兼容预测分析。文献研究了电磁兼容中的电磁干扰发射机原理,建立基于发射机模型的基波、谐波、非谐波和互调模型。文献将接收机模型分为敏感度模型、频率选择性模型、乱真响应模型、互调模型和减敏模型,建立了接收机模型,定义了接收机的敏感度门限。文献针对接收机内的非线性问题,以及多个干扰信号在接收机前端发生混频或其谐波分量发生混频的问题,建立了接收机互调模型。文献构建了对电波传播路径的损耗模型。文献根据不同地质建立了地波传播模型。
4、工程应用 针对电磁干扰分析的研究也有很多。文献基于传统分级筛选法提出了一种新颖的车载通信系统电磁干扰预测方法。文献只考虑干扰发射机和接收机的功率幅度,并采用自由空间传输模型,剔除未对接收机造成干扰的发射机。文献根据 对关键通信设备的要求,将车载接收机的干扰余量限值定为。文献发现色散的原因在于高频部分,从而提出了算法,将高频成分滤除来突破()稳定条件。文献利用绕射分解固定形状的绕射锥束,提高了追踪效率。文献针对现实高铁环境进行了传播测量和建模,弥补了经验模型和随机模型的局限性。文献基于软件对发射机对中可能存在的干扰问题进行了预测和分析。电子装备适应性试验与基地化训练在复杂电磁环境中进行,电磁环境
5、的构设与应用水平对于评估训练效果至关重要。电子试验场已初步具备构建复杂电磁环境的能力,然而,当前技术的不断提升带来了新的挑战。现有的静态仿真模型构建技术无法准确实现复杂电磁环境下设备的仿真、模拟等工作,且相应的干扰分析技术并不完善,无法有效综合利用各参试设备模型、场地环境模型、设备具体布设位置和设备架设高度等信息实现较为精准的干扰分析,因此如何对设备、电磁环境和地理环境等静态模型进行细致建模并以此模型结合真实环境下设备及环境相关信息实现试验场区干扰分析仿真,是研究的重中之重。针对以上问题,提出了一种大型综合电子试验场电磁环境建模与电磁干扰分析技术,主要贡献如下:综合考虑所采取的干扰分析方法,所
6、建立的设备和环境模型能全面反映干扰分析所需参数。各参试设备模型需综合考虑近场和远场区域。针对设备模型近场区域,采用时域有限差分算法计算用频设备近场区域场分布,分析发射设备对近场范围内接收设备的影响。针对设备模型远场区域,综合考虑设备频谱特性,根据干扰计算需求,建立基于设备的典型性能指标模型。同时根据三维地理模型建立相应环境模型,准确描述电磁波在该环境的反射、透射和散射等情况,所建模型及各模型参数基于 ()平台进行可视化展示。场区相互作用及干扰分析可最大程度反映场区内各试验能否兼容运行,并提供空间、时间、频率建议调整方案。因此建立电磁干扰分析模型,基于各种用频规定、周边电磁环境数据以及实际经验数
7、据等信息,结合各参试设备模型、场地环境模型、设备具体布设位置和设备架设高度等信息,运用各种干扰仿真分析方法,并提出一种基于设备空间位置的时域有限差分(,)网格划分方法,进行场区内设备的相互作用和干扰分析。同时需分析单项试验设备通信可视性、通信覆盖范围等。系统模型系统模型主要分为设备模型和环境模型,其中设备模型分为发射机模型和接收机模型,并在平台进行可视化展示。是美国游戏公司研发的一款级次时代游戏引擎。由于其强大的开发能力和开源策略,除了在游戏行业被使用外,还被广泛应用到视频制作行业、影视行业、直播娱乐行业、军事训练、汽车设计和建筑室内设计行业等。设备模型发射机模型:主要研究不同试验设备间的相互
8、干扰,因此将干扰设备与发射设备统称为发射机。发射机在工作过程中,产生正常工作信号的同时,还会在某些频率上产生辐射信号,比如谐波辐射和乱真辐射。这些辐射信号落在接收机带宽范围内会对接收机造成谐波干扰或乱真干扰。因此,在建立发射机模型的过程中,需要考虑发射机的发射功率、频率、增益和带宽等参数。对此,建立了发射机基波辐射模型和发射机谐波辐射模型。图为基于的发射机模型。图发射机模型 发射机基波辐射模型发射机的基波辐射为最基本的辐射干扰,也是最严重的干扰源。即使是同一型号的发射机,不同发射设备的基波发射功率也会存在不同程度的差异。因此,针对发射机的基波功率,通常采用多次测工程应用 年 无线电工程 第 卷
9、 第 期 量取平均值的方法来描述。一般情况下,发射机的基波功率是符合正态分布的随机变量,通过均值()和方差()来表示:()(),()()()()(),()式中:()为第次的基波功率,()为平均基波功率,()为基波功率的标准差,为信号频率,为干扰发射机的个数。发射机谐波辐射模型发射机谐波辐射主要是由发射机内部器件的非线性导致的,谐波辐射分量的频率是基波频率的整数倍,且随着倍数的增加,功率逐渐减小。谐波功率变化也服从正态分布,标准偏差与谐波次数无关,其谐波辐射幅度模型为:()(),()式中:()为次谐波平均功率,单位;()为基波辐射的平均功率,单位;、为经验常数,通过实际测试得到。发射机谐波辐射模
