陳 捷，梁 賓

（中國(guó)電子科技集團(tuán)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

平臺(tái)電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)

陳 捷，梁 賓

（中國(guó)電子科技集團(tuán)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

介紹了運(yùn)載平臺(tái)上加裝的復(fù)雜電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)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(shí)踐介紹了系統(tǒng)安全裕度的測(cè)試內(nèi)容和方法，對(duì)于未來(lái)開展平臺(tái)電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jí)；2）在預(yù)定電磁環(huán)境中正常工作且不會(huì)給環(huán)境或設(shè)備帶來(lái)不可接收的電磁干擾。

筆者對(duì)典型平臺(tái)電子系統(tǒng)電磁兼容性問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)方法和內(nèi)容進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)的背景

隨著現(xiàn)代軍事應(yīng)用中電子對(duì)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(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)就必須很好地解決電磁兼容性問(wèn)題。如美國(guó)的E－3預(yù)警機(jī)就是集大功率預(yù)警雷達(dá)、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(tái)電子系統(tǒng)，系統(tǒng)的EMC問(wèn)題處理不好會(huì)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(wèn)題成為復(fù)雜電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常工作的關(guān)鍵技術(shù)。

1．1 系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)的必要性

國(guó)內(nèi)外許多實(shí)例表明，對(duì)設(shè)備和分系統(tǒng)要求在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行了EMC測(cè)試，仍不能完全保證整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)載平臺(tái)上的兼容工作能力。因此，在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行相互干擾電磁兼容性設(shè)計(jì)和測(cè)試是必不可少的，其作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）避免系統(tǒng)EMC的欠設(shè)計(jì)

由于運(yùn)載平臺(tái)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(tái)設(shè)備自身設(shè)計(jì)很難掌握設(shè)備特性的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，從而造成某些性能指標(biāo)設(shè)計(jì)不足，最終帶來(lái)對(duì)系統(tǒng)整體的影響。

2）避免系統(tǒng)EMC的過(guò)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)和測(cè)試的目的是尋求一種低成本、高效率的方案，實(shí)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(shí)現(xiàn)兼容。根據(jù)分析系統(tǒng)的特定電磁環(huán)境預(yù)測(cè)和測(cè)試數(shù)據(jù)，適當(dāng)剪裁對(duì)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(guò)設(shè)計(jì)而帶來(lái)的成本增加和效率的降低。

3）系統(tǒng)電磁兼容性評(píng)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(jì)和測(cè)試驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜平臺(tái)電子系統(tǒng)綜合兼容工作能力的評(píng)估提供依據(jù)。

1．2 系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)的復(fù)雜性

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

1）運(yùn)載平臺(tái)電子系統(tǒng)組成復(fù)雜

運(yùn)載平臺(tái)空間有限，電子設(shè)備種類、體制、性能多種多樣，無(wú)論從設(shè)計(jì)考慮的對(duì)象，還是測(cè)試內(nèi)容和評(píng)估準(zhǔn)則來(lái)看，都有很大的難度。

2）測(cè)試方法還沒有標(biāo)準(zhǔn)可循

對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的EMC測(cè)試的設(shè)計(jì)還沒有適當(dāng)?shù)囊?guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可用。國(guó)軍標(biāo)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(cè)試方法。如何將這些要求應(yīng)用于工程，還需要一個(gè)實(shí)踐的過(guò)程。

2 平臺(tái)電子系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)

工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在系統(tǒng)方案論證階段可采用自頂向下方法對(duì)平臺(tái)電子系統(tǒng)的EMC進(jìn)行設(shè)計(jì)。1）通過(guò)預(yù)測(cè)仿真、等效推算、模擬測(cè)試等手段預(yù)估系統(tǒng)可能存在的兼容問(wèn)題，設(shè)計(jì)相應(yīng)技術(shù)措施；2）安排相關(guān)測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)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(cè)仿真設(shè)計(jì)

