凌波， 林赟， 孫宏濤， 蘇東林

(1. 北京航空航天大學 電子信息工程學院， 北京 100083; 2. 中國航空工業(yè)集團公司成都飛機設計研究所， 成都 610091)

機載射頻功能綜合一體化已成為新一代機載電子設備的必然發(fā)展趨勢，也帶來“基于模塊”的電磁兼容性要求、設計方法、檢測評估方法等新的電磁兼容性問題[1-5]。

傳統(tǒng)機載電子設備內部架構形式大多為板卡形式，機箱內部的背板、母板在開敞區(qū)，可使用電流環(huán)、電場探頭等近場測試手段直接對機箱內板卡上的電路器件、模塊進行電磁干擾(EMI)故障定位測試。相比之下，標準模塊內部電路完全封閉不可見，模塊封裝后對外無顯性接口，且模塊安裝于機架內，操作空間狹小，使得綜合機架內部功能模塊的電磁干擾識別、定位問題變得非常困難，傳統(tǒng)電磁干擾測試方法使用受限。

針對綜合射頻機架的多樣化、復雜化電磁兼容性問題，本文研究了綜合射頻機架內部微小空間電磁干擾要素[6-9]檢測方法及原理；對綜合射頻機架開展了電磁干擾要素測試研究，提出了機架內電磁干擾問題的診斷和識別定位全新方法和技術，試驗結果驗證了該方法的有效性和正確性。

1 電磁干擾要素檢測方法

1.1 傳統(tǒng)電磁干擾檢測

傳統(tǒng)電磁干擾檢測方法直接檢測設備整體的電磁輻射(見圖1)，其測試數據包含了被測設備所有的輻射特征，是設備內部所有輻射參量在時域和頻域的疊加結果[10-12]。該方法雖能發(fā)現輻射超標情況，卻難以對產生輻射發(fā)射的具體位置、模塊、線束等進行精準定位，僅僅是一種“通過”或“不通過”評估式的測試方法。

圖1 傳統(tǒng)電磁干擾檢測方法Fig.1 Traditional EMI detection method

通常電子設備設計和制造單位最為關心的并非是產品的測試結果，而是在出現電磁干擾后可以快速對輻射超標點定位及進行有效改進。因為測試狀態(tài)單一、精細化程度低、問題定位耗時長，所以傳統(tǒng)測試方法已經無法適應射頻綜合技術需求。

1.2 微小空間內模塊電磁干擾檢測

針對上述問題，提出了對局部器件、模塊和電纜等實施近距離精確測量的研究需求[13-16]。尤其是綜合射頻機架出現后，這一問題更為急迫。

綜合射頻機架設計采用標準封裝模塊化設計，其內部由多個功能模塊組成，模塊間通過背后的互連總線高速背板進行數據交換，封裝模塊與高速背板之間通過快插接口進行連接。模塊化設計結構緊湊，內部空間幾合線度狹小(見圖2)，模塊兩側均采用金屬壁板封裝，電磁干擾通常存在于前端和背部接口的電磁泄漏以及模塊與模塊之間的互耦。

圖2 模塊化設計的電子設備Fig.2 Modular electronic equipment

為解決綜合射頻機架內的電磁干擾，必須研究和設計一種新的適用于綜合射頻機架內微小空間電磁干擾檢測方法。

2 電磁干擾要素檢測與辨識方法

與傳統(tǒng)被試品不同，綜合射頻機架內綜合了眾多的功能線程，不同功能線程所需的功能模塊不同。因此在綜合傳感器軟件調度下，不同功能線程將呈現不同的電磁發(fā)射和電磁敏感特性，檢測綜合射頻機架的電磁兼容性時，必須首先實現功能線程激勵和控制。

2.1 機架工作狀態(tài)及功能線程激勵控制方法

射頻功能綜合化后，之前各獨立射頻功能以功能線程的形式被綜合化到綜合射頻機架內部，即功能線程單元分別由機架內部的獨立功能模塊或者多個功能模塊組合實現。因此要實現對綜合射頻機架的工作狀態(tài)及模式的控制和切換，須研究綜合射頻機架內部功能線程的激勵設置與控制方法。以V/UHF通信功能線程為例，其主要由機架內部的接收激勵模塊、信號處理模塊和前端控制管理以及其他輔助模塊完成，如圖3所示。

V/UHF通信功能線程的語音激勵通過音頻采集系統(tǒng)輸入和控制，經過前端控制管理、信號處理和接收激勵模塊以及外部的天線射頻接口單元等實現V/UHF通信功能。該功能線程的狀態(tài)、模式控制由航電座艙顯示控制激勵接口實現。

