平臺電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計

陳 捷，梁 賓

（中國電子科技集團電子科學(xué)研究院，北京 100041）

平臺電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計

陳 捷，梁 賓

（中國電子科技集團電子科學(xué)研究院，北京 100041）

介紹了運載平臺上加裝的復(fù)雜電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計的方法和內(nèi)容，以貫徹GJB 1389A—2005系統(tǒng)電磁兼容性要求，并結(jié)合工程實踐介紹了系統(tǒng)安全裕度的測試內(nèi)容和方法，對于未來開展平臺電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計具有參考意義。

系統(tǒng)電磁兼容性；EMC；安全裕度

電磁兼容性（EMC）是指設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。它包含2方面含義：1）在預(yù)定電磁環(huán)境中運行時，可按規(guī)定的安全裕度實現(xiàn)設(shè)計的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接收的降級；2）在預(yù)定電磁環(huán)境中正常工作且不會給環(huán)境或設(shè)備帶來不可接收的電磁干擾。

筆者對典型平臺電子系統(tǒng)電磁兼容性問題進行分析，對平臺的系統(tǒng)級EMC設(shè)計方法和內(nèi)容進行了研究。

1 系統(tǒng)級EMC設(shè)計的背景

隨著現(xiàn)代軍事應(yīng)用中電子對抗的需要，各型復(fù)雜電子裝備大量研制，其中電子設(shè)備組成龐大復(fù)雜，保證整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)就必須很好地解決電磁兼容性問題。如美國的E－3預(yù)警機就是集大功率預(yù)警雷達、高靈敏度電子偵察設(shè)備于一體的，電磁環(huán)境極為復(fù)雜的平臺電子系統(tǒng)，系統(tǒng)的EMC問題處理不好會影響到任務(wù)執(zhí)行能力甚至飛行安全。由此可見，能否解決電磁兼容性問題成為復(fù)雜電子系統(tǒng)實現(xiàn)正常工作的關(guān)鍵技術(shù)。

1．1 系統(tǒng)級EMC設(shè)計的必要性

國內(nèi)外許多實例表明，對設(shè)備和分系統(tǒng)要求在實驗室環(huán)境進行了EMC測試，仍不能完全保證整個系統(tǒng)在運載平臺上的兼容工作能力。因此，在系統(tǒng)級進行相互干擾電磁兼容性設(shè)計和測試是必不可少的，其作用體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）避免系統(tǒng)EMC的欠設(shè)計

由于運載平臺的局限性，不利于系統(tǒng)兼容的電磁干擾因素大大增加，系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境十分惡劣。僅圍繞單臺設(shè)備自身設(shè)計很難掌握設(shè)備特性的設(shè)計重點，從而造成某些性能指標設(shè)計不足，最終帶來對系統(tǒng)整體的影響。

2）避免系統(tǒng)EMC的過設(shè)計

系統(tǒng)EMC設(shè)計和測試的目的是尋求一種低成本、高效率的方案，實現(xiàn)專用電子系統(tǒng)自身兼容以及與特定的工作環(huán)境實現(xiàn)兼容。根據(jù)分析系統(tǒng)的特定電磁環(huán)境預(yù)測和測試數(shù)據(jù)，適當剪裁對設(shè)備和分系統(tǒng)的EMC要求，從而避免由于電子設(shè)備在EMC過設(shè)計而帶來的成本增加和效率的降低。

3）系統(tǒng)電磁兼容性評估的依據(jù)

根據(jù)組成系統(tǒng)的電子設(shè)備、分系統(tǒng)間電磁干擾和抗擾性能的設(shè)計和測試驗證，為實現(xiàn)對復(fù)雜平臺電子系統(tǒng)綜合兼容工作能力的評估提供依據(jù)。

1．2 系統(tǒng)級EMC設(shè)計的復(fù)雜性

設(shè)備、分系統(tǒng)設(shè)計和測試要求都有較為明確的設(shè)計規(guī)范和測試要求、方法。系統(tǒng)級EMC設(shè)計比較復(fù)雜，其難度體現(xiàn)在以下幾點。