2．1．1 系統(tǒng)用頻設(shè)計(jì)分析

對(duì)平臺(tái)電子系統(tǒng)組成的電子設(shè)備的用頻特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)域分布特征。通過(guò)用頻統(tǒng)計(jì)，標(biāo)注出設(shè)備用頻在頻域和時(shí)域上都有重疊的部分，作為進(jìn)一步重點(diǎn)分析的對(duì)象。見表1、圖1。

表1 電臺(tái)頻域占用示意圖

2．1．2 系統(tǒng)天線布局設(shè)計(jì)分析

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

1）空域覆蓋分析，通過(guò)仿真和測(cè)試避免運(yùn)載平臺(tái)對(duì)天線方向圖的遮擋。遮擋嚴(yán)重需采取更改布局位置、增大天線增益、增加天線補(bǔ)盲等措施。

2）耦合度（隔離度）分析，通過(guò)仿真運(yùn)載平臺(tái)和模擬測(cè)試，利用運(yùn)載平臺(tái)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(jì)分析

針對(duì)用頻設(shè)計(jì)分析中出現(xiàn)的在頻域和時(shí)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(duì)設(shè)備間兼容工作情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，評(píng)估出存在的干擾風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)電磁濾波、搭接接地、涂覆材料等措施實(shí)現(xiàn)兼容狀態(tài)。

常用的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)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(jì)、線纜間干擾控制設(shè)計(jì)、電磁防護(hù)設(shè)計(jì)、搭接和接地設(shè)計(jì)、雷電防護(hù)設(shè)計(jì)、靜電防護(hù)設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)等方面。這些設(shè)計(jì)也是GJB 1389A—2005系統(tǒng)電磁兼容性要求中對(duì)系統(tǒng)EMC的要求。

2．2 系統(tǒng)電磁測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)軍標(biāo)的相應(yīng)要求，系統(tǒng)應(yīng)開展相應(yīng)的電磁兼容性測(cè)試項(xiàng)目，以保證設(shè)計(jì)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(huì)引起平臺(tái)設(shè)備的電磁干擾、影響天線方向圖、靜電放電和雷電保護(hù)、人員和設(shè)備的安全。按照國(guó)軍標(biāo)相關(guān)電搭接技術(shù)要求，測(cè)試各電子分系統(tǒng)的

圖1 電臺(tái)時(shí)域占用示意圖

圖2 天線耦合度仿真與測(cè)試比對(duì)示意圖

安裝設(shè)計(jì)是否符合要求。

2．2．2 平臺(tái)系統(tǒng)屏蔽效能

對(duì)機(jī)身殼體、平臺(tái)設(shè)備和工作艙依據(jù)進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)GB 12190《高性能屏蔽室屏蔽效能的測(cè)量方法》，選擇對(duì)相應(yīng)平臺(tái)電子系統(tǒng)（雷達(dá)、通信等）各工作頻率進(jìn)行測(cè)試。

2．2．3 系統(tǒng)電磁環(huán)境測(cè)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(cè)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(cè)量方法》，測(cè)試飛機(jī)艙室電磁環(huán)境強(qiáng)度。

2．2．4 系統(tǒng)天線特性測(cè)試

1）天線性能測(cè)試

平臺(tái)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(cè)試指標(biāo)有裝機(jī)后方向圖、增益、駐波系數(shù)和饋線插損。

2）天線耦合度測(cè)試

天線間耦合度（亦稱隔離度）是系統(tǒng)EMC測(cè)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(biāo)。其包含以下3個(gè)方面內(nèi)容：①天線單元隔離度測(cè)量，信號(hào)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(cè)量，信號(hào)源為單載波形式輸出；③實(shí)際天線隔離度測(cè)量（包括實(shí)際天線和饋源系統(tǒng)及真實(shí)的發(fā)射機(jī)），此測(cè)試最具工程價(jià)值，被測(cè)天線系統(tǒng)接近真實(shí)，可作為兼容分析直接參數(shù)。

2．2．5 平臺(tái)電子系統(tǒng)設(shè)備間兼容性檢查測(cè)試

系統(tǒng)內(nèi)相互作用檢查測(cè)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(shí)使可能受擾的設(shè)備以最敏感的方式工作，通過(guò)監(jiān)視敏感設(shè)備和分系統(tǒng)的工作情況來(lái)判斷是否存在嚴(yán)重兼容故障。測(cè)試矩陣見表2。

