基于天线端口响应的电磁环境等效构建方法

基于天线端口响应的电磁环境等效构建方法电子信息系统面临的电磁环境组成极为复杂，具有时频跳变、空域尺度大、能量极强、频谱覆盖范围广、信号种类多的特点。除与功能相关的电磁环境外还包括各类背景电磁环境和威胁电磁环境。电磁环境是一个随时间、空间、工作状态改变而在频率、幅度和相位上连续变化的物理场。由于受仪器和试验水平的限制，目前大多数电磁环境构建方法基本上都是处理静态情况，只能反映某一时刻或某一阶段的电磁环境特征，且大多需要堆积模拟器、功率放大器等设备。测试组织和实现的成本很高，电子信息系统面临的实际电磁场景很难在物理层面堆砌模拟器实现，要模拟如此动态多变的电磁环境比较困难。通过研究发现电子信息系统端口响应与电磁环境具有强相关性，以端口响应为桥梁可以建立实际电磁环境与构建环境之间的等效关联。因此本章重点研究基于端口响应等效的电磁环境等效构建方法，据被试电子信息系统天线端口对各类电磁信号的响应特性，在试验场地内，利用有限的通用电磁信号激励装置，构建出包含有用辐射信号、电子对抗干扰信号、外部射频信号以及本平台电磁信号的复杂电磁环境，使用有限数量集中管控的信号激励源替代分布式、种类繁多的电磁信号辐射电子信息系统、模拟器实物。电磁环境等效构建思路任意天线在空间点处的辐射场可表示为 (A.1)其中，，表示相位的变化情况。辐射场与辐射方向相关，和分别表示球坐标中的俯仰角和方位角。射频电磁环境主要由空间内的射频辐射源对外辐射电磁信号组成，主要被电子信息系统的天线端口接收，根据天线互易定理，根据空间内射频辐射源的远场数据，可求解得到在外部电磁信号激励下，接收天线的耦合响应。互易定理描述了空间中电场和磁场，和电流和磁流之间的关系。假设存在电流源和磁流源和，它们产生的电场和磁场分别为和，则它们之间存在如下关系： (A.2)当天线接收外部电磁信号时，其等效电路如REF_Ref173694310\r\h图A.1所示，假设在远场条件下，天线接收的均匀平面电磁波，入射方向为，传播方向，天线端口在电磁波激励下，产生开路感应电压和短路感应电流，其中天线端口阻抗为，端口导纳为，、为天线的负载阻抗和导纳，、为端口的等效电压源和电流源，、为负载上的感应电压、电流，根据互易定理，可由辐射源方向图计算得到。天线等效电路图假设接收天线位于坐标原点，在空间某点处，有一长度为的偶极子天线，方向沿，其激励电流的幅度为，偶极子天线在远场范围内产生幅度为的平面波，该平面波即为接收天线的入射波，因此有 (A.3)这样 (A.4)假设接收天线端口产生的等效电压源为，根据互易定理，对接收天线端口施加相同强度的电流源激励，则在处的偶极子天线端口应产生相同的等效开路电压，偶极子天线上的等效开路电压可由沿线的电场积分得到 (A.5)式（A.5）为根据天线发射模式下辐射方向图，将电磁波激励等效为天线端口开路电压源激励的公式，辐射方向图与激励成正比，可表示为，其中分别表示电磁波的入射方向和极化角度，表示线极化角度，其定义为电场方向与方向单位向量的夹角，如REF_Ref173694872\r\h图A.2所示。在球坐标中，电场幅度为、极化角度为的线极化入射电磁波可分解为分量和分量。天线辐射方向图不同入射条件的电磁波在端口感应产生对应的开路电压源，在计算时，入射场与对应方向的辐射方向图点乘，传播常数，式（A.5）可表示为 (A.6) (A.7) (A.8) (A.9)基于天线互易定理的分析，天线端口响应与电磁环境具有强相关性，因此本章重点开展基于天线端口响应的电磁环境等效构建方法研究，研究思路如REF_Ref173694903\r\h图A.3所示。深入研究电磁环境、辐射天线、被试天线之间相互作用规律的数学表达，分析电磁环境作用于电子信息系统天线端口的耦合响应，形成电磁环境动态变化模型、电磁环境/接收天线耦合模型、电磁环境/接收天线响应等效模型、电磁环境响应等效构建模型等相关表征模型，并采用逐级试验测试方法对上述模型进行校核。