1）運載平臺電子系統(tǒng)組成復(fù)雜

運載平臺空間有限，電子設(shè)備種類、體制、性能多種多樣，無論從設(shè)計考慮的對象，還是測試內(nèi)容和評估準則來看，都有很大的難度。

2）測試方法還沒有標準可循

對于系統(tǒng)級的EMC測試的設(shè)計還沒有適當?shù)囊?guī)范和標準可用。國軍標GJB 1389A—2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》僅提出要求，并沒有提出具體的測試方法。如何將這些要求應(yīng)用于工程，還需要一個實踐的過程。

2 平臺電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計

工程實踐經(jīng)驗表明，在系統(tǒng)方案論證階段可采用自頂向下方法對平臺電子系統(tǒng)的EMC進行設(shè)計。1）通過預(yù)測仿真、等效推算、模擬測試等手段預(yù)估系統(tǒng)可能存在的兼容問題，設(shè)計相應(yīng)技術(shù)措施；2）安排相關(guān)測試對設(shè)計結(jié)果進行驗證，實現(xiàn)電子系統(tǒng)的兼容工作。

2．1 系統(tǒng)電磁兼容性預(yù)測仿真設(shè)計

2．1．1 系統(tǒng)用頻設(shè)計分析

對平臺電子系統(tǒng)組成的電子設(shè)備的用頻特性進行統(tǒng)計分析，包括工作頻率范圍、諧波特性、調(diào)頻模式、占空比及工作使用安排等頻域占用和時域分布特征。通過用頻統(tǒng)計，標注出設(shè)備用頻在頻域和時域上都有重疊的部分，作為進一步重點分析的對象。見表1、圖1。

表1 電臺頻域占用示意圖

2．1．2 系統(tǒng)天線布局設(shè)計分析

配套設(shè)備的天線布局是實現(xiàn)系統(tǒng)兼容工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要通過軟件仿真和模擬布局測試進行分析。

1）空域覆蓋分析，通過仿真和測試避免運載平臺對天線方向圖的遮擋。遮擋嚴重需采取更改布局位置、增大天線增益、增加天線補盲等措施。

2）耦合度（隔離度）分析，通過仿真運載平臺和模擬測試，利用運載平臺遮擋、方向性天線等措施，提高發(fā)射設(shè)備到敏感設(shè)備路徑的衰減量，減輕設(shè)備間射頻干擾程度，為下一步兼容分析提供支撐。見圖2。

2．1．3 系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計分析

針對用頻設(shè)計分析中出現(xiàn)的在頻域和時域都有重疊的設(shè)備，利用功率、天線增益、耦合度等仿真分析結(jié)果，結(jié)合設(shè)備靈敏度、抗毀門限等特性，對設(shè)備間兼容工作情況進行預(yù)測分析，評估出存在的干擾風(fēng)險，設(shè)計電磁濾波、搭接接地、涂覆材料等措施實現(xiàn)兼容狀態(tài)。

常用的電磁防護設(shè)計有設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度控制、天線間干擾控制設(shè)計、線纜間干擾控制設(shè)計、電磁防護設(shè)計、搭接和接地設(shè)計、雷電防護設(shè)計、靜電防護設(shè)計、電源設(shè)計等方面。這些設(shè)計也是GJB 1389A—2005系統(tǒng)電磁兼容性要求中對系統(tǒng)EMC的要求。

2．2 系統(tǒng)電磁測試項目設(shè)計

結(jié)合國軍標的相應(yīng)要求，系統(tǒng)應(yīng)開展相應(yīng)的電磁兼容性測試項目，以保證設(shè)計方案的貫徹。

2．2．1 系統(tǒng)電搭接和接地電阻

包括雷電搭接、天線搭接、安全接地。電搭接和接地的良好與否會引起平臺設(shè)備的電磁干擾、影響天線方向圖、靜電放電和雷電保護、人員和設(shè)備的安全。按照國軍標相關(guān)電搭接技術(shù)要求，測試各電子分系統(tǒng)的