在研究分析了V/UHF通信功能線程的邏輯硬件組成和工作原理后，設計了V/UHF通信功能線程不同模式(AM、FM、DS、FH、D/H)和狀態(tài)(待機、發(fā)射、接收)下的測試激勵控制方法，如圖4所示。

2.2 干擾檢測與辨識流程

為實現綜合射頻機架微小空間內電磁干擾檢測及對干擾源的準確辨識，本文研究并提出了一種新的電磁干擾檢測與辨識流程。首先，獲取綜合射頻機架整體對外的遠場電磁發(fā)射特性數據；

圖3 V/UHF通信功能線程物理邏輯組成Fig.3 Physical logic composition of V/UHF communication functional thread

圖4 V/UHF通信功能線程激勵控制方法設計Fig.4 Incentive and control method design of V/UHF communication functional thread

然后，分別使用微小空間近場探頭、電流檢測探頭獲取機架內功能模塊的近場電磁發(fā)射特性數據和機架對外互連接口線纜束上的電流傳導發(fā)射特性數據；最后，利用接口與模塊拓撲關系以及近場探頭的空間位置分辨能力，進行機架內功能模塊的電磁發(fā)射要素分析、提取和識別，實現將機架電磁發(fā)射超標問題準確定位至內部某一功能模塊上。微小空間內電磁干擾檢測與辨識流程如圖5所示。

2.3 綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射特性獲取方法

與傳統(tǒng)GJB 151B—2013[17]標準測試方法略有不同，本測試應覆蓋綜合射頻機架的典型任務設計剖面和模式，即綜合射頻機架的工作狀態(tài)需按照內部功能線程、航電系統(tǒng)任務模式進行設定和激勵。可以分別實施超短波通信、塔康導航和無線電高度表等功能線程的激勵，也可同時實施上述功能線程的激勵。

為有效獲取確保電磁兼容性的實際數據，測試時應使被測對象工作于最大發(fā)射工作狀態(tài)。

圖5 微小空間內電磁干擾檢測與辨識流程Fig.5 Detection and identification procedure of EMI in limited-space

2.4 功能模塊近場電磁發(fā)射特性獲取方法

由于功能模塊布局密集、連接管腳復雜，常規(guī)測試天線和測試探頭難以區(qū)分模塊的發(fā)射特性。為此筆者團隊開發(fā)研制了微小空間近場電磁和磁場探頭，使用該探頭可以有效實施綜合射頻機架的伴隨式近場電磁發(fā)射要素測量，獲取綜合射頻機架在線動態(tài)工作狀態(tài)下內部功能模塊的近場發(fā)射特性數據，包括頻率和近場幅度。

由于筆者團隊研制的微小空間探頭對測試場的擾動很小，因此可使探頭到被測功能模塊測試部位的間距控制在接近2 mm。圖6給出了逐一采集機架內所有功能模塊30 MHz～18 GHz頻段內的近場發(fā)射特性數據的示意圖。同樣，對不同功能模塊測試時，應對其進行功能線程激勵，并使其處于最大工作狀態(tài)。

圖6 功能模塊近場電磁發(fā)射特性測試方法示意圖Fig.6 Schematic of near-field electromagnetic emission test method of functional module

2.5 綜合射頻機架互連線纜束電流傳導發(fā)射特性獲取方法

對綜合射頻機架上每一個對外互連接口線纜束使用傳統(tǒng)電磁發(fā)射檢測探頭進行傳導電流發(fā)射測量，獲取機架接口線纜束上的電流傳導發(fā)射特性數據，包括頻率和近場幅度。測試時，應使被測對象工作于最大發(fā)射工作狀態(tài)，對每根線纜束需檢測2～500 MHz頻段內的電流傳導發(fā)射數據。

2.6 干擾特征提取及匹配識別方法

1) 數據預處理

對測試數據的幅度進行滑動平均預處理，得到電磁發(fā)射測量數據的噪聲背景基準值Enoise，滑動平均處理方式見式(1)，其中滑動平均點數N一般取值為9，倒數1～8位數據進行滑動平均時做補零處理。

(1)

