王永德 黃高明 陳 旗

(海軍裝備部艦船技術(shù)保障部1) 北京 100841)(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院2) 武漢 430033)

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,而艦船裝備的電子裝備日益增多,一艘現(xiàn)代化的艦船裝備有各種功能的雷達(dá)、導(dǎo)航裝備、通信裝備、敵我識(shí)別器以及電子戰(zhàn)系統(tǒng)、綜合武器系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)等。艦船上天線林立,電子裝備達(dá)到了高度飽和狀態(tài)。這些系統(tǒng)都爭(zhēng)用有限的空間和有限的頻率范圍。主動(dòng)式裝備的工作頻段相當(dāng)擁擠,甚至互相重疊。如果一艘艦的全部裝備同時(shí)工作,勢(shì)必造成相互干擾,艦船編隊(duì)時(shí),裝備相互干擾將更趨嚴(yán)重。如何盡可能降低電磁干擾對(duì)艦船電子裝備正常功能的發(fā)揮,已成為一項(xiàng)重要的任務(wù)。

電磁兼容性故障一般是指產(chǎn)品或系統(tǒng)喪失其規(guī)定功能或降低應(yīng)有功能的現(xiàn)象。電磁兼容性故障一般不是零部件產(chǎn)品失效所引起的,而是設(shè)計(jì)缺陷,是電磁兼容性設(shè)計(jì)考慮不周或電子、電氣設(shè)備集成上一級(jí)系統(tǒng)時(shí),電磁環(huán)境(包括輻射和傳導(dǎo))不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的故障。這些故障的表現(xiàn)有兩種,一種是設(shè)備或分系統(tǒng)不滿足電磁兼容性指標(biāo)要求,例如不滿足GJB151A指標(biāo)要求,這是潛在電磁兼容性故障的主要根源;另一種是設(shè)備或系統(tǒng)工作不正常,經(jīng)過(guò)診斷判定為電磁兼容性問(wèn)題的故障,通常稱之為顯性故障。這兩種故障不一定是因果關(guān)系,有些潛在故障始終不會(huì)表現(xiàn),而顯性故障相當(dāng)部分是更深層次的電磁兼容性問(wèn)題,如印制板件內(nèi)器件或設(shè)備布線的電磁兼容性問(wèn)題。一些電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的指標(biāo),其界面是設(shè)備或分系統(tǒng)間,因而它具有局限性。不管是顯性故障還是潛在故障,其特點(diǎn)有:1)故障具有綜合因素。所謂綜合因素包括干擾疊加、干擾對(duì)干擾的相互作用和干擾的延伸。2)電磁兼容性故障根源的隱蔽性。正是由于電磁兼容性故障的隱蔽性,增加了故障診斷的難度。3)電磁兼容性干擾引發(fā)元器件失效,形成可靠性問(wèn)題。

電磁兼容故障主要是電磁兼容性設(shè)計(jì)考慮不周,或電子電氣設(shè)備集成上一級(jí)系統(tǒng)時(shí),電磁環(huán)境(包括傳導(dǎo)和輻射)不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的故障。為對(duì)這類故障進(jìn)行診斷,需要根據(jù)各種電子設(shè)備的實(shí)際狀況,綜合考慮傳導(dǎo)和輻射效應(yīng),重構(gòu)裝備工作的電磁信號(hào)環(huán)境,重現(xiàn)艦船電子設(shè)備工作的電磁環(huán)境,方便對(duì)電子設(shè)備工作電磁環(huán)境的評(píng)估。電磁敏感器件/單元是惡劣電磁環(huán)境的受害者,也是造成電磁兼容故障的直接原因,在某些條件下,它還可能是這類故障的肇事者,因此對(duì)評(píng)估電磁敏感器件/單元在復(fù)雜電磁環(huán)境下所受的影響及其對(duì)系統(tǒng)電磁環(huán)境構(gòu)成的影響是一件重要且復(fù)雜的任務(wù)。