圖1 電臺時域占用示意圖

圖2 天線耦合度仿真與測試比對示意圖

安裝設(shè)計是否符合要求。

2．2．2 平臺系統(tǒng)屏蔽效能

對機身殼體、平臺設(shè)備和工作艙依據(jù)進行測試，依據(jù)GB 12190《高性能屏蔽室屏蔽效能的測量方法》，選擇對相應(yīng)平臺電子系統(tǒng)（雷達、通信等）各工作頻率進行測試。

2．2．3 系統(tǒng)電磁環(huán)境測試

檢查在系統(tǒng)諸多大功率發(fā)射設(shè)備全功率發(fā)射情況下，測試艙內(nèi)電磁環(huán)境是否滿足GJB 5313《微波輻射暴露限制和測量方法》，測試飛機艙室電磁環(huán)境強度。

2．2．4 系統(tǒng)天線特性測試

1）天線性能測試

平臺天線與安裝位置、接地狀況、饋線性能等都有直接關(guān)系，主要測試指標有裝機后方向圖、增益、駐波系數(shù)和饋線插損。

2）天線耦合度測試

天線間耦合度（亦稱隔離度）是系統(tǒng)EMC測試的重要參數(shù)，與頻率、天線參數(shù)、空間位置和極化等緊密相關(guān)。直接影響輻射干擾、系統(tǒng)內(nèi)兼容、系統(tǒng)間干擾、安全裕度等指標。其包含以下3個方面內(nèi)容：①天線單元隔離度測量，信號源用單載波形式輸出；②天線系統(tǒng)（包括天線和饋電系統(tǒng)）隔離度測量，信號源為單載波形式輸出；③實際天線隔離度測量（包括實際天線和饋源系統(tǒng)及真實的發(fā)射機），此測試最具工程價值，被測天線系統(tǒng)接近真實，可作為兼容分析直接參數(shù)。

2．2．5 平臺電子系統(tǒng)設(shè)備間兼容性檢查測試

系統(tǒng)內(nèi)相互作用檢查測試應(yīng)使可能產(chǎn)生干擾的設(shè)備工作在最大功率和最易引起干擾的工作方式和頻率狀態(tài)，同時使可能受擾的設(shè)備以最敏感的方式工作，通過監(jiān)視敏感設(shè)備和分系統(tǒng)的工作情況來判斷是否存在嚴重兼容故障。測試矩陣見表2。

表2 測試矩陣

2．2．6 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備安全裕度測試

系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度是評定一個系統(tǒng)EMC的重要指標之一，反映了系統(tǒng)電磁兼容性的安全程度，系統(tǒng)關(guān)鍵點的環(huán)境電平低于比設(shè)備、分系統(tǒng)敏感門限值的程度。通常評定關(guān)鍵任務(wù)功能（如敵我識別應(yīng)答機、應(yīng)急通信電臺等）的安全裕度要求為6 d B，對電起爆裝置等危險設(shè)備的安全裕度要求為16．5 dB。

1）安全裕度定義

安全裕度是系統(tǒng)電磁兼容性要求中較為迷糊的一項要求，基于工程實踐筆者總結(jié)安全裕度包括以下3方面內(nèi)容。

人員安全裕度：人員工作環(huán)境電磁輻射限值與工作環(huán)境總電磁輻射強度之間的差值；

設(shè)備安全裕度：定義為設(shè)備的抗毀電平與系統(tǒng)實測得到的干擾電平之間的差值；

任務(wù)安全裕度：定義為使系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)不能正常工作的臨界靈敏度電平與系統(tǒng)實測干擾電平之間的差值。

三者的差別就在于敏感度判決的標準不一樣。

2）測試方法

原理上可用以下3種方法實現(xiàn)：①增加干擾源的功率；②增加干擾源和敏感區(qū)域的耦合程度；③增加敏感區(qū)域的靈敏度。

在實際工程應(yīng)用中這3種方法都受到一定的限制（如天線位置固定、裝機設(shè)備指標固化、外場輻射功率電平受限等）。下面介紹一些經(jīng)過實踐檢驗的工作性能安全裕度測量方法。

