復(fù)雜電磁環(huán)境下機載制導(dǎo)彈藥的電磁兼容研究

晉耀，潘文庚，郭巍巍

（1.徐州空軍學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.空軍94783部隊，浙江 長興 313100）

先進(jìn)機載制導(dǎo)彈藥不斷地裝配部隊，電子裝置在機載制導(dǎo)彈藥中的應(yīng)用比例也大幅增加，使得機載制導(dǎo)彈藥的電磁敏感度大大提高，而抗電磁干擾的能力卻有所下降。戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，因此機載制導(dǎo)彈藥能否在復(fù)雜的電磁環(huán)境中發(fā)揮應(yīng)有的效能，已經(jīng)成為各國武器裝備建設(shè)中一個亟須解決的問題。研究復(fù)雜電磁環(huán)境的內(nèi)涵，提高機載制導(dǎo)彈藥的電磁兼容性能，對提高武器裝備建設(shè)水平有著重要的指導(dǎo)意義。

1 機載制導(dǎo)彈藥的電磁環(huán)境分析

1.1 復(fù)雜電磁環(huán)境

復(fù)雜電磁環(huán)境是指在一定的時域、空域、頻域上，電磁信號縱橫交叉、連續(xù)交錯、密集重疊、功率分布參差不齊，對相應(yīng)的電磁活動和其他軍事活動產(chǎn)生重大影響的電磁環(huán)境。復(fù)雜電磁環(huán)境是戰(zhàn)爭中復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部電磁領(lǐng)域體系對抗產(chǎn)生的問題，是一種綜合后的電磁作用效果[1]。未來空中戰(zhàn)場上，以現(xiàn)代電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)的各種設(shè)備和系統(tǒng)將大量裝載于先進(jìn)的戰(zhàn)斗機上，在激烈的對抗過程中將會產(chǎn)生多類型、全頻譜、高密度的電磁輻射信號，從而引起對制導(dǎo)彈藥的電磁干擾。此外，各國軍隊都裝備了先進(jìn)的電磁炸彈和電磁脈沖武器，無疑又大大增加了電磁環(huán)境的復(fù)雜性，嚴(yán)重影響制導(dǎo)彈藥的安全使用。

1.2 電磁干擾的傳播途徑

對于復(fù)雜的系統(tǒng)，任何電磁干擾的產(chǎn)生必須具備3 個基本條件：干擾源、傳播干擾能量的途徑（或通道）、被干擾對象的響應(yīng)。電磁干擾能量的傳播有2種方式：傳導(dǎo)傳輸方式、輻射傳輸方式。傳導(dǎo)傳輸通過干擾源和被干擾設(shè)備之間的公共阻抗進(jìn)行傳播，輻射傳輸通過電磁波進(jìn)行傳播。傳導(dǎo)干擾和輻射干擾之間會相互轉(zhuǎn)換，輻射干擾經(jīng)過導(dǎo)線可轉(zhuǎn)換成傳導(dǎo)干擾，傳導(dǎo)干擾又可通過導(dǎo)線形成輻射干擾。

1.3 電磁兼容及其設(shè)計目的

GJB 72-85《電磁干擾和電磁兼容性名詞術(shù)語》對電磁兼容（EMC）的定義為：“設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)”。把整個戰(zhàn)場環(huán)境作為一個系統(tǒng)，為了避免載機或其他外界因素對制導(dǎo)彈藥的影響，使其達(dá)到EMC，必須以所處電磁環(huán)境為依據(jù)，要求每個設(shè)備不產(chǎn)生超過一定限度的電磁發(fā)射，同時要求制導(dǎo)彈藥本身具有一定的抗EMI 能力。電磁兼容有以下目的：1）電子設(shè)備內(nèi)部的電路相互不產(chǎn)生干擾，達(dá)到預(yù)期功能；2）電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾強度低于特定的極限值；3）電子設(shè)備對外界的電磁干擾有一定的抵抗力。隨著技術(shù)的發(fā)展，制導(dǎo)彈藥日趨復(fù)雜，電子元器件廣泛應(yīng)用及電子電路集成度的提高，抗擾度不斷降低，使得電磁兼容很難達(dá)到。