2 研究現(xiàn)狀

根據(jù)國(guó)內(nèi)外武器裝備發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和資料報(bào)道,認(rèn)為可靠性和維修性工程中有20多個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目需要大力開展和應(yīng)用,以提高武器裝備的綜合效能,其中電磁兼容性就是重要項(xiàng)目之一,電磁兼容性又是可靠性工程中最重點(diǎn)的項(xiàng)目之一。對(duì)于艦船電子裝備而言,提高電磁兼容能力,就是提高艦船電子裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境中工作的可靠性,進(jìn)而提高艦船戰(zhàn)斗力。裝備的可靠性是相對(duì)于裝備故障而言的概念,電磁干擾是造成裝備故障或性能下降的主要原因之一,因此電磁干擾成為裝備不可靠的因素。為了提高可靠性,就必須要求裝備具有電磁兼容性,由此可見,保證裝備的電磁兼容性是提高其可靠性的技術(shù)途徑之一。電磁兼容設(shè)計(jì)的目的之一是提高產(chǎn)品的可靠性,二者有著極為密切的關(guān)系,但在實(shí)際上是有一定的區(qū)別的?？煽啃栽O(shè)計(jì)中的電磁兼容,主要是從產(chǎn)品在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力,即產(chǎn)品抗電磁干擾的能力。在這一點(diǎn)上,可靠性工程與電磁兼容設(shè)計(jì)的目標(biāo)是一致的。也可以把電磁兼容設(shè)計(jì)看成是可靠性工程的一部分。電磁兼容設(shè)計(jì)的另一個(gè)目標(biāo)是:產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限額,從這點(diǎn)上看,似乎與裝備的抗干擾能力無(wú)關(guān)。如果從嚴(yán)格的可靠性意義上來(lái)說(shuō):超過(guò)了規(guī)定的干擾指標(biāo)也就是超過(guò)了產(chǎn)品規(guī)定的性能要求,產(chǎn)品的可靠性也是不能滿足的。再有就是任何電磁兼容設(shè)計(jì)都必須保證在產(chǎn)品的使用周期內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,這本身就是可靠性工程所關(guān)注的。因此,任何一個(gè)電磁兼容工程師都需要掌握可靠性的設(shè)計(jì)和分析方法,任何一個(gè)可靠性工程師也必須掌握電磁兼容的理論和設(shè)計(jì)方法。然而,我國(guó)對(duì)EMC問(wèn)題的研究則起步較晚,無(wú)論是理論還是技術(shù)等整體的研究水平均落后于國(guó)外先進(jìn)水平。近幾年來(lái),我國(guó)在電磁兼容和電子抗干擾的研究上有了一定的發(fā)展和進(jìn)步,這種進(jìn)步不僅體現(xiàn)在技術(shù)方面,而且也體現(xiàn)在廣大工程技術(shù)人員和管理部門對(duì)這項(xiàng)研究的認(rèn)識(shí)提高和日益重視上,這標(biāo)志著我國(guó)EMC理論與技術(shù)的研究工作已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)更高的層次和達(dá)到了一個(gè)新水平。

作為一個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng),電子設(shè)備的電磁兼容性故障極大限制艦船系統(tǒng)效能的發(fā)揮,輕則導(dǎo)致性能下降、設(shè)備失靈,重則導(dǎo)致指揮中斷,甚至遭受覆頂之災(zāi)。國(guó)外早在上世紀(jì)60年代就開始電子設(shè)備的電磁兼容性研究,并將電磁兼容問(wèn)題作為裝備可靠性工程中最重點(diǎn)的項(xiàng)目之一。在英阿馬島海戰(zhàn)之后,電磁兼容問(wèn)題和電磁兼容性故障被提到更高的研究層次。隨著艦船現(xiàn)代化水平的提升,電子設(shè)備密度不斷增加,各種雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、指揮控制、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的大量使用、功能的不斷加強(qiáng),使得電磁環(huán)境日趨復(fù)雜,電子設(shè)備相互之間的影響也日益加重。從系統(tǒng)的角度而言,電磁兼容故障是現(xiàn)代和將來(lái)艦船必須予以高度重視,并設(shè)法解決的問(wèn)題,具有廣闊的研究探討空間。

