瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計(jì)研究

孫欣萌

（中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

引言

電磁敏感度指的是在存在電磁騷擾的情況下，描述承受電磁干擾的一種性能，即它們?cè)谝欢姶怒h(huán)境下，按一定要求正常工作的性能。瞬態(tài)電磁環(huán)境具有高能量（場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)數(shù)十萬(wàn)V/m）、寬頻帶（能量分布頻帶寬）、陡上升（上升沿可達(dá)納秒級(jí)）、大空域（作用范圍可達(dá)上千公里）等特點(diǎn)。瞬態(tài)電磁環(huán)境主要以能量的形式影響電子信息系統(tǒng)的正常工作。按耦合方式分類，主要可分為“前門”耦合和“后門”耦合兩種方式。①“前門”耦合。主要通過(guò)電子信息系統(tǒng)天線接收產(chǎn)生的干擾；②“后門”耦合。主要通過(guò)電子信息系統(tǒng)殼體、孔縫、線纜產(chǎn)生的干擾，電子信息系統(tǒng)內(nèi)一般含有多個(gè)模塊，各模塊之間主要靠線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和信息交互，瞬態(tài)電磁環(huán)境通過(guò)在線纜處的耦合電壓/電流，對(duì)線纜連接處的模塊產(chǎn)生影響，影響電子信息系統(tǒng)的正常運(yùn)行。按耦合途徑分類，主要可分為天線耦合、殼體耦合和線纜耦合三種耦合方式。通過(guò)天線、孔縫耦合進(jìn)入的場(chǎng)大多以輻射敏感的方式影響系統(tǒng)，通過(guò)線纜耦合進(jìn)入的場(chǎng)大多以傳導(dǎo)敏感的方式影響系統(tǒng)[1-3]，導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)在瞬態(tài)電磁環(huán)境作用下極易出現(xiàn)電磁敏感甚至電磁毀傷，因此瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的電磁敏感性分析及電磁敏感性指標(biāo)設(shè)計(jì)越來(lái)越成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前對(duì)瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的電磁敏感性分析主要是通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值仿真的方式開(kāi)展，并形成了一系列試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 151B-2013，MIL-STD-461G，MIL-STD-464D 等。數(shù)值仿真主要集中在電磁仿真算法研究，如矩量法[4]、有限元法[5]、時(shí)域有限差分法[6]、多導(dǎo)體傳輸線法[7]以及一些混合算法[8]等。同時(shí)，國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)從瞬態(tài)電磁環(huán)境效應(yīng)及電磁防護(hù)等方面開(kāi)展了大量的研究工作。中國(guó)艦船研究所的范昕等人對(duì)艦船常見(jiàn)電子信息系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾作用機(jī)理、建模與預(yù)測(cè)開(kāi)展研究[9]。解放軍某部隊(duì)的李超等人通過(guò)研究,為我國(guó)水面艦船的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制訂提供技術(shù)支撐[10]。中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心鄭生全等人根據(jù)艦船平臺(tái)電子信息系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖威脅與防護(hù)要求，提出了艦船平臺(tái)電子信息系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)要求[11]。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計(jì)新方法，支持對(duì)設(shè)備互連線纜和接收機(jī)的敏感度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證其在瞬態(tài)電磁環(huán)境下的生存特性，有抵御給定的電磁環(huán)境干擾的能力，并有一定的安全余量。

1 瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計(jì)方法整體流程

本文所提方法整體流程如圖1 所示。

圖1 瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計(jì)方法流程

主要包括以下步驟：

1）構(gòu)建系統(tǒng)模型，并確定瞬態(tài)電磁進(jìn)入系統(tǒng)的途徑和影響系統(tǒng)的方式。其中系統(tǒng)模型包括帶有孔縫的系統(tǒng)外殼，系統(tǒng)外殼上設(shè)置有天線，系統(tǒng)外殼內(nèi)設(shè)置有多個(gè)設(shè)備；設(shè)備包括通過(guò)射頻線與天線連接的接收機(jī)，以及通過(guò)線纜互連的接收設(shè)備，線纜包括信號(hào)線和控制線。瞬態(tài)電磁環(huán)境通過(guò)前門耦合和后門耦合兩種途徑進(jìn)入系統(tǒng)，前門耦合是指通過(guò)天線進(jìn)入系統(tǒng)，并對(duì)與天線連接的接收機(jī)產(chǎn)生影響；后門耦合是指通過(guò)孔縫進(jìn)入系統(tǒng)，在線纜上產(chǎn)生耦合效應(yīng)，對(duì)通過(guò)線纜互連的接收設(shè)備產(chǎn)生影響。

