抗電磁干擾失效分析技術(shù)應(yīng)用
——某新型雷達(dá)分機(jī)抗電磁干擾失效分析

文 | 中國(guó)兵器工業(yè)第206研究所 黃磊華

抗電磁干擾失效分析技術(shù)應(yīng)用
——某新型雷達(dá)分機(jī)抗電磁干擾失效分析

文 | 中國(guó)兵器工業(yè)第206研究所 黃磊華

抗電磁干擾失效產(chǎn)生的危害有時(shí)是直接的，有時(shí)是間接的。本文從對(duì)某新型雷達(dá)主體分機(jī)電磁兼容試驗(yàn)出現(xiàn)失效和液壓系統(tǒng)分機(jī)傳感器自兼容差導(dǎo)致失效所進(jìn)行的分析，提出了抗電磁干擾失效的故障定位方法和二次（反）設(shè)計(jì)方法，可作為強(qiáng)化雷達(dá)電磁兼容設(shè)計(jì)和電磁兼容失效質(zhì)量控制的參考試驗(yàn)依據(jù)。

失效；傳導(dǎo)發(fā)射；電場(chǎng)輻射發(fā)射；電磁干擾

1.言

雷達(dá)抗電磁干擾是多方面和多層次的，它是雷達(dá)可靠性的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其重要程度等同于雷達(dá)高低溫環(huán)境適應(yīng)性。雷達(dá)分機(jī)抗電磁干擾能力差，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)分機(jī)及整機(jī)在高低溫試驗(yàn)中性能退化或失效，并導(dǎo)致出故障。雷達(dá)分機(jī)抗電磁干擾能力強(qiáng)弱是雷達(dá)整機(jī)性能好壞的重要因素。電磁兼容試驗(yàn)是驗(yàn)證這種抗干擾能力的一種很好方法，自兼容在一般環(huán)境下可以得到驗(yàn)證。本文是對(duì)某新型雷達(dá)分機(jī)抗電磁干擾失效所進(jìn)行的失效分析。

2.達(dá)分機(jī)抗電磁干擾失效分析原理和分析方法

2.1.達(dá)分機(jī)抗電磁干擾失效分析原理

在雷達(dá)電路中廣泛運(yùn)用濾波和屏蔽來消除內(nèi)部或外部的電磁干擾，抗電磁干擾方法之一就是在電路中最好的運(yùn)用濾波和屏蔽，以達(dá)到最佳濾波和最佳屏蔽的效果。它是針對(duì)單個(gè)或多個(gè)波段一定強(qiáng)度全頻段電磁干擾最常用和有效的方法。雷達(dá)分機(jī)抗電磁干擾失效，是指雷達(dá)分機(jī)在電磁兼容試驗(yàn)或普通環(huán)境下內(nèi)部有電磁干擾時(shí)，喪失規(guī)定的單個(gè)或多個(gè)功能。失效遵循圖1浴盆曲線三個(gè)階段，第一階段為早期失效階段，第二階段為偶然失效階段，第三階段為耗損失效階段。當(dāng)雷達(dá)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平均壽命時(shí)，稱為早期失效產(chǎn)品。在早期失效階段失效率很高，樣機(jī)雷達(dá)分機(jī)或批產(chǎn)雷達(dá)分機(jī)在試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效均屬于這種早期失效。失效分析的作用是消除早期失效產(chǎn)生的危害,對(duì)雷達(dá)在分機(jī)電磁兼容試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效和在一般環(huán)境下分機(jī)因內(nèi)部自兼容差導(dǎo)致的失效分析和討論，即為這種早期失效的分析和討論。它是通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)失效樣品的解剖分析，對(duì)雷達(dá)分機(jī)中不易發(fā)現(xiàn)的、無法預(yù)期的、潛在的、隱蔽的故障尋找出來，并對(duì)失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行分析，準(zhǔn)確判斷失效原因，尋找預(yù)防措施，為提高雷達(dá)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性提供科學(xué)依據(jù)。