2 機載制導(dǎo)彈藥面臨的威脅

2.1 對內(nèi)部電子設(shè)備的影響

空中戰(zhàn)機擁有大量的電子設(shè)備，在進(jìn)行空戰(zhàn)時將會產(chǎn)生大量的電子信號。電子信號干擾將對制導(dǎo)彈藥的正常發(fā)射構(gòu)成威脅，影響其命中精度或?qū)е孪够?，?yán)重的還可以引發(fā)早炸。高強度的電磁干擾信號對制導(dǎo)彈藥內(nèi)部的電子、電氣設(shè)備易造成損傷，如高壓擊穿、器件燒毀、微波加溫、電涌沖擊、微瞬時干擾等。另外，當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)的電磁干擾信號功率較低，不足損壞系統(tǒng)時，能感應(yīng)瞬時電流使器件瞬時失效，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。

2.2 對內(nèi)部裝藥的影響

由于電磁輻射有熱效應(yīng)，可以使制導(dǎo)彈藥內(nèi)部裝藥溫度升高，溫度的劇烈變化往往都會引起裝藥質(zhì)量的快速變化，加速其老化變質(zhì)過程。某些特殊情況下甚至還可能導(dǎo)致燃爆而釀成惡劣事故。

3 電磁兼容的具體實施方法

電磁兼容能提高制導(dǎo)彈藥的抗電磁能力，防止電磁干擾。發(fā)生電磁兼容性問題，必須存在3 個因素：電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備，消除其中一個因素，就能解決電磁兼容問題[2]。EMC設(shè)計思想就是選擇抗干擾能力強的元器件，采用屏蔽、濾波、布線等多種方法將干擾減弱，如圖1所示。

圖1 機載制導(dǎo)彈藥電磁兼容設(shè)計Fig.1 Design on EMC of airborne guided munitions

3.1 電子器件的選用

解決電磁兼容的關(guān)鍵是模擬和邏輯有源器件的選擇，即在元件的選用方面必須考慮有源器件的電磁敏感度特性和電磁干擾發(fā)射特性。敏感特性、靈敏度和帶寬是評價敏感器件的重要參數(shù)，靈敏度越高、帶寬越大，抗擾度越差。制導(dǎo)彈藥是由許多微電子器件相互配合來完成精確制導(dǎo)的，為了適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)，選擇的器件一定要具有較高的抗干擾能力。大功率、高損耗的元器件本身可能成為很強的輻射源，因此不能忽視元器件功耗，應(yīng)該盡可能使用小功率、低損耗的元器件，以減小元器件本身產(chǎn)生的干擾。

3.2 彈體電子設(shè)備的布線設(shè)計

彈體內(nèi)部各種電子元器件很多，連接它們的各種接線十分復(fù)雜，相互之間不可避免地產(chǎn)生干擾，影響整體的性能。布線和連接存在的電磁干擾主要屬于傳導(dǎo)干擾，是由公共阻抗耦合或通過一組連接件相互作用產(chǎn)生的電磁干擾。布線也發(fā)射電磁波，存在輻射發(fā)射，尤其當(dāng)布線傳輸信號頻率超過30 MHz時，輻射干擾就比較明顯。為了盡量減少這樣的影響，彈內(nèi)走線應(yīng)該注意如下問題。

1）盡量選用雙絞線、屏蔽雙絞線和同軸電纜等有抑制EMI能力的導(dǎo)線或電纜。

2）各種裸露的走線要盡可能短。

3）傳輸不同電平信號的導(dǎo)線應(yīng)分組捆扎，數(shù)字信號和模擬信號應(yīng)分組捆扎，并保持適當(dāng)?shù)木嚯x，以減少導(dǎo)線間的相互干擾。

