基于天線端口響應的電磁環境等效構建方法電子信息系統面臨的電磁環境組成極為復雜，具有時頻跳變、空域尺度大、能量極強、頻譜覆蓋范圍廣、信號種類多的特點。除與功能相關的電磁環境外還包括各類背景電磁環境和威脅電磁環境。電磁環境是一個隨時間、空間、工作狀態改變而在頻率、幅度和相位上連續變化的物理場。由于受儀器和試驗水平的限制，目前大多數電磁環境構建方法基本上都是處理靜態情況，只能反映某一時刻或某一階段的電磁環境特征，且大多需要堆積模擬器、功率放大器等設備。測試組織和實現的成本很高，電子信息系統面臨的實際電磁場景很難在物理層面堆砌模擬器實現，要模擬如此動態多變的電磁環境比較困難。通過研究發現電子信息系統端口響應與電磁環境具有強相關性，以端口響應為橋梁可以建立實際電磁環境與構建環境之間的等效關聯。因此本章重點研究基于端口響應等效的電磁環境等效構建方法，據被試電子信息系統天線端口對各類電磁信號的響應特性，在試驗場地內，利用有限的通用電磁信號激勵裝置，構建出包含有用輻射信號、電子對抗干擾信號、外部射頻信號以及本平臺電磁信號的復雜電磁環境，使用有限數量集中管控的信號激勵源替代分布式、種類繁多的電磁信號輻射電子信息系統、模擬器實物。電磁環境等效構建思路任意天線在空間點處的輻射場可表示為 (A.1)其中，，表示相位的變化情況。輻射場與輻射方向相關，和分別表示球坐標中的俯仰角和方位角。射頻電磁環境主要由空間內的射頻輻射源對外輻射電磁信號組成，主要被電子信息系統的天線端口接收，根據天線互易定理，根據空間內射頻輻射源的遠場數據，可求解得到在外部電磁信號激勵下，接收天線的耦合響應。互易定理描述了空間中電場和磁場，和電流和磁流之間的關系。假設存在電流源和磁流源和，它們產生的電場和磁場分別為和，則它們之間存在如下關系： (A.2)當天線接收外部電磁信號時，其等效電路如REF_Ref173694310\r\h圖A.1所示，假設在遠場條件下，天線接收的均勻平面電磁波，入射方向為，傳播方向，天線端口在電磁波激勵下，產生開路感應電壓和短路感應電流，其中天線端口阻抗為，端口導納為，、為天線的負載阻抗和導納，、為端口的等效電壓源和電流源，、為負載上的感應電壓、電流，根據互易定理，可由輻射源方向圖計算得到。天線等效電路圖假設接收天線位于坐標原點，在空間某點處，有一長度為的偶極子天線，方向沿，其激勵電流的幅度為，偶極子天線在遠場范圍內產生幅度為的平面波，該平面波即為接收天線的入射波，因此有 (A.3)這樣 (A.4)假設接收天線端口產生的等效電壓源為，根據互易定理，對接收天線端口施加相同強度的電流源激勵，則在處的偶極子天線端口應產生相同的等效開路電壓，偶極子天線上的等效開路電壓可由沿線的電場積分得到 (A.5)式（A.5）為根據天線發射模式下輻射方向圖，將電磁波激勵等效為天線端口開路電壓源激勵的公式，輻射方向圖與激勵成正比，可表示為，其中分別表示電磁波的入射方向和極化角度，表示線極化角度，其定義為電場方向與方向單位向量的夾角，如REF_Ref173694872\r\h圖A.2所示。在球坐標中，電場幅度為、極化角度為的線極化入射電磁波可分解為分量和分量。天線輻射方向圖不同入射條件的電磁波在端口感應產生對應的開路電壓源，在計算時，入射場與對應方向的輻射方向圖點乘，傳播常數，式（A.5）可表示為 (A.6) (A.7) (A.8) (A.9)基于天線互易定理的分析，天線端口響應與電磁環境具有強相關性，因此本章重點開展基于天線端口響應的電磁環境等效構建方法研究，研究思路如REF_Ref173694903\r\h圖A.3所示。深入研究電磁環境、輻射天線、被試天線之間相互作用規律的數學表達，分析電磁環境作用于電子信息系統天線端口的耦合響應，形成電磁環境動態變化模型、電磁環境/接收天線耦合模型、電磁環境/接收天線響應等效模型、電磁環境響應等效構建模型等相關表征模型，并采用逐級試驗測試方法對上述模型進行校核。