表1.機(jī)在電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE102測(cè)試）時(shí)的失效模式列表

表2.機(jī)在電場(chǎng)輻射發(fā)射（RE102測(cè)試）時(shí)的失效模式列表

2.2.達(dá)分機(jī)抗電磁干擾失效分析方法

2.2.1.機(jī)抗電磁干擾失效故障定位方法

理論分析判斷法、濾波器濾波定位法、穿芯電容濾波定位法、磁環(huán)濾波定位法、銅鉑包裹屏蔽定位法。

2.2.2.效機(jī)理分析

根據(jù)抗電磁干擾基本原理分析失效。

2.2.3.機(jī)抗電磁干擾失效故障消除方法

在電子電路中增強(qiáng)濾波和增強(qiáng)屏蔽（包括中頻信號(hào)電纜線的屏蔽），以更好地消除內(nèi)外部電磁干擾。

濾波對(duì)象：電源濾波和信號(hào)濾波。

濾波方式：硬件濾波器方式和軟件濾波器方式。

3.新型雷達(dá)分機(jī)電磁兼容試驗(yàn)失效分析

3.1.機(jī)在電源線傳導(dǎo)發(fā)射（CE102測(cè)試）時(shí)的失效模式列表，如表1。

分析：CE102測(cè)試是對(duì)電源導(dǎo)線(包括返回線，不包括EUT電源的輸出端導(dǎo)線)傳導(dǎo)發(fā)射。從上面列表中失效模式得出：

3.1.1.達(dá)分機(jī)(或整機(jī))用電源線應(yīng)使用抗干擾較好的，避免使用未經(jīng)優(yōu)選的普通線。

3.1.2.達(dá)分機(jī)(或整機(jī))用電源應(yīng)要求濾波較好或采用增加濾波器方法。

3.2.機(jī)在電場(chǎng)輻射發(fā)射(RE102測(cè)試)時(shí)的失效模式列表，如表2。

分析：RE102測(cè)試是對(duì)分系統(tǒng)殼體和所有互連電纜的基頻或天線的輻射發(fā)射。

3.2.1.新型雷達(dá)原中頻信號(hào)，即基信號(hào)用電纜線為SYV類，此類電纜是聚乙烯材料介質(zhì)，該材料是粉料，密度低、質(zhì)軟，耐溫差影響電纜頭/座焊接質(zhì)量，是用模具壓制成電纜介質(zhì)狀，泄漏很大，該類電纜已經(jīng)被很多整機(jī)單位所列為非選用電纜。更改后的SFF電纜是聚四氟材料介質(zhì)的電纜，該材料為棒料，密度大、質(zhì)硬、耐溫好，不會(huì)影響電纜頭/座焊接質(zhì)量，用車床車制電纜介質(zhì)狀，泄漏小，被很多的整機(jī)單位列為國(guó)內(nèi)的優(yōu)選電纜。

3.2.2.無法對(duì)信號(hào)用電源加濾波器時(shí)，可采用在信號(hào)線處補(bǔ)加濾波器方法（如：電視、紅外跟蹤器）。

表3.新型雷達(dá)分機(jī)電磁兼容試驗(yàn)前、后整機(jī)高低溫環(huán)境試驗(yàn)中的表現(xiàn)形式列表

表4.新型雷達(dá)分機(jī)電磁兼容試驗(yàn)前、后整機(jī)可靠性試驗(yàn)中的故障數(shù)列表

3.2.3.達(dá)分機(jī)（或整機(jī)）用電源應(yīng)選用濾波較好的，或采用加濾波器的方法，電源線應(yīng)使用抗干擾較好的。電源或電源線在受電場(chǎng)輻射干擾后電源波紋會(huì)產(chǎn)生振蕩或混亂，從而導(dǎo)致供雷達(dá)分機(jī)或整機(jī)用電源不正常，并影響信號(hào)線抗干擾。