3 電磁兼容性故障分析

3.1 電磁干擾產(chǎn)生的根源和診斷思路

1)電磁干擾產(chǎn)生根源

產(chǎn)生電磁干擾的原因很多,有天然、人為、系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)和電路級(jí)。每一種元器件都有其固有特性,可在不同頻率、不同溫度、不同濕度、不同壓力、不同電磁環(huán)境等條件下,表現(xiàn)出不同的性能。印制電路板(PCB)是電路基本功能單元,印制電路板的電磁兼容特性是由印制線的寬度、長(zhǎng)度、厚度、電阻、電感、電容及流過(guò)的電流容量和相鄰導(dǎo)線間的位置等因素決定。板內(nèi)元器件布局不當(dāng),導(dǎo)線的接地,導(dǎo)線的公共阻抗,導(dǎo)線和元器件之間的耦合,運(yùn)行時(shí)機(jī)內(nèi)溫度的變化和某些元器件的振動(dòng)等都是發(fā)生干擾的重要因素。產(chǎn)生電磁干擾的條件:1)要有產(chǎn)生電磁能量的物體或現(xiàn)象,如大功率通信或雷達(dá)天線、電機(jī)開關(guān)等;2)要有對(duì)該干擾能量敏感的接收裝備;3)要有傳播干擾能量的途徑和通道。這就是電磁干擾的三要素,即:電磁干擾源,電磁敏感裝備和電磁干擾的傳播途徑。形成電磁干擾時(shí),這三要素缺一不可。相應(yīng)地,所有抑制電磁干擾的方法也應(yīng)從這三要素著手解決。

2)電磁干擾診斷思路

所有的電磁干擾都是由2個(gè)分量組成:一個(gè)是磁場(chǎng)分量,一個(gè)是電場(chǎng)分量。這2個(gè)場(chǎng)的方向相互垂直。電磁兼容診斷一般都在近距離進(jìn)行,所以可用電場(chǎng)探頭和磁場(chǎng)探頭分別測(cè)量電場(chǎng)源和磁場(chǎng)源。可根據(jù)電磁波的傳播方向確定輻射大的元器件。電磁干擾現(xiàn)象千差萬(wàn)別,很難為解決某一問(wèn)題給出明確的診斷思路。但是,盡管診斷對(duì)象不同、功能不同,電磁干擾仍有許多共性問(wèn)題。

3.2 電磁兼容性分析

電磁兼容性分析的基本途徑如圖1所示,主要分為5種模式:泄漏或輻射源模式、輻射傳輸模式、耦合模式、防護(hù)模式以及敏感體承受模式,各種模式都可以利用理論分析建立相應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)或頻域響應(yīng),最后確定敏感體的受干擾強(qiáng)度,從而確定系統(tǒng)的性能有沒有降低到規(guī)定的指標(biāo)。

圖1 電磁兼容分析基本途徑

對(duì)于艦船電子裝備電磁兼容而言,主要側(cè)重于艦載系統(tǒng)間的電磁兼容,因此要解決裝備與裝備間的電磁兼容問(wèn)題,首先要分析裝備間電磁干擾的耦合途徑和方式,主要分為電路性耦合、電容性耦合、電感性耦合和輻射性耦合;其次是電磁防護(hù)、泄漏、輻射、傳輸?shù)葐?wèn)題的分析。

同時(shí)加強(qiáng)電磁兼容性測(cè)量,電磁兼容性測(cè)量就是要找出干擾源和干擾途徑及抗干擾的程度,而后對(duì)癥下藥。電磁干擾種類繁多,不同的電磁干擾采取的抑制措施也不同,為了控制電磁干擾就要認(rèn)清干擾種類,不同的干擾類型有不同的頻譜和不同的傳播途徑。影響電磁兼容測(cè)量準(zhǔn)確度的因素很多,有測(cè)量?jī)x器、環(huán)境、人為以及測(cè)試系統(tǒng)影響引起的不確定度分量和隨機(jī)影響引起的不確定度分量,不同的測(cè)量項(xiàng)目產(chǎn)生的不確定度不同。

3.3 電磁兼容性模型

艦船電子裝備的電磁兼容性模型可分為兩類:

1)電磁敏感器件/單元模型

分析電磁環(huán)境中各種輻射和傳導(dǎo)對(duì)艦船電子裝備的敏感器件/單元的影響,建立不同功能模塊在不同應(yīng)用場(chǎng)景的信號(hào)模型、交叉模型、干擾模型和效果模型等相應(yīng)模型。

2)電磁環(huán)境模型

電磁環(huán)境對(duì)敏感器件/單元的影響主要為傳導(dǎo)和輻射。該模型從源頭上分析包括各種器件及其構(gòu)成的PCB板、電路單元、機(jī)箱、機(jī)柜、系統(tǒng)等形成的電磁環(huán)境,及其形成原因。對(duì)于傳導(dǎo)和輻射的研究將考慮空間布局和條件,最終構(gòu)建艦船內(nèi)外電磁輻射環(huán)境模型。

3.4 電磁兼容性故障產(chǎn)生分析

由前面的分析可知,產(chǎn)生電磁兼容性故障的原因很多,而且復(fù)雜,歸納起來(lái)主要有這樣幾類:

1)電磁敏感性:指元器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)暴露在電磁輻射之下時(shí)所呈現(xiàn)的不降低運(yùn)行性能的能力,它反映電子設(shè)備或系統(tǒng)抗外界干擾的能力。這種現(xiàn)象隨著電子裝備對(duì)抗的激烈性和電磁環(huán)境的惡劣化,是電磁兼容性故障的一個(gè)主要原因。例如:電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的熱效應(yīng)可以使武器裝備系統(tǒng)中的微電子器件、電磁敏感電路過(guò)熱,造成局部熱損傷,導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化或失效,甚至成為點(diǎn)火源和引爆源;電磁輻射引起的射頻干擾,造成電子信息系統(tǒng)功能降低或失效;雷電、強(qiáng)電磁脈沖引起的強(qiáng)電流“浪涌”、強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)等都會(huì)對(duì)信息化武器裝備的電子信息系統(tǒng)造成軟、硬損傷。

2)自然損耗性:電子設(shè)備在使用過(guò)程中,某些器件的性能隨時(shí)間會(huì)發(fā)生變化,表現(xiàn)為設(shè)備的自然損耗,致使設(shè)備電磁兼容性能的降低,產(chǎn)生設(shè)備的電磁兼容性故障,主要表征為噪聲特性增強(qiáng),諧波抑制性能降低,抗干擾能力下降等,甚至出現(xiàn)電磁泄漏現(xiàn)象。

3)干擾影響性:一是自然干擾,主要分為宇宙干擾、大氣干擾和雷電干擾。宇宙干擾是自太陽(yáng)系、銀河系及河外星系的電磁干擾。如太空背景噪聲、太陽(yáng)及其行星發(fā)射的無(wú)線電噪聲等。大氣干擾是指大氣火花放電和電暈放電產(chǎn)生的電磁脈沖對(duì)裝備的干擾,它會(huì)嚴(yán)重影響高頻和甚高頻頻段的無(wú)線電通信和導(dǎo)航。雷電干擾是由雷電放電產(chǎn)生的,對(duì)20MHz以下的無(wú)線電通信影響較大。二是無(wú)意輻射干擾,無(wú)意輻射的電磁波對(duì)裝備的干擾。如電纜輻射、電路板、機(jī)柜縫隙輻射的電磁波對(duì)裝備的干擾。三是有意輻射干擾,是指雷達(dá)天線、通信天線等用來(lái)發(fā)射電磁波的裝備輻射的電磁波對(duì)其它裝備產(chǎn)生的影響,也包括來(lái)自敵方干擾機(jī)的干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

為使艦船電子設(shè)備可靠運(yùn)行,必須根據(jù)艦船電子裝備的特性、結(jié)構(gòu)工藝、布設(shè)位置等因素加以詳細(xì)分析,深入研究電磁兼容技術(shù),對(duì)電磁干擾引入路徑有清楚了解,對(duì)電磁干擾敏感的接收電路進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù),盡可能避免電磁干擾對(duì)電子裝備的影響,通過(guò)日常維護(hù)、使用管理等方法消除電子裝備的電磁兼容性故障影響,確保艦船電子裝備的正常工作。

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