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电磁拓扑理论的系统间电磁兼容分析
( 发布日期/Update Time: 2010-6-30 )

      电磁拓扑理论在分析复杂系统对外界电磁环境的响应方而具有重要的应用价值。针对雷达系统间电磁兼容预测比较复杂的问题,分析了雷达系统间电磁兼容预测的基本原理,提出了一种基于电磁拓扑理论的雷达系统间电磁兼容分析方法。通过理论计算以及仿真结果证明,通过对该系统进行电磁拓扑分解以及电磁作用树形图的3级筛选,简化了雷达系统间电磁兼容预测方程,降低了预测模型的复杂程度,得到了有益的预测结果。


    随着电磁环境的日益复杂,电了系统在工作过程中会受到各种各样的干扰。当在一个相对有限的区域内大量使用雷达这种大功率电了设备时,系统之问必然存在一定的干扰,轻则使系统某些性能指标降低,重则使系统瘫痪不能正常工作,因此必须考虑系统问的干扰问题,即需要对系统进行电磁容预测。电磁兼容预测的实质是对电了系统的抗电磁干扰能力或电磁兼容性进行预测,它n在发现系统中不兼容的薄弱环节和评价系统的安全裕度,为系统的电磁兼容性设计及技术实现提供科学、合理的依据。它既是实现系统电磁兼容性的必要步骤,又是一种具有较高费效比的电磁兼容性工程技术法。

然而对雷达系统之问进行系统级电磁兼容预测是一个复杂的系统工程,为了解决复杂系统的EMC分析问题,20世纪70年代美国学者Carl E. Baum提出了“电磁拓扑”( EMT )的概念,通过建立系统各空问体积之问电磁作用的EMT模型获得用传输函数描述系统电磁作用的“相互作用关联图”来达到预测复杂
系统EMI藕合的目的lU

雷达系统间EMC预测原理

    电磁兼容分析、预测是一种通过理论计算对用电设备或系统的电磁兼容程度进行分析评估的方法。解决电磁兼容性问题一般都从“电磁兼容3要素”入手l Zl。这3要素是指:
    ①干扰源,分为自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空问的宇宙噪声;人为干扰源是由机电或其他人工装置产生的电磁干扰。本文的干扰源为雷达;
    ②传播干扰能量的途径和通道,分为传导方式和辐射方式。传导传输是指在干扰源和敏感器之问有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器发生干扰;辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空问发射。通常包括场对场藕合、场对线藕合和线对线感应;
    ③被干扰对象(敏感设备):它可以是一个很小的元件或一个电路板组件,也可以是一个单独的用电设备甚至可以是一个大型系统。本文的被干扰设备也为雷达。

    在进行雷达系统问电磁兼容预测计算时,必须建立相应的干扰源数学模型、传输特性数学模型以及敏感设备敏感度阑值的数学模型。为了确定雷达之问是否存在电磁干扰,应将干扰源函数与传输函数组合起来以得到在敏感设备(接收机)处的有效功率,然后将有效功率与敏感度函数比较来确定是否存在潜在干扰3, 4J。
PI 为单个辐射源的有效功率;Pv为敏感设备的灵敏度门限值;IM为干扰余量,则系统间EMI预测方程为:

IM(dB)=PI (dB)-Pv (dB)      (1)

式中,PI =P.T, P为干扰源反射功率,T为传输路径的传递函数模型。
如果当IM>0时,表示发生干扰,干扰源和敏感度设备不兼容,且按IM值大小表明干扰的严重程度;当IM

电磁拓扑分析

2. 1电磁拓扑理论的基本思想

    电磁拓扑学利用拓扑的概念将一个复杂的电了系统进行分解,从而降低整个系统分析的复杂性。其基本思想是将研究对象空问分解成不同大小的区域,各个区域之问通过系统的拓扑图相联系,从而把整个复杂的电磁藕合问题分解成相对独立的简单的电磁问题来解决。在对雷达系统问电磁兼容性分析中应用此方法,可以大大简化对问题的处理。

2. 2系统的拓扑分解和电磁作用树形图

    雷达系统的组成比较复杂,主要由发射机、天线h}线、接收机、定时测距、天线控制、显示器和公用直流电源等系统组成。同时,雷达系统问电磁藕合路径也非常复杂Z6),主要有:①天线与天线之问的藕合,可以根据已知发射天线模型、接收天线模型以及天线方位数据来计算干扰功率、②场和电缆之问的藕合,主要是指对敏感设备内的电缆受干扰源的辐射场照射后的分布电压和分布电流进行计算,并进一步确定由此而对设备内部线路造成的干扰;
③通过公共同路引起的传导藕合,即通过将公共回路等效为集总电路参数模型或分布参数模型,计算由公共回路连接的设备之问产生的传导干扰、④其他藕合形式。