2）給定瞬態(tài)電磁場(chǎng)輻射敏感度指標(biāo)。瞬態(tài)電磁場(chǎng)輻射敏感度指標(biāo)針對(duì)的是整個(gè)系統(tǒng)承受的瞬態(tài)電磁環(huán)境的能力，通過(guò)GJB 151B 中規(guī)定的RS105 試驗(yàn)獲得或直接預(yù)先設(shè)定；

3）基于給定的瞬態(tài)電磁場(chǎng)輻射敏感度指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)模型內(nèi)的敏感閾值進(jìn)行計(jì)算；

4）根據(jù)計(jì)算的敏感閾值與系統(tǒng)模型中部件的設(shè)計(jì)指標(biāo)，綜合確定系統(tǒng)內(nèi)的敏感閾值指標(biāo)。

2 電磁敏感指標(biāo)設(shè)計(jì)模型

在瞬態(tài)電磁環(huán)境通過(guò)后門耦合的方式進(jìn)入系統(tǒng)外殼內(nèi)部時(shí)，系統(tǒng)外殼內(nèi)部的電磁環(huán)境輻射量值如下：

式中：

PE內(nèi)—系統(tǒng)內(nèi)部電磁場(chǎng)環(huán)境指標(biāo)，單位：dBV/m；

PE外—系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，單位：dBV/m；

L—?dú)んw屏蔽效能，單位：dB。

殼體內(nèi)部電磁環(huán)境在線纜上產(chǎn)生耦合效應(yīng)，通過(guò)線纜端口流入接收設(shè)備內(nèi)部，并與線纜長(zhǎng)度、布局以及離地高度密切相關(guān)，通過(guò)線纜產(chǎn)生的干擾主要分為共模干擾和差模干擾，“共?！焙汀安钅！笔请妷夯螂娏髟趥鬏攲?dǎo)線中的兩種形式，通常是基于干擾電流在電纜上流動(dòng)路徑進(jìn)行分類的。共模電流（Common Mode Current）是指在電路中同時(shí)流過(guò)兩個(gè)導(dǎo)體（通常是電纜、線路或?qū)w對(duì)）的電流，且它們方向相同。這些共模電流可能源自設(shè)備內(nèi)部因素，也可能是外部設(shè)備因素對(duì)電纜的影響所致。它不會(huì)在正常電路中產(chǎn)生有用的信號(hào)，而是可能導(dǎo)致干擾和噪音。共模電流的存在可能會(huì)影響系統(tǒng)的性能，特別是在對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的應(yīng)用中。

外界因素在電纜上產(chǎn)生的共模電流并不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，但如果在電路不平衡的情況下，共模電流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐份斎攵说牟钅ｋ妷?，此時(shí)，會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生一定的影響。

為分解該線纜電磁兼容指標(biāo)，需要建立內(nèi)部場(chǎng)與線纜共模耦合效應(yīng)關(guān)系函數(shù)F(s) ，以及內(nèi)部場(chǎng)與線纜差模耦合效應(yīng)關(guān)系函數(shù)H(s) ，如圖2 所示。F（s）、H（s）可以通過(guò)仿真或試驗(yàn)測(cè)試的方法獲得，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將其作為預(yù)先測(cè)定好的已知函數(shù)。

圖2 線纜共模、差模耦合效應(yīng)關(guān)系圖

再據(jù)此計(jì)算出線纜共模電流和差模電壓：

式中：

E內(nèi)—系統(tǒng)內(nèi)部場(chǎng)環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)，根據(jù) PE內(nèi)=20lg E 計(jì)算得到，單位V/m。

將共模電流和差模電壓的敏感閾值轉(zhuǎn)換為dB 的形式，并留6 dB 的設(shè)計(jì)余量，得到線纜共模電流和差模電壓的敏感閾值：

在瞬態(tài)電磁環(huán)境通過(guò)后門耦合的方式進(jìn)入系統(tǒng)外殼內(nèi)部時(shí)，輻射場(chǎng)在與天線連接的射頻線上產(chǎn)生耦合效應(yīng)，通過(guò)射頻端口注入系統(tǒng)外殼內(nèi)部的接收機(jī)，通過(guò)建立場(chǎng)環(huán)境與射頻線的耦合效應(yīng)關(guān)系函數(shù)H′（s） ，H′（s）通過(guò)仿真或試驗(yàn)測(cè)試的方法獲得。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將其作為預(yù)先測(cè)定好的已知函數(shù)，計(jì)算得到端口感應(yīng)電壓：

