電磁兼容外場(chǎng)測(cè)試中的干擾抵消技術(shù)

引言

由于大型電子設(shè)備在進(jìn)行電磁兼容|0">電磁兼容(EMC)性考核時(shí)，很難進(jìn)入屏蔽室進(jìn)行而只能在室外開闊場(chǎng)地進(jìn)行，從而難以控制測(cè)試時(shí)的環(huán)境背景噪聲電平，使測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)很大誤差。如何區(qū)分背景噪聲信號(hào)，鑒別出受試設(shè)備發(fā)出的被測(cè)信號(hào)一直是EMC測(cè)試中的一個(gè)難題。在各種不同的背景信號(hào)中，同頻干擾與被測(cè)信號(hào)無(wú)法通過頻譜進(jìn)行分離，本文的目的就是想用空間分離技術(shù)，通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法，對(duì)于任意方向的同頻干擾信號(hào)進(jìn)行有效的擬制，從而得到有效的測(cè)試結(jié)果。

消除同頻干擾的基本方法

合成場(chǎng)分析

在圖1所示的測(cè)試環(huán)境中，設(shè)待測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)均為線極化(在工程實(shí)際中，這樣的假設(shè)是合理的)，待測(cè)信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度為：

干擾信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度

待測(cè)電場(chǎng)為向線極化，沿向傳播，式(1)中Epm是被測(cè)信號(hào)源處的電場(chǎng)強(qiáng)度值;rp是被測(cè)信號(hào)到測(cè)試點(diǎn)的距離;wp是被測(cè)信號(hào)的初始相位;wp是被測(cè)信號(hào)角頻率。

圖1 電磁兼容性測(cè)試環(huán)境示意圖

式中,Ejm是干擾信號(hào)源處的電場(chǎng)強(qiáng)度值，Ejx，Ejy，Ejz分別是，，方向的分量;rj是干擾信號(hào)到測(cè)試點(diǎn)的距離;是干擾信號(hào)的初始相位;是干擾信號(hào)角頻率。

根據(jù)矢量疊加原理，則測(cè)試點(diǎn)處的合成電場(chǎng)強(qiáng)度

圖2 矢量疊加示意圖

測(cè)試天線使用線極化天線，將極化方向與被測(cè)信號(hào)一樣調(diào)整到方向，則合成信號(hào)中的，向分量因?yàn)榕c測(cè)試天線極化方向正交被濾除，于是進(jìn)入頻譜儀的信號(hào)為:

因此頻譜儀測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度只包含與被測(cè)信號(hào)極化方向相同的干擾信號(hào)，而與被測(cè)信號(hào)極化方向正交的干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。于是在暗室模擬的干擾源的極化方向可與被測(cè)信號(hào)極化取為一致，設(shè)到達(dá)測(cè)試點(diǎn)的干擾信號(hào)為

由式(8)可以看出，當(dāng)干擾信號(hào)與被測(cè)信號(hào)頻率相同，而且距測(cè)試點(diǎn)的距離相當(dāng)，電場(chǎng)強(qiáng)度值也相當(dāng)時(shí)，在測(cè)試點(diǎn)得到的合成電場(chǎng)強(qiáng)度中無(wú)法鑒別出被測(cè)信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

因此在存在背景干擾的環(huán)境中進(jìn)行大型電子設(shè)備的電磁兼容性測(cè)試，要解決的關(guān)鍵問題就是如何有效的減小背景干擾的強(qiáng)度，在測(cè)試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大的信干比。由式(8)得，如果測(cè)試點(diǎn)處的信干比大于15dB以上時(shí)，即干擾信號(hào)的幅度遠(yuǎn)小于被測(cè)信號(hào)幅度時(shí)，疊加后的合成信號(hào)幅度可近似等于。

自適應(yīng)天線消除噪聲

陣列波束形成

將一組以某種形式作空間配置的天線單元連接到一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)(或發(fā)射機(jī))，就形成一個(gè)陣列。實(shí)際上，可以利用在不同(空間)方向上入射(或發(fā)射)的射頻平面波與陣列天線中各個(gè)陣元處所具有的不同波程差延遲，并將各陣元射頻信號(hào)分別作適當(dāng)?shù)难舆t補(bǔ)償后相加，以形成天線陣列的波束，其中被補(bǔ)償最好的電磁波入射(或發(fā)射)方向?qū)⑹顷嚵性鲆孀罡叩姆较?，即陣列波束的方向?