    雷达系统以及电磁干扰藕合方式的复杂性导致了雷达系统问电磁兼容分析的复杂性,根据广义屏蔽的概念,任何一个综合系统总可以根据其屏蔽情况分解为多个相对独立的屏蔽了空问,各了空问之问通过窗口、电缆或孔缝建立联系,系统的拓扑分解就是这种由简单到复杂、由粗略至精准、由整体至局部地将系统分解为许多可预知的电磁空问的叠加形式。图1显示了一个雷达系统问电磁兼容问题的拓扑分解。

 

     受扰雷达系统外部包含干扰源的区域标记为Vo,受扰雷达系统内部其他已屏蔽的体积分别标记为V1、V2、 V3,包围这些体积的屏蔽面依次标记为S1、S2、S3,显然,此种标记电磁拓扑结构的方法,依据从系统外部到系统内部屏蔽面个数增加的顺序,每增加一个屏蔽面,标记这一屏蔽面的标示符的下标也增加1。干扰雷达信号从受扰雷达系统外部传输到系统内部关键性电路端口所穿透 屏蔽面的总个数成为该系统的屏蔽级。在外部干扰作用到最外层Vo时,干扰将通过多种方式耦合受扰雷达处理模块中,具体耦合方式有:天线系统的耦合,场与电缆线的耦合、电缆线之间的耦合以及公共回路传导耦合。当外部电磁干扰对系统屏蔽面S1上的等效源,进而计算穿透第一级屏蔽层的电磁能量射入体积V1,分布于屏蔽面S2上。体积Vj内部的相互作用形式上定义如下:起因于Sj上的电磁干扰源或Vj内的电磁兼容源在Vj 内部纵向屏蔽面Sj +1上产生电荷或电流的激励与传播。Sj上的电磁干扰源归因电磁场穿透这一屏蔽层,Vj内的电磁干扰源归电缆或类似导体向Vj内注入电磁干扰情况。

    在数学上,拓扑的基本元素是图上的结点和边,将拓扑理论应用到电磁干扰问题的分析中,相应利用点和边的二元关系构建系统的拓扑图。根据图1所示系统电磁拓扑结构图可知,各个了空问之问的电磁作用关系可进一步用电磁作用树形图来描述。

    如图2所示,各边代表连接各了空问的传输路径,在其上赋权,权值为该路径的电磁作用传递函数,从而按照实际电磁作用情况构成非对称型关联度矩阵进
行数学计算。

 

2.33级筛选对电磁作用树形图的简化

    由于对系统作出的拓扑分解和电磁作用树形图是比较复杂的,这时就需采用3级筛选,即幅度筛选、频率筛选和详细筛选来简化电磁作用树形图,将不可能出现电磁干扰的路径从电磁作用树形图上除去。

    第1级:幅度筛选。使用相当粗略的模型考虑频率、时问、距离和方向的影响,对每个进入传输路径的干扰函数表达式采用尽可能简单、合理、保守的近似式,以使大量的微弱干扰与少量的强干扰分离开,并从树形图上去除对应分支;

    第2级:频率筛选。在幅度筛选基础上,考虑附加的干扰抑制(它是由敏感响应和潜在干扰源之问的频率问隔得到)来处理频率变量,减小频率量的取值范围;

    第3级:详细筛选。完成时间E离、方向变量的修正,确定干扰的概率分布和时问的依从关系统计。

2. 4算例分析

    下面对2部AN/SPS- 10型雷达之问进行电磁兼容分析,假定其中一部为干扰雷达,另一部为受扰雷达。首先对受扰雷达系统外部空问V}三级筛选,一些弱干扰路径厂场与电缆线的藕合,电缆线之问的藕合以及公共回路传导藕合少将被剔除,即此时主要考虑干扰雷达天线与受扰雷达天线之问的藕合,预测模型将得到大大简化,如式( 2)所示:
(2)

式中,P1(f1)为在发射频率f1的发射功率;G1(f1,t,d,p)为发射天线在发射频率f1对应接收天线方向的增益;L(f1,t,d,p)是在发射天线方向在频率f1时的传输函数;G2(f1,t,d,p)是在发射天线方向上频率为f1时接收天线的增益;Gf(B1,B2,△f)为计入发射机和接收机带宽B1、B2及发射机发射与接收机响应之间的频率间隔△f的系数。

其次将AN/SPS-10型雷达参数以及相关的电磁环境参数代人式(2)所对应的数学模型,经过计算可知,相距下同距离的2部AN/SPS/-10雷达间干扰余量如表1所示,计算所得结果与文献[4]中试验结果一致,即当2部型号雷达相距60Km时江不存在干扰。


3 结束语

    对雷达系统问进行EMC分析和预测是一个复杂的系统工程,必须综合运用系统EMC预测方法和模型。电磁拓扑理论在分析雷达系统问电磁兼容性方面具有重要的理论和工程意义。文中经过对电磁作用树3级筛选简化后所得的雷达系统问电磁兼容预测模型相对于简化前更易于数学建模和分析计算,并最终取得了有益的预测结果。学习和研究电磁拓扑理论,并将其应用于雷达系统问电磁兼容预测中具有重要的价值。

 

 

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