式中：

E外—瞬態(tài)電磁場(chǎng)輻射敏感度指標(biāo)，表征系統(tǒng)外的瞬態(tài)電磁環(huán)境。

令R 為射頻線端口等效負(fù)載，即端口負(fù)載的功率為：

式中：

根據(jù)敏感閾值S端口=10 lgP端口，留有6 dB 的設(shè)計(jì)余量，由此推出天線接收機(jī)敏感閾值S：

式中：

S端口—天線端口功率，單位：dBm；

fdown—接收天線的頻率下限；

fup—接收天線的頻率下限；

felse—[fdown,fup]之外的頻帶；

φf(shuō)—設(shè)備在測(cè)試頻帶ftest抑制度。

通過(guò)仿真或試驗(yàn)測(cè)試的方法，可以對(duì)所提天線接收機(jī)敏感閾值S 推導(dǎo)模型進(jìn)行準(zhǔn)確度分析。在仿真或試驗(yàn)測(cè)試中，天線接收機(jī)敏感閾值S 主要通過(guò)載噪比（CNR）進(jìn)行判斷，它對(duì)天線接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)接收信號(hào)質(zhì)量的好壞起著決定性作用。根據(jù)定義，載噪比是指載波信號(hào)中的有用信號(hào)功率Ps與噪聲（或干擾）功率Pn之比，即CNR=Ps/Pn。調(diào)制方式不同的接收機(jī)對(duì)載噪比的要求不同，但是檢波器輸入端都有一個(gè)門限值要求，即只有當(dāng)接收系統(tǒng)的實(shí)際CNR 大于此門限值時(shí)接收信號(hào)的質(zhì)量才能得到保證。

在接收機(jī)正常檢波的過(guò)程中，需要滿足一定條件：接收機(jī)的輸入端必須具備足夠的有用信號(hào)功率PSout（ωSI），使其大于檢波器所能檢測(cè)到的最小功率PSmin（ωSI）。除此之外，必須確保檢測(cè)設(shè)備所需的信噪比門限值CNRth不高于載波功率與干擾信號(hào)功率之比。這些條件是評(píng)估接收機(jī)靈敏度閾值的重要標(biāo)準(zhǔn)。

式中：

PJout（ωJI）—瞬態(tài)干擾信號(hào)在接收機(jī)進(jìn)行變頻處理后，在檢波器輸入端的功率；

N—檢波器輸入端接收機(jī)的內(nèi)部噪聲，對(duì)于某一特定接收機(jī)來(lái)說(shuō)，其值相對(duì)穩(wěn)定在某一具體數(shù)值上。

若PSout（ωSI）＜PSmin（ωSI），即在受到干擾的情況下，有用信號(hào)可能會(huì)受到嚴(yán)重減弱，導(dǎo)致接收機(jī)可能會(huì)失去有用的信息。若PSout（ωSI）≥ PSmin（ωSI），即當(dāng)干擾信號(hào)的功率超過(guò)了檢波器所能檢測(cè)到的最小值時(shí)，這將導(dǎo)致產(chǎn)生虛假信號(hào)，可能導(dǎo)致接收機(jī)錯(cuò)誤地觸發(fā)或誤動(dòng)作。相反，若PSout（ωSI）/（PJout（ωJI）+N）＜CNRth，即當(dāng)有用信號(hào)的功率不足以進(jìn)行正確解調(diào)時(shí)，接收機(jī)將無(wú)法準(zhǔn)確解析有用信號(hào)。上述條件中任何一項(xiàng)不滿足，都可能導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法正常工作。

對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)，除了CNR 作為敏感判據(jù)外，還可以利用誤碼率（BER）作為判據(jù)，具體為：

式中：

MSout（ωSd）、MJout（ωJd）—檢波器輸出端有用信號(hào)、干擾信號(hào)的幅度；

MSmin（ωSd）—檢波器所要求的最小輸出幅度；

BERth—系統(tǒng)所能接受的最大誤碼率。

同理，上式中任何一項(xiàng)不成立，接收機(jī)都有可能無(wú)法正常工作。

對(duì)于瞬態(tài)干擾信號(hào)與天線接收機(jī)敏感閾值之間的關(guān)系如圖3 所示，S（ωJiRF）表示瞬態(tài)干擾源作用下，接收機(jī)的敏感度閾值，ωJiRF干擾信號(hào)頻率，Pi（ωJiRF）表示干擾信號(hào)功率，PSout（ωSI）表示有用信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)變頻等處理后敏感端口處的功率值，PJout（ωJI）表示表示敏感端口處的干擾信號(hào)功率。