4.新型雷達(dá)分機(jī)電磁兼容試驗(yàn)前后對(duì)比

4.1.新型雷達(dá)分機(jī)電磁兼容試驗(yàn)前、后整機(jī)高低溫環(huán)境試驗(yàn)中的表現(xiàn)形式列表，如表3。

分析：雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)所有分機(jī)和設(shè)備之間應(yīng)是電磁兼容的，系統(tǒng)與系統(tǒng)外部的電磁兼容環(huán)境也應(yīng)是兼容的。系統(tǒng)自身應(yīng)是電磁兼容的，以滿足系統(tǒng)工作性能要求，其符合性是采用系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)、分機(jī)或組合來驗(yàn)證的。電磁兼容試驗(yàn)不符合的分機(jī)會(huì)導(dǎo)致整機(jī)在高低溫環(huán)境試驗(yàn)中產(chǎn)生故障或其某個(gè)功能失效，由于環(huán)試設(shè)備就是一個(gè)可產(chǎn)生輻射的發(fā)射源，環(huán)試箱越大，輻射源越強(qiáng)，產(chǎn)生的輻射越大。

4.2.新型雷達(dá)分機(jī)電磁兼容試驗(yàn)前后在整機(jī)可靠性試驗(yàn)中的故障數(shù)列表，如表4。

5.新型雷達(dá)液壓系統(tǒng)分機(jī)高精度雙軸傾角傳感器（外協(xié)件）抗內(nèi)部直流電場(chǎng)干擾失效分析

5.1.感器抗內(nèi)部直流電場(chǎng)干擾失效模式列表，如表5。

5.2.效機(jī)理及消除失效方法

5.2.1.效機(jī)理

表5.感器抗內(nèi)部直流電場(chǎng)干擾實(shí)效模式列表

EZ-TIL-5000-1S型雙軸傾角傳感器是控制電路單元與敏感元件一體腔結(jié)構(gòu)器件，當(dāng)傳感器工作時(shí)，輸入其內(nèi)部的直流電源線產(chǎn)生的直流電場(chǎng)直接對(duì)敏感元件施加干擾。此型號(hào)雙軸傾角傳感器內(nèi)部共存在直流24V和直流9V兩種輸入電源線，由于直流電源電場(chǎng)的強(qiáng)弱與其工作電壓成正比，直流工作電壓值越大，產(chǎn)生的直流電場(chǎng)越強(qiáng)，因而，產(chǎn)生較強(qiáng)電場(chǎng)的直流24V電源線是對(duì)敏感元件干擾并導(dǎo)致失效的主要因素。尤其傳感器內(nèi)部直流24V電源線距水平敏感元件較近，對(duì)水平敏感元件直接產(chǎn)生較強(qiáng)干擾（相對(duì)較遠(yuǎn)的垂直敏感元件受干擾強(qiáng)度次之）。水平敏感元件中導(dǎo)電液里的離子在直流24V電源線直流電場(chǎng)的干擾下，向著一個(gè)方向移動(dòng)，在連續(xù)通電情況下，導(dǎo)電液兩端的離子數(shù)相差越來越大，水平敏感元件導(dǎo)電液導(dǎo)電活性逐漸變化，造成兩端導(dǎo)電液的阻值緩慢變化。在阻值逐漸變化的情況下，就導(dǎo)致該型號(hào)雙軸傾角傳感器時(shí)漂指標(biāo)超差及輸出波動(dòng)大，出現(xiàn)失效。因此，盡可能消除直流24V電源線直流電場(chǎng)施加的干擾，以及抵消直流24V電源線直流電場(chǎng)剩余分量，是消除這種控制電路單元與敏感元件一體腔結(jié)構(gòu)的該型號(hào)雙軸傾角傳感器內(nèi)敏感元件受直流電場(chǎng)干擾的關(guān)鍵。