電磁環境等效構建研究思路電磁環境/接收天線耦合模型假設自由空間中存在一個輻射源，如REF_Ref173694966\r\h圖A.4所示，輻射源與接收天線之間極化匹配，工作在接收天線頻帶內，間距為，輻射源方位角和接收天線方位角分別為和，兩天線增益分別為和，若輻射源發射功率為，則根據費里斯(Friis)傳輸公式，接收天線的接收功率為： (A.10)費里斯(Friis)傳輸公式示意圖因此，假設自由空間中有個輻射源，則接收天線的接收功率可表示為： (A.11)其中，是第個輻射源的輻射功率，是第個輻射源的發射增益，是天線接收到第個輻射源時的接收增益，是與輻射源頻率相關的第個輻射源對應的波長，是第個輻射源與接收天線之間的距離。電磁環境/接收天線響應等效模型在REF_Ref173695070\r\hA.2節介紹了自由空間中，輻射源及接收天線在理想工作狀態（即極化匹配、工作在接收天線頻帶內），接收天線與電磁環境的耦合表征模型，但實際情況下，接收天線接收的電磁信號即可能是頻帶內信號，也可能是頻帶外信號，同時由于輻射源的動態變化，導致輻射源與接收天線的距離也會隨之改變，并導致輻射源與接收天線之間的極化失配，為了便于電磁環境在內場的降維等效構建，本節重點開展電磁環境與接收天線響應等效表征建模方法研究，主要包括空間映射、頻帶映射以及極化映射三方面?？臻g映射因子以雷達為例，在雷達工作期間，功能信號主要通過雷達天線主瓣進行接收，但是空間中的背景信號和干擾信號，既可以通過主瓣接收，也可以通過旁瓣接收，并且空間中的輻射源與雷達的距離是動態變化的。為了在內場模擬電磁環境在不同來波方向、不同距離下的天線耦合效應，通過REF_Ref173695070\r\hA.2節的研究，發現接收天線的耦合效應與主瓣/旁瓣增益、接收天線與輻射源的距離是相關的，如式（A.12）所示 (A.12)因此本節采用空間映射因子對不同來波方向、不同距離下接收天線耦合響應程度進行表征。 (A.13)式（A.13）中，為接收天線的旁瓣增益，為接收天線的主瓣增益，分別為輻射源與接收天線的空間距離。頻帶映射因子接收天線會接收其工作頻率范圍的電磁信號，對工作頻帶外的信號接收增益很低，其本質相當于空間濾波器，如REF_Ref173695169\r\h圖A.5所示。外部射頻電磁環境信號被天線接收到后，后端電路同樣具有頻率選擇性，同時電磁環境信號最終也是通過作用于后端電路對設備的工作性能產生影響，因此本節綜合考慮天線及后端電路的頻率選擇特性，通過對接收機開展頻率選擇特性測試或者仿真，形成接收機的帶內帶外接收敏感曲線，如REF_Ref173695176\r\h圖A.6所示，通過頻帶映射將可以將帶外環境信號映射到接收機帶內，降低了帶外環境信號構建難度，并且可以根據帶內環境信號的試驗結果，對帶外環境場景進行等效推演。天線頻帶選擇特性天線頻帶映射為了在內場模擬不同頻帶范圍下的接收天線耦合效應，本節采用頻帶映射因子對帶內/帶外接收天線的耦合響應程度進行表征。以REF_Ref173696345\r\h圖A.6為例，為雷達接收機中心頻點，對外部電磁環境的敏感響應為，為雷達接收機帶外某頻點，對外部電磁環境的敏感響應為，則頻帶映射因子可表示為 (A.14)電磁環境響應等效構建模型電磁環境與接收天線耦合響應具有強相關性，因此，以接收天線在電磁環境下的耦合響應，在內場構建試驗環境時，只要保證實驗環境下接收天線的耦合響應與環境下的接收天線耦合響應相同，就可以實現電磁環境在內場的降維等效構建，內場電磁環境的等效構建應滿足式（A.15）： (A.15)式中，是內場環境構建天線的輻射功率，是內場環境構建天線的發射增益，是內場環境構建天線和接收天線之間的距離。在內場構建電磁環境時，既可以通過控制環境構建天線通過多路輸出信號，從不同方位對被試品天線進行輻射，即根據需要控制環境構建天線對被試品的主瓣或者旁