圖3為一個(gè)由七個(gè)天線單元組成的“線陣”。在這個(gè)線陣中，七個(gè)天線單元(均為無(wú)方向的全向天線單元)被排列成一條直線(也可以組成“面陣”，此時(shí)所有天線單元將布置在一個(gè)平面內(nèi))。圖中各相鄰天線單元之間的間隔均相同，且相距為，這里即為陣列工作的中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。在陣列接收入射平面電磁波時(shí)，接收信號(hào)經(jīng)各個(gè)天線單元的延遲補(bǔ)償后相加輸出。

在圖3中，假定所采用的測(cè)試信號(hào)為，該測(cè)試信號(hào)的平面電磁波入射方向?yàn)?，且各個(gè)全向陣元均具有單位增益，則在相鄰天線單元間的波程差相位滯后(或超前)為：

(a)陣列結(jié)構(gòu)(b)天線陣E面方向圖
圖3 線形陣列的波束形成

而用于各個(gè)天線單元的補(bǔ)償時(shí)間延遲(單位為秒)所引起相位滯后為，于是可得陣列輸出信號(hào)為

式中，L為天線單元數(shù)。

由式(10)可知，陣列的方向圖函數(shù)的振幅為

且當(dāng)時(shí)，式(11)的值達(dá)到最大，即為方向圖振幅的最大峰值點(diǎn)。而通過改變相鄰單元間的時(shí)間延遲就可以改變方向圖波束峰值的指向。

陣列波束方向圖可以分布在的全部角度范圍之內(nèi)，由于在圖3(a)所示的線陣結(jié)構(gòu)中，陣面(由豎虛線表示)左、右兩部分角度域是關(guān)于該陣面對(duì)稱的，因而，如圖3(a)所示的貞烈波束方向圖也是關(guān)于陣面對(duì)稱分布的。圖中波束方向是在的角度范圍里，此時(shí)用于延遲補(bǔ)償?shù)闹祽?yīng)為正數(shù)(即相位滯后);而若要使波束方向被調(diào)整到的范圍內(nèi)時(shí)，就所需延遲補(bǔ)償?shù)闹祽?yīng)為負(fù)數(shù)(即相位超前)，當(dāng)然這是物理不可實(shí)現(xiàn)的。然而，對(duì)于單頻正弦波信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以用(其中為信號(hào)周期)代替這個(gè)負(fù)數(shù)的值，以達(dá)到波束方向調(diào)整的目的。

通常情況下，當(dāng)陣列的各個(gè)相鄰天線單元之間的間距大于時(shí)，會(huì)產(chǎn)生所謂“柵瓣”現(xiàn)象，即在的全部角度范圍之內(nèi)，方向圖會(huì)出現(xiàn)兩次或兩次以上的重復(fù)。這樣，在陣列接收和檢測(cè)信號(hào)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生“空間模糊”，即陣列不能確定信號(hào)真實(shí)到達(dá)方向。

任意一種陣列的波束方向圖除了主波束以外，都存在有副瓣。而當(dāng)空間同時(shí)存在目標(biāo)回波信號(hào)和不同方向入射的干擾信號(hào)時(shí)，要求陣列能在目標(biāo)方向產(chǎn)生主波束，而同時(shí)能在干擾方向形成方向圖零點(diǎn)。這樣，若再用如圖3(a)所示的陣列結(jié)構(gòu)就不能滿足實(shí)際需要了。圖4(a)表示的線陣結(jié)構(gòu)與圖3(a)的區(qū)別在于，將各個(gè)天線單元的延遲補(bǔ)償改換成正交兩路加權(quán)的調(diào)整方法。通過調(diào)整這些權(quán)值可以同時(shí)得到所需要的主波束方向與方向圖零深(增益極低)方向。對(duì)于單頻正弦波信號(hào)而言，由于各個(gè)陣元的延遲補(bǔ)償實(shí)際等效為乘一個(gè)復(fù)權(quán)系數(shù)，因而，每個(gè)陣元的同相信號(hào)與經(jīng)90°移相后的正交信號(hào)分別由權(quán)系數(shù)實(shí)部和虛部相乘后就可完成對(duì)波束方向圖的調(diào)整，且這種調(diào)整的自由度將增大。圖4(b)是調(diào)整以后的波束方向圖，它不僅將主波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向，同時(shí)還在干擾到達(dá)方向形成了一個(gè)零深。

(a) 線陣結(jié)構(gòu)(b) 天線陣E面方向圖
圖4 采用加權(quán)系數(shù)的陣列波束形成