2) 要素特征提取

將電磁發(fā)射原始數據和滑動平均處理得到的噪聲基準值按照測試頻率點從低至高對應做相減處理，比較差值；若原始數據與滑動平均得到的噪聲基準差值大于一定門限(6～12 dB)，認為該發(fā)射頻率及幅度為關注的電磁發(fā)射要素對象，否則舍棄該點測試數據。處理完畢后，實現從綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射特性數據、功能模塊近場電磁發(fā)射特性數據和綜合射頻機架接口線纜束電流傳導發(fā)射特性數據中分別識別、提取出需要關注和有用的電磁發(fā)射要素集合。

式(2)表征了識別、提取出的綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射要素集合。Mfar為遠場電磁發(fā)射要素矩陣，Ffar(m)和Efar(m)分別為第m個遠場發(fā)射要素的頻率和幅度。

Mfar=[Ffar(1) ,Ffar(2),…,Ffar(m);

Efar(1),Efar(2),…,Efar(m)]

(2)

式(3)表征了識別、提取出的某一功能模塊近場電磁發(fā)射要素集合。Mnear為功能模塊近場電磁發(fā)射要素矩陣，Fnear(n)和Enear(n)分別為第n個發(fā)射要素的頻率和幅度。

Mnear=[Fnear(1),Fnear(2),…,Fnear(n);

Enear(1),Enear(2),…,Enear(n)]

(3)

式(4)表征了識別、提取出的綜合射頻機架接口線纜束電流傳導發(fā)射要素集合。Mcable為線纜電流傳導發(fā)射要素矩陣，Fcable(k)和Ecable(k)分別為第k個電流傳導發(fā)射要素的頻率和幅度。

Mcable=[Fcable(1),Fcable(2),…,Fcable(k);

Ecable(1),Ecable(2),…,Ecable(k)]

(4)

3) 干擾識別定位

分別將識別和提取出的互連接口線纜束電流傳導發(fā)射要素矩陣Mcable與綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射要素矩陣Mfar、功能模塊近場電磁發(fā)射要素矩陣Mnear與綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射要素矩陣Mfar進行干擾要素匹配分析。

設置頻率相對百分比誤差閥值P，若滿足式(5)的準則要求，則認為干擾要素匹配識別成功，即確認該電磁干擾要素來自被測綜合射頻機架內部。

(5)

根據微小空間近場探頭的空間分辨能力、機架接口線纜拓撲交聯(lián)關系，進一步定位該干擾要素來自綜合射頻機架內部的具體哪個功能模塊。電磁干擾要素的識別、定位具體流程如圖7所示。

以功能模塊近場電磁發(fā)射要素矩陣Mnear與綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射要素矩陣Mfar進行匹配分析為例，最終的干擾要素識別定位結果形式見表1。

表1 干擾要素識別定位結果

圖7 干擾特征提取及識別方法Fig.7 Method of extraction and identification of interference features

3 方法驗證及應用

為驗證電磁干擾要素檢測與辨識方法的可行性和識別結果，本文以某機載綜合射頻機架為例，開展了大量試驗研究與分析。具體包括：綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射特性測試、功能模塊近場電磁發(fā)射特性測試和綜合射頻機架互連線纜束電流傳導發(fā)射特性測試。

3.1 綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射特性測試

本節(jié)分別測試了綜合射頻機架在靜默和工作模式1～5下的遠場電磁發(fā)射結果。綜合射頻機架各工作模式設置如表2所示，部分測試結果見圖8，圖中紅線為GJB 151B—2013[17]標準規(guī)定的發(fā)射極限值要求。可見，不同模式和功能線程工作時機架的電磁發(fā)射頻譜和量值是不同的。

由于不同工作狀態(tài)下綜合射頻機架的輻射測試結果存在較大差異，因此如要對不同頻點的輻射源進行定位和識別，必須基于近場電磁發(fā)射測試結果進行進一步分析，并同時與遠場測試結果進行相互驗證。

表2 綜合射頻機架遠場電磁發(fā)射特性測試狀態(tài)設置

圖8 綜合射頻機架不同工作狀態(tài)下的測試結果Fig.8 Test results of RF integrated rack under different modes

3.2 綜合射頻機架互連線纜束電流傳導發(fā)射特性測試

采用2.5節(jié)的方法在綜合射頻機架接口XS4、XS5、XS6的線纜處進行線纜束電流傳導發(fā)射測試，將測試結果與綜合射頻機架的遠場電磁發(fā)射結果(RE102)進行對比，結果如圖9所示。