表2 測(cè)試矩陣

2．2．6 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備安全裕度測(cè)試

系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度是評(píng)定一個(gè)系統(tǒng)EMC的重要指標(biāo)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(diǎn)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(píng)定關(guān)鍵任務(wù)功能（如敵我識(shí)別應(yīng)答機(jī)、應(yīng)急通信電臺(tái)等）的安全裕度要求為6 d B，對(duì)電起爆裝置等危險(xiǎn)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(xiàng)要求，基于工程實(shí)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(qiáng)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(shí)測(cè)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(jī)構(gòu)不能正常工作的臨界靈敏度電平與系統(tǒng)實(shí)測(cè)干擾電平之間的差值。

三者的差別就在于敏感度判決的標(biāo)準(zhǔn)不一樣。

2）測(cè)試方法

原理上可用以下3種方法實(shí)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(shí)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(jī)設(shè)備指標(biāo)固化、外場(chǎng)輻射功率電平受限等）。下面介紹一些經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的工作性能安全裕度測(cè)量方法。

由于平臺(tái)電子設(shè)備繁多，系統(tǒng)間干擾關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，利用統(tǒng)計(jì)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(diǎn)的干擾規(guī)律和強(qiáng)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(gè)強(qiáng)度大于6 d B的干擾信號(hào)，如設(shè)備工作正常、系統(tǒng)穩(wěn)定，則認(rèn)為系統(tǒng)滿足要求。反之，則應(yīng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)。

這種方法對(duì)于評(píng)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(shí)例加以說(shuō)明。

應(yīng)急通信電臺(tái)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(tái)施加比平臺(tái)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(tái)綜合電磁環(huán)境測(cè)試中應(yīng)急通信電臺(tái)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(tái)不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標(biāo)值，或單個(gè)設(shè)備和分系統(tǒng)指標(biāo)容差超出技術(shù)規(guī)范或經(jīng)確認(rèn)的降級(jí)使用要求。測(cè)試框圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)急通信電臺(tái)安全裕度測(cè)試框圖

2．2．7 平臺(tái)電子系統(tǒng)電磁兼容性測(cè)試設(shè)計(jì)要求

下面匯集了開展系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)所需具備的一些要求，這些要求是建立在大量國(guó)防電子系統(tǒng)研制中獲得的經(jīng)驗(yàn)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(shí)裝天線或模擬天線位置的耦合度測(cè)試；

4）分系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)的EMC測(cè)量結(jié)果；

5）分系統(tǒng)EMC要求及降級(jí)準(zhǔn)則；

6）設(shè)備故障判據(jù)的定義；

7）設(shè)備重要性分級(jí)；

8）測(cè)試環(huán)境和設(shè)施要求：根據(jù)要求1）—要求7）確定測(cè)試的實(shí)驗(yàn)邊界條件和任務(wù)剖面；

9）設(shè)計(jì)方案的評(píng)審，以確定設(shè)計(jì)內(nèi)容全面、邊界條件正確。

3 結(jié) 語(yǔ)

高效適度的系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)，是保證機(jī)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(guò)一系列預(yù)測(cè)分析計(jì)算項(xiàng)目和測(cè)試項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從平臺(tái)電子系統(tǒng)電磁兼容性要求出發(fā)，介紹了復(fù)雜平臺(tái)電子系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)的背景、項(xiàng)目?jī)?nèi)容、要求和典型安全裕度測(cè)試。

值得指出的是：系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)是一門復(fù)雜綜合學(xué)科，人們已經(jīng)逐步認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以降低研制后期系統(tǒng)電磁兼容性問(wèn)題出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，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(wú)線電系統(tǒng)間干擾的測(cè)量方法［S］．

［3］ 白同云，呂曉德．電磁兼容設(shè)計(jì)［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(jì)［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(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南［M］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)、仿真、測(cè)試技術(shù)方面的研究。