由于平臺電子設(shè)備繁多，系統(tǒng)間干擾關(guān)系錯綜復(fù)雜，利用統(tǒng)計和概率的方法，找出系統(tǒng)中干擾源的主要耦合途徑和一些關(guān)鍵點的干擾規(guī)律和強度，然后人為在系統(tǒng)中按同樣的規(guī)律施加（輻射或注入方法）一個強度大于6 d B的干擾信號，如設(shè)備工作正常、系統(tǒng)穩(wěn)定，則認為系統(tǒng)滿足要求。反之，則應(yīng)對薄弱環(huán)節(jié)加以改進。

這種方法對于評估和考核系統(tǒng)電磁兼容性行之有效，下面以工程中具體實例加以說明。

應(yīng)急通信電臺工作在其技術(shù)規(guī)范規(guī)定的工作模式下，向應(yīng)急通信電臺施加比平臺預(yù)期電磁環(huán)境綜合應(yīng)力（具體電磁應(yīng)力剖面由平臺綜合電磁環(huán)境測試中應(yīng)急通信電臺天線端口感應(yīng)電平獲得）高6 d B的背景干擾電平，應(yīng)急通信電臺不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標值，或單個設(shè)備和分系統(tǒng)指標容差超出技術(shù)規(guī)范或經(jīng)確認的降級使用要求。測試框圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)急通信電臺安全裕度測試框圖

2．2．7 平臺電子系統(tǒng)電磁兼容性測試設(shè)計要求

下面匯集了開展系統(tǒng)EMC設(shè)計所需具備的一些要求，這些要求是建立在大量國防電子系統(tǒng)研制中獲得的經(jīng)驗基礎(chǔ)上的。

1）系統(tǒng)特性資料完整（天線布局位置、頻率特性等）；

2）分系統(tǒng)具備自兼容性；

3）系統(tǒng)實裝天線或模擬天線位置的耦合度測試；

4）分系統(tǒng)和設(shè)備級的EMC測量結(jié)果；

5）分系統(tǒng)EMC要求及降級準則；

6）設(shè)備故障判據(jù)的定義；

7）設(shè)備重要性分級；

8）測試環(huán)境和設(shè)施要求：根據(jù)要求1）—要求7）確定測試的實驗邊界條件和任務(wù)剖面；

9）設(shè)計方案的評審，以確定設(shè)計內(nèi)容全面、邊界條件正確。

3 結(jié) 語

高效適度的系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計，是保證機上人員安全、系統(tǒng)發(fā)揮最佳效能的基礎(chǔ)，而完成這一任務(wù)是通過一系列預(yù)測分析計算項目和測試項目來實現(xiàn)的。從平臺電子系統(tǒng)電磁兼容性要求出發(fā)，介紹了復(fù)雜平臺電子系統(tǒng)EMC設(shè)計的背景、項目內(nèi)容、要求和典型安全裕度測試。

值得指出的是：系統(tǒng)EMC設(shè)計是一門復(fù)雜綜合學(xué)科，人們已經(jīng)逐步認識到系統(tǒng)設(shè)計的重要性，通過系統(tǒng)設(shè)計，可以降低研制后期系統(tǒng)電磁兼容性問題出現(xiàn)的風(fēng)險，減小研制成本，提高研制效率，也使我們有能力研制更為復(fù)雜的電子系統(tǒng)裝備。

［1］ GJB 1389A—2005，系統(tǒng)電磁兼容性要求［S］．

［2］ GJB 2079—1994，無線電系統(tǒng)間干擾的測量方法［S］．

［3］ 白同云，呂曉德．電磁兼容設(shè)計［M］．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001．

［4］ 王定華．趙家升．電磁兼容原理與設(shè)計［M］．成都：電子科技大學(xué)出版社，1995．

［5］ 凱 瑟．航空航天系統(tǒng)的電磁干擾控制［M］．北京：宇航出版社，1989．

［6］ 姚世全．電磁兼容標準實施指南［M］．北京：中國標準出版社，1999．

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1008－1542（2011）07－0009－05

2011－06－20；責(zé)任編輯：張士瑩

陳 捷（1979－），男，北京人，工程師，主要從事系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計、仿真、測試技術(shù)方面的研究。