圖3 瞬態(tài)干擾信號(hào)與天線接收機(jī)敏感閾值關(guān)系分析流程

瞬態(tài)干擾信號(hào)與天線接收機(jī)敏感閾值關(guān)系分析具體步驟如下：

1）建立接收機(jī)行為級(jí)模型，在射頻輸入端注入有用信號(hào)和干擾信號(hào)，將干擾信號(hào)的功率Pi（ωJiRF）和頻譜ωJiRF設(shè)為變量，有用信號(hào)的功率設(shè)為最小可接收功率；

2）將頻率ωJiRF設(shè)為某一恒定值；

3）對(duì)干擾信號(hào)功率Pi（ωJiRF）進(jìn)行調(diào)整，然后執(zhí)行仿真分析；

4）在敏感端口處，讀取有用信號(hào)功率PSout（ωSI）、干擾信號(hào)功率PJout（ωJI），計(jì)算CNR，判斷是否滿足敏感判據(jù)，若敏感判據(jù)中的任何一條的臨界等式成立，則判斷接收機(jī)敏感，進(jìn)而執(zhí)行步驟5）；否則執(zhí)行3）；

5）保存4）中令敏感判據(jù)成立的干擾信號(hào)的功率并記做S（ωJiRF），同時(shí)記錄此時(shí)干擾信號(hào)的頻率；判斷干擾信號(hào)頻率是否在感興趣的頻率范圍內(nèi)，如果不在，執(zhí)行步驟4）；否則執(zhí)行步驟3）；

仿真結(jié)束，根據(jù)5）所記錄的功率值和頻率值，得到天線接收機(jī)敏感閾值S。

對(duì)于連接系統(tǒng)外殼內(nèi)接收設(shè)備的線纜，將計(jì)算得到的共模電流和差模電壓的敏感閾值標(biāo)記為Ci，i=1，2，其中i=1 時(shí)，對(duì)應(yīng)的Ci為PI；i=2 時(shí)，對(duì)應(yīng)的Ci為PU；獲取線纜本身的敏感閾值Ki，其中i=1 時(shí)，對(duì)應(yīng)的Ki表示線纜本身的共模電流敏感閾值；i=2 時(shí)，對(duì)應(yīng)的Ki表示線纜本身的差模電壓敏感閾值；

獲取線纜本身的敏感閾值Ki的方式包括：

1）對(duì)線纜進(jìn)行試驗(yàn)，直接測(cè)試線纜共模電流和差模電壓的敏感閾值；若需要進(jìn)行測(cè)試時(shí)，差模電壓的敏感閾值可以通過(guò)CS101 或CS106 測(cè)試進(jìn)行獲?。还材ｋ娏髅舾虚撝悼梢酝ㄟ^(guò)CS114、CS115 或CS116 試驗(yàn)進(jìn)行獲取；

2）根據(jù)線纜情況，預(yù)先給定線纜共模電流和差模電壓的敏感閾值。

將Ci與Ki進(jìn)行對(duì)比，取較為嚴(yán)苛的指標(biāo)為瞬態(tài)電磁環(huán)境下系統(tǒng)的敏感設(shè)計(jì)指標(biāo)Qi：

Qi=max（Ki，Ci），i=1，2

將敏感設(shè)計(jì)指標(biāo)Qi作為最終的線纜敏感閾值指標(biāo)；

對(duì)于通過(guò)射頻線與天線連接的接收機(jī)，設(shè)接收機(jī)自身在工作頻帶內(nèi)靈敏度為L(zhǎng) f,f∈[fdown,fup]，其中，fdown與fup分別表示設(shè)備工作頻段的下限與上限；

給定接收機(jī)天線端子帶外響應(yīng)抑制R f,f∈felse，由Lf與Rf綜合得到電子設(shè)備的接收機(jī)敏感閾值函數(shù)S′，如下式所示：

取S′和S 較為嚴(yán)苛的指標(biāo)max（S，S′）為接收機(jī)敏感設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，瞬態(tài)電磁環(huán)境越來(lái)越成為影響電子信息系統(tǒng)正常工作的潛在威脅，面向?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景，如何在電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制階段進(jìn)行電磁敏感指標(biāo)設(shè)計(jì)對(duì)確保其正常使用尤為重要。本文從瞬態(tài)電磁環(huán)境作用于電子信息系統(tǒng)典型耦合通道（前門、后門）出發(fā)，提出了一種瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計(jì)方法，為電子信息系統(tǒng)抗瞬態(tài)電磁環(huán)境干擾提供了一種新的技術(shù)途徑與思路。