表6.除傳感器內(nèi)部直流24V電源線電場(chǎng)干擾方案優(yōu)選列表

5.2.2.除失效方法

方法1：對(duì)直流電場(chǎng)屏蔽法。

方法2：對(duì)直流電場(chǎng)抑制抵消法。

組合法：方法1+方法2

5.2.3.除傳感器內(nèi)部直流24V電源線電場(chǎng)干擾方案優(yōu)選列表，如表6。

5.2.4.Z-TIL-5000-1S型雙軸傾角傳感器抗直流電場(chǎng)干擾失效模式和整改措施列表，如表7。

分析：該型號(hào)雙軸傾角傳感器其控制單元電路板與敏感元件為一體腔結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)直流24V電源線電場(chǎng)是較強(qiáng)直流電場(chǎng)，因此，對(duì)腔內(nèi)敏感元件施加干擾的主要干擾源就是直流24V電源線。查該型號(hào)高精度雙軸傾角傳感器內(nèi)部接線現(xiàn)存問題為：2根直流24V電源線、2根直流9V電源線、2根數(shù)字信號(hào)線，交叉接線多（包括與4個(gè)接地支撐導(dǎo)柱），接線方式混亂，導(dǎo)致無法抵消的直流電場(chǎng)干擾分量較多，干擾較大。針對(duì)存在問題采取以下措施，有效消除了一體腔結(jié)構(gòu)雙軸傾角傳感器敏感元件受內(nèi)部強(qiáng)直流電場(chǎng)干擾導(dǎo)致的失效，得到了一個(gè)非常理想的結(jié)果。

表7.Z-TIL-5000-1S型雙軸傾角傳感器抗直流電場(chǎng)干擾失效模式和整改措施列表

5.2.4.1.體腔內(nèi)的敏感元件整體加封閉銅箔屏蔽罩（罩的制作按4條棱邊內(nèi)外錫焊，兩側(cè)出線處不應(yīng)向上開口，屏蔽罩頂部4個(gè)支撐接地導(dǎo)柱穿孔不能大,以防止產(chǎn)生縫隙并泄露。另加一層墊圈狀錫焊或?qū)ζ帘握终w渡錫，以增強(qiáng)對(duì)地的導(dǎo)通性能），這樣，最大程度地屏蔽了直流24V電源線產(chǎn)生的較強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)敏感元件的干擾。

5.2.4.2.一體腔傾角傳感器內(nèi)部空間狹小，不適宜更換硬度較大屏蔽線的實(shí)際情況。根據(jù)雙絞線抗干擾原理，運(yùn)用雙絞線可抵御一部分外界電磁波干擾，其更主要的作用是降低自身信號(hào)的對(duì)外干擾，當(dāng)扭線越密其抗干擾能力就越強(qiáng)。對(duì)現(xiàn)狀直流24V普通電源線采取雙絞（密絞合）接線，以降低直流24V電源線的直流電場(chǎng)對(duì)外干擾。

5.2.4.3.腔內(nèi)雙絞（密絞合）直流24V電源線與非絞合的2根直流9V普通電源線、2根數(shù)字信號(hào)線及支撐控制單元電路板的4個(gè)接地導(dǎo)柱，按無交叉平行接線，以抵消直流24V電源線的直流電場(chǎng)剩余分量的干擾。

上述組合法C是最大程度屏蔽控制電路單元與敏感元件一體腔結(jié)構(gòu)高精度雙軸傾角傳感器內(nèi)部直流電場(chǎng)對(duì)敏感元件的干擾和抵消直流電場(chǎng)剩余干擾分量的好方法。