4）對用來傳遞信號的扁平帶狀線，應(yīng)采用“地—信號—地—信號—地”的排列方式。這樣不僅可以有效抑制干擾，也可明顯提高抗干擾能力。

5）將進(jìn)線與回線絞合在一起，形成雙絞線。由于兩線之間存在的干擾電流幾乎大小相等、方向相反，其干擾場在空間就可以相互抵消。

6）對能確定的輻射干擾較大的導(dǎo)線加以屏蔽。

7）盡量不把性質(zhì)不同的信號線安排在一個連接器或電纜中。

8）盡量少用高速器件。有引腳的元件有寄生效果，因此引腳的長度應(yīng)盡可能短。

將設(shè)備、組件等的外殼或構(gòu)架用機械手段連接在一起，形成一個電器上連續(xù)的整體，可以避免在不同金屬外殼或構(gòu)架之間出現(xiàn)電位差，而這些電位差往往是產(chǎn)生電磁干擾的原因之一。搭接技術(shù)主要考慮以下原則：1）搭接良好的關(guān)鍵在于金屬表面之間緊密接觸，被搭接表面的接觸區(qū)應(yīng)該光滑、清潔、沒有非導(dǎo)電物質(zhì)。緊固方法應(yīng)保證有足夠的壓力將搭接處壓緊，保證在受到?jīng)_擊振動和扭曲時仍然接觸良好；2）要保證搭接處或搭接片能夠承受可能出現(xiàn)的最大電流，以免搭接片過載而造成更大的危害；3）搭接片和被搭接金屬間應(yīng)考慮防止電化學(xué)腐蝕，并應(yīng)用防潮、防腐措施以確保搭接的電氣穩(wěn)定性；4）搭接片應(yīng)盡量短、寬（粗），以保證搭接的低阻抗和小電感。

3.3 屏蔽設(shè)計

沒有正確的屏蔽或防護(hù)，彈體內(nèi)部微電子設(shè)備可能就會遇到嚴(yán)重的干擾問題[3]。屏蔽主要用于切斷通過空間輻射的干擾傳輸途徑，是結(jié)構(gòu)設(shè)計上抑制電磁輻射和干擾的主要方法，屏蔽的基本要求是被屏蔽物體既不向外輻射電磁信號，也不受外界電磁信號的干擾。有效的屏蔽體是連續(xù)封閉的，但現(xiàn)實中很難達(dá)到。

電磁波在穿過屏蔽體時發(fā)生衰減是因為能量有損耗，這種損耗可用屏蔽效能來表示。屏蔽效能（ESE）是電磁能量通過屏蔽體時能量的總衰減值，其計算公式為：

式中：A為吸收損耗，dB；R為反射損耗，dB；B為多次反射修正系數(shù)，dB。

3.3.1 屏蔽材料的選擇

反射損耗與電磁波的波阻抗ZW和屏蔽材料的特征阻抗ZS有關(guān)。一般表達(dá)式為：

式中：ZW為電磁波在某一點電場分量與磁場分量的比值，對于外干擾來說假定其為常量；ZS為屏蔽材料的阻抗；μr為相對磁導(dǎo)率；σr為相對電導(dǎo)率；f為電磁波頻率。

當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時，無論電場還是磁場都是按指數(shù)規(guī)律衰減，當(dāng)電磁波衰減為原始強度的37%時所傳播的距離稱為趨膚深度，用δ表示。

趨膚深度的計算公式為：

相同厚度的屏蔽材料趨膚深度越小，吸收損耗越大；屏蔽材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率越高，吸收損耗越高；被屏蔽電磁波頻率越高，吸收損耗越大。所以，干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果。當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴散到屏蔽的空間去。在某些場合，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。任何結(jié)構(gòu)的金屬都是良好的EMI 吸收材料，增加屏蔽物厚度，可增加EMI的吸收量。

3.3.2 對孔縫的屏蔽

為了保證彈藥的可靠性和可維修性，設(shè)計時彈體存在著許多孔縫。外界電磁脈沖入射到彈體上的孔縫時，很容易通過孔縫進(jìn)入彈體內(nèi)，還會發(fā)生電磁散射和耦合等復(fù)雜現(xiàn)象。由于金屬腔體及腔體中的各部位對電磁脈沖有反射影響，在腔體中就形成了復(fù)雜的電磁場空間分布，引發(fā)與元器件相互作用產(chǎn)生耦合，極大損害屏蔽了效能，影響各部件正常工作。因此，在進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計時要妥善處理好這些貫穿電纜和孔縫。