电磁环境等效构建研究思路电磁环境/接收天线耦合模型假设自由空间中存在一个辐射源，如REF_Ref173694966\r\h图A.4所示，辐射源与接收天线之间极化匹配，工作在接收天线频带内，间距为，辐射源方位角和接收天线方位角分别为和，两天线增益分别为和，若辐射源发射功率为，则根据费里斯(Friis)传输公式，接收天线的接收功率为： (A.10)费里斯(Friis)传输公式示意图因此，假设自由空间中有个辐射源，则接收天线的接收功率可表示为： (A.11)其中，是第个辐射源的辐射功率，是第个辐射源的发射增益，是天线接收到第个辐射源时的接收增益，是与辐射源频率相关的第个辐射源对应的波长，是第个辐射源与接收天线之间的距离。电磁环境/接收天线响应等效模型在REF_Ref173695070\r\hA.2节介绍了自由空间中，辐射源及接收天线在理想工作状态（即极化匹配、工作在接收天线频带内），接收天线与电磁环境的耦合表征模型，但实际情况下，接收天线接收的电磁信号即可能是频带内信号，也可能是频带外信号，同时由于辐射源的动态变化，导致辐射源与接收天线的距离也会随之改变，并导致辐射源与接收天线之间的极化失配，为了便于电磁环境在内场的降维等效构建，本节重点开展电磁环境与接收天线响应等效表征建模方法研究，主要包括空间映射、频带映射以及极化映射三方面。空间映射因子以雷达为例，在雷达工作期间，功能信号主要通过雷达天线主瓣进行接收，但是空间中的背景信号和干扰信号，既可以通过主瓣接收，也可以通过旁瓣接收，并且空间中的辐射源与雷达的距离是动态变化的。为了在内场模拟电磁环境在不同来波方向、不同距离下的天线耦合效应，通过REF_Ref173695070\r\hA.2节的研究，发现接收天线的耦合效应与主瓣/旁瓣增益、接收天线与辐射源的距离是相关的，如式（A.12）所示 (A.12)因此本节采用空间映射因子对不同来波方向、不同距离下接收天线耦合响应程度进行表征。 (A.13)式（A.13）中，为接收天线的旁瓣增益，为接收天线的主瓣增益，分别为辐射源与接收天线的空间距离。频带映射因子接收天线会接收其工作频率范围的电磁信号，对工作频带外的信号接收增益很低，其本质相当于空间滤波器，如REF_Ref173695169\r\h图A.5所示。外部射频电磁环境信号被天线接收到后，后端电路同样具有频率选择性，同时电磁环境信号最终也是通过作用于后端电路对设备的工作性能产生影响，因此本节综合考虑天线及后端电路的频率选择特性，通过对接收机开展频率选择特性测试或者仿真，形成接收机的带内带外接收敏感曲线，如REF_Ref173695176\r\h图A.6所示，通过频带映射将可以将带外环境信号映射到接收机带内，降低了带外环境信号构建难度，并且可以根据带内环境信号的试验结果，对带外环境场景进行等效推演。天线频带选择特性天线频带映射为了在内场模拟不同频带范围下的接收天线耦合效应，本节采用频带映射因子对带内/带外接收天线的耦合响应程度进行表征。以REF_Ref173696345\r\h图A.6为例，为雷达接收机中心频点，对外部电磁环境的敏感响应为，为雷达接收机带外某频点，对外部电磁环境的敏感响应为，则频带映射因子可表示为 (A.14)电磁环境响应等效构建模型电磁环境与接收天线耦合响应具有强相关性，因此，以接收天线在电磁环境下的耦合响应，在内场构建试验环境时，只要保证实验环境下接收天线的耦合响应与环境下的接收天线耦合响应相同，就可以实现电磁环境在内场的降维等效构建，内场电磁环境的等效构建应满足式（A.15）： (A.15)式中，是内场环境构建天线的辐射功率，是内场环境构建天线的发射增益，是内场环境构建天线和接收天线之间的距离。在内场构建电磁环境时，既可以通过控制环境构建天线通过多路输出信号，从不同方位对被试品天线进行辐射，即根据需要控制环境构建天线对被试品的主瓣或者旁