通過圖9可知，綜合射頻機架的外部電磁發(fā)射，其中一部分是通過線束直接傳導發(fā)射形成的，還有一部分頻點并未包含在線束發(fā)射頻譜中，通過對機架內部電磁發(fā)射源的分析可以得到。線纜作為傳導輻射源，僅能反映機架內部的部分輻射狀態(tài)，而對電磁發(fā)射狀態(tài)的精確分析，需要對模塊進行基于工作模式的精準分析和測試。

圖9 綜合射頻機架互連線纜束電流傳導發(fā)射測試結果Fig.9 Test results of cable current of RF integrated rack

3.3 功能模塊近場電磁發(fā)射特性測試

結合3.1節(jié)和3.2節(jié)的測試結果，為了進一步驗證2.6節(jié)中的干擾特征提取及匹配識別方法，需對綜合射頻機架內的功能模塊進行電磁發(fā)射測試。測試采用高靈敏、高空間分辨能力微型近場探頭、預選放大器組件和頻譜分析儀，測量機架工作時各模塊接插件接口以及殼體縫隙處的電磁泄漏。具體測試模塊如表3所示。

由于機架的發(fā)射狀態(tài)與工作模式相關，因此為了清晰地對試驗結果進行對比，功能模塊測試時，將綜合射頻機架調整為工作模式1。通過對此工作模式下的模塊測試結果和機架遠場電磁發(fā)射測試結果進行比較，驗證方法的可行性和準確性。部分模塊的測試結果如圖10所示。

圖10中， Environment noise(藍色曲線)表示近場探頭在遠離被測模塊背景空間下的測試噪底，互連接口、殼體縫隙和RF接口等表示近場探頭在靠近被測功能模塊不同位置處的干擾信號測試結果。

應用以上測試方法，完成了綜合射頻機架電磁輻射超標問題的識別和定位，結果如表4所示。綜合射頻機架遠場測試發(fā)現，機架在35.64、40、48、59.36、100、145、191.7 MHz頻點輻射超標；經過對綜合射頻機架進行模塊的近場測試，并與機架的遠場輻射測試結果進行比較分析，最終將超標頻點的輻射源頭定位至機架內部的具體功能模塊上。表4中第1列數據為機架的遠場電磁發(fā)射超標頻點，其余為各模塊的輻射發(fā)射較強的頻點；表格內顏色一致的單元表示模塊的發(fā)射測試結果與機架的發(fā)射測試結果一致吻合，被成功識別。例如，對于59.36 MHz超標頻點，發(fā)射源頭最終定位至機架內模塊2、模塊4、模塊5、模塊6、模塊7、模塊9。機架的7個干擾超標頻點，其中有6個被準確識別和定位，識別定位成功率大于80%。

表3功能模塊列表
Table3Listoffunctionalmodules

模塊序號模塊名稱測試結果模塊1信號處理模塊圖10(a)模塊2控制管理模塊圖10(b)模塊3告警模塊圖10(c)模塊4窄帶接收模塊圖10(d)模塊5寬帶接收模塊圖10(e)模塊6開關模塊圖10(f)模塊7頻率源模塊圖10(g)模塊8電源模塊圖10(h)模塊9時頻模塊圖10(i)

圖10 模塊1～9的測試結果Fig.10 Test results of Module 1-9

超標頻點模塊發(fā)射峰值頻點及識別結果模塊1模塊2模塊3模塊4模塊5模塊6模塊7模塊8模塊935.6458.334.623.723.723.723.723.725.512.8400010000060029.240029.240040041.920.148001000038.360040 6006001000025.559.364001000049.210000100001200040010000047.460 120129.2189.26014500054～6569.2～89.2189.2 189.2 100 191.7 100 0100 200 149.2143.7 192.8

4 結 論

本文依據射頻綜合環(huán)境下可更換模塊的特點及其電磁兼容特性開展研究，主要取得了以下結論：

1) 研究了射頻綜合環(huán)境下功能模塊干擾要素檢測與識別技術，形成射頻綜合系統(tǒng)下機架和功能模塊的電磁干擾要素辨識方法。

2) 實現了對所需測試的功能模塊以及要素集進行獨立工作狀態(tài)控制和接口信號激勵，構建了射頻綜合模塊的在線動態(tài)測試環(huán)境。

3) 通過對比射頻綜合機架在不同功能線程狀態(tài)下的RE102電磁發(fā)射測試數據和機架內部各模塊的近場電磁發(fā)射測試數據，得到了電磁干擾要素，使得綜合機架所有RE102測試超標頻點均可在模塊測試數據中找到對應信息。

本研究為綜合射頻機架可更換功能模塊以及干擾敏感耦合要素集的電磁兼容特性測試和診斷提供了技術支撐，保證了各功能模塊形成的射頻綜合系統(tǒng)最終滿足電磁兼容指標要求。通過某型號實裝綜合射頻機架的測試應用，驗證了本文提出的檢測識別方法的有效性。

參考文獻 (References)

[1] 蘇東林,謝樹果,戴飛,等.系統(tǒng)級電磁兼容性量化設計理論與方法[M].北京:國防工業(yè)出版社,2015:115.