1）合理選擇孔縫類型。在設(shè)計彈藥的引信窗口、觀察窗、線纜孔時，盡可能采用圓孔或正方形孔，這有助于提高彈體的屏蔽效能，可以有效地降低外界電磁脈沖對彈體的影響，減小耦合進(jìn)入彈體內(nèi)的電磁能量。在需要開多孔縫時，可以采用孔陣。

2）電磁敏感元器件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離孔縫。設(shè)計腔體內(nèi)元器件布局時，應(yīng)將電磁敏感元器件盡可能離開孔縫，避開電磁能量高、相對危險的地方，有助于提高系統(tǒng)對外界電磁脈沖的抵抗能力。

3.4 濾波設(shè)計

傳導(dǎo)干擾可以通過電源線、信號線、互連線等導(dǎo)線以及屏蔽體等導(dǎo)體進(jìn)行傳播。為滿足EMC要求，對傳導(dǎo)性耦合需采用濾波技術(shù)，即采用EMI 濾波器件加以抑制，濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾的電平。濾波器的作用是僅允許工作必須的信號頻率通過，而對工作不必要的信號頻率有很大的衰減作用，使產(chǎn)生干擾的機會減到最少。采用濾波網(wǎng)絡(luò)無論是抑制干擾源、消除干擾耦合，還是增強接收設(shè)備的抗干擾能力都是一種有力的措施。

根據(jù)要濾除的干擾信號頻率與工作頻率的相對關(guān)系，干擾濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等種類。在EMC設(shè)計中，低通濾波器用得最多。飛機上的電源線是機載制導(dǎo)彈藥的一個主要干擾源，因此常用電源濾波器來抑制其干擾。電源濾波器一般用來抑制主要是30 MHz 以下頻率范圍的噪音，但是對30 MHz以上的輻射干擾也有一定的抑制作用。在30MHz頻率范圍內(nèi)又大致可分成3個頻段：在5 kHz以下，主要抑制差模干擾；在5 kHz～1 MHz 范圍內(nèi)，主要抑制共模干擾；在1 MHz～30 MHz范圍內(nèi)除主要抑制共模干擾外，還需注意與周圍的電磁波耦合問題。對于頻率在30 MHz以上的則要考慮濾波器的高頻特性[4]。

對于濾波器的安裝應(yīng)注意以下2 點：1）濾波器的引線應(yīng)以雙絞線為佳，并盡可能短，讓濾波器的輸入、輸出線保持一定的距離，以使輸入、輸出線之間的耦合盡可能減小，防止濾波性能下降；2）濾波器安裝的首選位置是電源入口處，以縮短輸入線在機箱內(nèi)的長度，從而減小輻射干擾。輸入與輸出端口隔離良好，濾波器外殼要與設(shè)備金屬機殼保持可靠接觸。

4 結(jié)語

電磁兼容是一項復(fù)雜的技術(shù)任務(wù)，其涉及面很廣，在實踐中應(yīng)該不斷積累抗干擾技術(shù)方面的經(jīng)驗，挖掘出實用的診斷、消除電磁干擾的方法。對電磁干擾的研究和預(yù)防應(yīng)做到貫穿于整個設(shè)計、建造、試驗過程中，正確地使用好屏蔽、濾波等防范耦合的技術(shù)手段，切斷電磁耦合的途徑，確保提高電磁兼容能力。

[1]劉尚合，孫國至.復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)涵及效應(yīng)分析[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，19（1）：1—5.

[2]王守權(quán)，劉紀(jì)文，鐘芳.機載設(shè)備電磁兼容性設(shè)計方法[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2008，23（5）：554—558.

[3]張思全，張建榮.飛機電子設(shè)備電磁兼容分析[J].電子質(zhì)量，2004，25（11）：16—19.

[4]韋韜.艦載電子設(shè)備電磁兼容研究與設(shè)計[J].艦船電子工程，2008，28（3）：170—172.