10、型参数如表所示。表发射机谐波辐射模型参数 发射机频率(倍频)(高于基频)接收机模型:实际情况下接收机除了接收目标信号外,还会接收到某些带外干扰信号。对此,考虑接收机模型为敏感度模型、乱真响应模型。图为基于的接收机模型。图接收机模型 接收机敏感度模型接收机灵敏度通常由接收机的噪声电平来表示。接收机灵敏度和噪声系数、工作带宽和温度等因素有关,计算如下:,()式中:为接收机基波灵敏度,单位;为玻尔兹曼常数;为绝对温度,单位;为接收机工作带宽,单位;为接收机噪声系数,单位。接收机乱真响应模型接收机乱真响应是指接收机带外干扰信号与接收机本振信号发生混频产生的干扰,从而使接收机产生乱真响应。接收机的乱真响
11、应模型与发射机谐波辐射模型类似,平均乱真响应敏感度门限模型可表示为:()(),()式中:()为接收机对谐波的灵敏度,单位;()为接收机对基波信号的灵敏度,为谐波次数,、为接收机经验常数。通用参数如表所示。表接收机乱真响应模型参数 接收机频率(倍频)(高于基频)环境模型环境模型是根据三维地理模型建立的,环境中物体的材质会影响到其介电常数和复电导率等信息,进而影响到电磁波的反射、绕射和散射系数。总体仿真场景如图所示。图总体仿真场景 电磁计算流程如图所示。环境模型根据电磁波波长划分为近场区域和远场区域,针对设备模型工程应用 近场区域,综合考虑边界条件,采用计算电磁学算法,如法等,计算该用频设备近场区
12、域场强分布,分析发射设备对近场范围内接收设备的影响。针对远场区域,综合考虑用频设备的频谱特性,根据干扰计算需求,建立基于设备的典型性能指标的模型,通过对信号传播的路径损耗、多径时延和空间分布等进行计算,得到接收端信号关键参数的变化,进而可以用于设备之间的干扰分析。图电磁计算流程 电磁辐射区的划分计算如下:,()式中:为波长,为天线最大尺寸,单位;为辐射区划分界限,单位。当辐射距离大于时,划分为远场,反之划分为近场。在实际电磁波传输环境中,由于通信设备之间有一定的距离,当设备收发天线处于对方远场区时,必须考虑空间的传输损耗。因而需要对常见环境下的电波传播损耗进行建模分析。自由空间传播工程上常用的
13、自由空间传播损耗公式如下:,()式中:为信号频率,单位;为收发天线的距离,单位。扩展模型实际测试环境为郊区环境,相对空旷,模型较为适用,符合场景预期。在此基础上,选择采用扩展模型,其基本传播损耗公式为:(,)(),(,)(),()式中:(,)(),()为发射机天线有效高度,为接收机天线有效高度,()为接收天线高度修正因子。(),(),(),。()在郊区或乡村环境下,损耗模型变化如下:(),郊区 ,乡村。()干扰分析方法 电磁干扰原理分析在通信系统电磁干扰预测中,将电磁干扰源和敏感设备分别统称为发射机和接收机,将干扰源耦合到敏感设备上的干扰功率大小统称为干扰量。通过比较发射机作用于接收机的有效干
14、扰功率和接收机的敏感度门限,可以确定系统是否存在潜在的电磁干扰环境。接收机的受扰程度可以用干扰余量来描述:(,)(),()式中:(,)为接收机的干扰余量,单位;为发射机耦合到接收机天线端口的有效干扰功率,单位;()为接收机的灵敏度,单位。接收机天线端口的有效干扰功率计算如下:()(,)(,)(,),()式中:为接收机前端的干扰功率,单位;()为发射机基波和杂散发射功率,单位;(,)为发射天线在接收方向的增益,单位;(,)为接收天线在发射方向的增益,单位;(,)为传播损耗,单位。当接收机接收到多个干扰源的干扰信号时,接收机干扰余量的计算如下:(,)(),()式中:为第台干扰发射机对接收机造成的有
15、效干扰功率。在电磁干扰分析系统中,当时,表示系统受到干扰;表示系统处于临界干扰,无法确定是否存在电磁干扰环境;表示系统处于兼容状态,不存在电磁干扰环境。工程应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 干扰分析流程电磁干扰分析中,根据空间、时间和工作频率等因素对所有发射机进行筛选,以确定潜在的干扰源。首先从时间和空间上对发射机进行筛选,如果发射机和接收机工作时间同步或空间布局拥挤,说明可能存在环境,把这部分可能对接收机造成干扰的发射机保留下来,建立干扰发射响应对。在幅度筛选这一阶段,只考虑干扰发射机和敏感接收机的功率幅度电平,并采用路径传播模型,对干扰发射响应组合做进一步分析,排除不会造成干扰的发射机
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