SU D L,XIE S G,DAI F,et al.The theory and method of quantification design on system-level electromagnetic compatibility[M].Beijing:National Defense Industry Press,2015:115(in Chinese).

[2] 蘇東林，王冰切,金德琨,等.電子戰(zhàn)特種飛機電磁兼容預設計技術[J].北京航空航天大學學報,2006,32(10):1239-1243.

SU D L,WANG B Q,JIN D K,et al.The prediction techniques of electromagnetic compatability for EW-warfare aircraft[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2006,32(10):1239-1243(in Chinese).

[3] Department of Defense，U.S.Electromagnetic environmental effects and spectrum certification guidance for the acquisition process:MIL-HDBK-237C[S].Washington,D.C.:Department of Defense，U.S.,2001.

[4] CHEN W Q,SU D L,HE X M,et al.A behavioral simulation and analysis method for communication system[C]∥2009 20th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibi-lity.Piscataway,NJ:IEEE Press,2009:357-360.

[5] NIU M,SU D L,WEI Y,et al.Characterizing harmonic components of electromagnetic interference spectrum based on grey system model[C]∥2014 XXXIth URSI General Assembly and Scientific Symposium(URSI GASS).Piscataway,NJ:IEEE Press,2014:1-4.

[6] ZHU K,SU D L,XU H,et al.A parasitic extraction method of PIN diode based on analysing ringing in SMPS[C]∥2016 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility(APEMC).Piscataway,NJ:IEEE Press,2016:785-787.

[7] SHANG X,SU D L,XU H,et al.A noise source impedance extraction method for operating SMPS using modified LISN and simplified calibration procedure[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,32(6):4132-4139.

[8] SU D L,ZHU K,NIU M,et al.A quantified method for characterizing harmonic components from EMI spectrum[C]∥2015 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility(APEMC).Piscataway,NJ:IEEE Press,2015:561-564.

[9] SONG D W,SU D L,SHANG X F,et al.Harmonic component extraction algorithm of conducted emission spectrum based on EMD and periodic extensional model[C]∥2016 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility(APEMC).Piscataway,NJ:IEEE Press,2016:797-799.

[10] 王冰切,蘇東林,張曉雷.飛機表面繞射射線的尋跡方法[J].北京航空航天大學學報，2007,33(7):785-788.

WANG B Q,SU D L,ZHANG X L.Discrete ray path tracing on aircraft[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2007,33(7):785-788(in Chinese).

[11] CHEN X,HE S Y,YU D F,et al.Ray-tracing method for creeping waves on arbitrarily shaped nonuniform rational B-splines surfaces[J].Journal of the Optical Society of America A,2013,30(4):663-670.

[12] RUAN Y C,ZHOU X Y,JESSIE Y C,et al.The UTD analysis to EM scattering by arbitrarily convex objects using ray tracing of creeping waves on numerical meshes[C]∥IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Piscataway,NJ:IEEE Press,2008:1-4.

[13] SURAZHSKY V,SURAZHSKY T,KIRSANOV D,et al.Fast exact and approximate geodesics on meshes[J].ACM Transactions on Graphics,2005,24(3):553-560.

[14] FU S,ZHANG Y H,HE S Y,et al.Creeping ray tracing algorithm for arbitrary NURBS surfaces based on adaptive variable step Euler method[J].International Journal of Antennas and Propagation,2015,2015:1-12.

[15] JONATHAN R P,ERIC L S.Exact geodesics and shortest paths on polyhedral surfaces[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2009,31(6):1006-1015.

[16] MARTINEZ D,VELHO L,CARVALHO P C.Computing geodesics on triangular meshes[J].Computers & Graphics,2005,29(5):667-675.

[17] 中國人民解放軍總裝備部.軍用設備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測量：GJB 151B—2013[S].北京：中國人民解放軍總裝備部，2013.

The General Armament Department of PLA.Electromagnetic emission anol susceptibility requirements and measurements for military equipment and subsystems:GJB 151B—2013[S].Beijing:The General Armament Department of PLA,2013(in Chinese).