6.論

雷達(dá)的好質(zhì)量和高可靠性，是設(shè)計(jì)出來并用試驗(yàn)來驗(yàn)證的。當(dāng)然，也可以是用試驗(yàn)結(jié)果提供設(shè)計(jì)依據(jù)的反設(shè)計(jì)，某新型雷達(dá)分機(jī)電磁兼容二次(反)設(shè)計(jì)即為雷達(dá)電磁兼容設(shè)計(jì)較為成功的例子。但就設(shè)計(jì)方案而言，前者要比后者更規(guī)范、設(shè)計(jì)成本更低、更能節(jié)省雷達(dá)設(shè)計(jì)定型時(shí)間。雷達(dá)在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮電磁兼容的設(shè)計(jì)內(nèi)容，首先，要進(jìn)行雷達(dá)自兼容設(shè)計(jì)，分機(jī)內(nèi)所用單元在其設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)工作時(shí)，分機(jī)的工作性能不得降低或出現(xiàn)故障；分機(jī)組成雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)后，整機(jī)自身也應(yīng)是電磁兼容的，以滿足整機(jī)系統(tǒng)工作性能要求，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境下分機(jī)和整機(jī)系統(tǒng)工作性能不降低或出現(xiàn)故障。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，分機(jī)進(jìn)行電源抗傳導(dǎo)發(fā)射設(shè)計(jì)，即：電源濾波要好或用增加濾波器方法；射頻信號(hào)和基信號(hào)抗電磁輻射發(fā)射設(shè)計(jì)，重點(diǎn)：選擇泄漏小的信號(hào)線，此試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)失效采取的有效措施是雷達(dá)分機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)的有效方法。尤其是液壓系統(tǒng)分機(jī)高精度雙軸傾角傳感器的二次（反）設(shè)計(jì)是控制單元電路板和敏感元件一體腔結(jié)構(gòu)傾角傳感器電磁兼容二次（反）設(shè)計(jì)極為成功的典型例子，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，組合法設(shè)計(jì)方案是消除敏感元件受直流電場(chǎng)干擾失效非常有效的方法。該型號(hào)雙軸傾角傳感器經(jīng)消除失效的二次（反）設(shè)計(jì)后，從根本上提高了電氣性能，其設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用于同類高精度單、雙軸傾角傳感器電磁兼容設(shè)計(jì)。

所述雷達(dá)分機(jī)失效分析方法是消除雷達(dá)抗電磁干擾失效非常有效的方法，經(jīng)驗(yàn)證的電磁兼容失效故障定位方法和二次（反）設(shè)計(jì)方法，可作為強(qiáng)化雷達(dá)分整機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)和電磁兼容失效質(zhì)量控制可供參考的試驗(yàn)依據(jù)，也是提高雷達(dá)可靠性的有效途徑之一。

[1]國(guó)軍標(biāo) 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求，GJB151A—97

[2] 國(guó)軍標(biāo) 系統(tǒng)電磁兼容性要求，GJB1389A—2005

[3] 黎玉剛等著 武器系統(tǒng)電子設(shè)備電纜電線電磁兼容設(shè)計(jì)方法研究 中國(guó)兵工學(xué)會(huì)電磁技術(shù)第八屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集P111～113（2011年8月）

[4] 藥春暉 濾波技術(shù)在電磁兼容設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 中國(guó)兵工學(xué)會(huì)電磁技術(shù)第八屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集P157、158 (2011年8月)

[5] 劉鵬程等編著 電磁兼容原理與技術(shù)P109-115、P117-122 高等教育出版社 1993.9出版

[6] 董光天編著 電磁干擾測(cè)量與控制1000問P46-62、P186-204 電子工業(yè)出版社2003.10出版

The Technical Application of Failure Analysis of Anti-electromagnetic Interference——The Failure Analysis of Anti-electromagnetic Interference of a New Type Radar

The harm of anti-electromagnetic interference failure is sometimes direct, and sometimes indirect.From the failure analysis of EMC test and bad self-compatibbility of the hydraulic subsystem of a Radar,the method of fault location and second design is introduced in this paper, this method can be used as an reference for enhancement of Radar EMC design and quality control of EMC failure.

failure；Conduction emission；electric field radiated emission；electromagnetic interference

黃磊華（1961-），女， 安徽籍，工程師，主要從事雷達(dá)線路檢驗(yàn)（試驗(yàn)）和失效分析等方面研究。