复杂电磁环境下机载制导弹药的电磁兼容研究

2010-02-23晋耀潘文庚郭巍巍

装备环境工程 2010年4期

晋耀，潘文庚，郭巍巍

（1.徐州空军学院，江苏徐州 221000；2.空军94783部队，浙江长兴 313100）

先进机载制导弹药不断地装配部队，电子装置在机载制导弹药中的应用比例也大幅增加，使得机载制导弹药的电磁敏感度大大提高，而抗电磁干扰的能力却有所下降。战场电磁环境日趋复杂，因此机载制导弹药能否在复杂的电磁环境中发挥应有的效能，已经成为各国武器装备建设中一个亟须解决的问题。研究复杂电磁环境的内涵，提高机载制导弹药的电磁兼容性能，对提高武器装备建设水平有着重要的指导意义。

1 机载制导弹药的电磁环境分析

1.1 复杂电磁环境

复杂电磁环境是指在一定的时域、空域、频域上，电磁信号纵横交叉、连续交错、密集重叠、功率分布参差不齐，对相应的电磁活动和其他军事活动产生重大影响的电磁环境。复杂电磁环境是战争中复杂系统内部电磁领域体系对抗产生的问题，是一种综合后的电磁作用效果[1]。未来空中战场上，以现代电子信息技术为基础的各种设备和系统将大量装载于先进的战斗机上，在激烈的对抗过程中将会产生多类型、全频谱、高密度的电磁辐射信号，从而引起对制导弹药的电磁干扰。此外，各国军队都装备了先进的电磁炸弹和电磁脉冲武器，无疑又大大增加了电磁环境的复杂性，严重影响制导弹药的安全使用。

1.2 电磁干扰的传播途径

对于复杂的系统，任何电磁干扰的产生必须具备3 个基本条件：干扰源、传播干扰能量的途径（或通道）、被干扰对象的响应。电磁干扰能量的传播有2种方式：传导传输方式、辐射传输方式。传导传输通过干扰源和被干扰设备之间的公共阻抗进行传播，辐射传输通过电磁波进行传播。传导干扰和辐射干扰之间会相互转换，辐射干扰经过导线可转换成传导干扰，传导干扰又可通过导线形成辐射干扰。

1.3 电磁兼容及其设计目的

GJB 72-85《电磁干扰和电磁兼容性名词术语》对电磁兼容（EMC）的定义为：“设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态”。把整个战场环境作为一个系统，为了避免载机或其他外界因素对制导弹药的影响，使其达到EMC，必须以所处电磁环境为依据，要求每个设备不产生超过一定限度的电磁发射，同时要求制导弹药本身具有一定的抗EMI 能力。电磁兼容有以下目的：1）电子设备内部的电路相互不产生干扰，达到预期功能；2）电子设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值；3）电子设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗力。随着技术的发展，制导弹药日趋复杂，电子元器件广泛应用及电子电路集成度的提高，抗扰度不断降低，使得电磁兼容很难达到。

2 机载制导弹药面临的威胁

2.1 对内部电子设备的影响

空中战机拥有大量的电子设备，在进行空战时将会产生大量的电子信号。电子信号干扰将对制导弹药的正常发射构成威胁，影响其命中精度或导致瞎火，严重的还可以引发早炸。高强度的电磁干扰信号对制导弹药内部的电子、电气设备易造成损伤，如高压击穿、器件烧毁、微波加温、电涌冲击、微瞬时干扰等。另外，当进入系统的电磁干扰信号功率较低，不足损坏系统时，能感应瞬时电流使器件瞬时失效，导致系统不能正常工作。

2.2 对内部装药的影响

由于电磁辐射有热效应，可以使制导弹药内部装药温度升高，温度的剧烈变化往往都会引起装药质量的快速变化，加速其老化变质过程。某些特殊情况下甚至还可能导致燃爆而酿成恶劣事故。

3 电磁兼容的具体实施方法

电磁兼容能提高制导弹药的抗电磁能力，防止电磁干扰。发生电磁兼容性问题，必须存在3 个因素：电磁干扰源、耦合途径、敏感设备，消除其中一个因素，就能解决电磁兼容问题[2]。EMC设计思想就是选择抗干扰能力强的元器件，采用屏蔽、滤波、布线等多种方法将干扰减弱，如图1所示。

图1 机载制导弹药电磁兼容设计Fig.1 Design on EMC of airborne guided munitions

3.1 电子器件的选用

解决电磁兼容的关键是模拟和逻辑有源器件的选择，即在元件的选用方面必须考虑有源器件的电磁敏感度特性和电磁干扰发射特性。敏感特性、灵敏度和带宽是评价敏感器件的重要参数，灵敏度越高、带宽越大，抗扰度越差。制导弹药是由许多微电子器件相互配合来完成精确制导的，为了适应复杂电磁环境下的作战，选择的器件一定要具有较高的抗干扰能力。大功率、高损耗的元器件本身可能成为很强的辐射源，因此不能忽视元器件功耗，应该尽可能使用小功率、低损耗的元器件，以减小元器件本身产生的干扰。

3.2 弹体电子设备的布线设计

弹体内部各种电子元器件很多，连接它们的各种接线十分复杂，相互之间不可避免地产生干扰，影响整体的性能。布线和连接存在的电磁干扰主要属于传导干扰，是由公共阻抗耦合或通过一组连接件相互作用产生的电磁干扰。布线也发射电磁波，存在辐射发射，尤其当布线传输信号频率超过30 MHz时，辐射干扰就比较明显。为了尽量减少这样的影响，弹内走线应该注意如下问题。

1）尽量选用双绞线、屏蔽双绞线和同轴电缆等有抑制EMI能力的导线或电缆。

2）各种裸露的走线要尽可能短。

3）传输不同电平信号的导线应分组捆扎，数字信号和模拟信号应分组捆扎，并保持适当的距离，以减少导线间的相互干扰。

4）对用来传递信号的扁平带状线，应采用“地—信号—地—信号—地”的排列方式。这样不仅可以有效抑制干扰，也可明显提高抗干扰能力。

5）将进线与回线绞合在一起，形成双绞线。由于两线之间存在的干扰电流几乎大小相等、方向相反，其干扰场在空间就可以相互抵消。

6）对能确定的辐射干扰较大的导线加以屏蔽。

7）尽量不把性质不同的信号线安排在一个连接器或电缆中。

8）尽量少用高速器件。有引脚的元件有寄生效果，因此引脚的长度应尽可能短。

将设备、组件等的外壳或构架用机械手段连接在一起，形成一个电器上连续的整体，可以避免在不同金属外壳或构架之间出现电位差，而这些电位差往往是产生电磁干扰的原因之一。搭接技术主要考虑以下原则：1）搭接良好的关键在于金属表面之间紧密接触，被搭接表面的接触区应该光滑、清洁、没有非导电物质。紧固方法应保证有足够的压力将搭接处压紧，保证在受到冲击振动和扭曲时仍然接触良好；2）要保证搭接处或搭接片能够承受可能出现的最大电流，以免搭接片过载而造成更大的危害；3）搭接片和被搭接金属间应考虑防止电化学腐蚀，并应用防潮、防腐措施以确保搭接的电气稳定性；4）搭接片应尽量短、宽（粗），以保证搭接的低阻抗和小电感。

3.3 屏蔽设计

没有正确的屏蔽或防护，弹体内部微电子设备可能就会遇到严重的干扰问题[3]。屏蔽主要用于切断通过空间辐射的干扰传输途径，是结构设计上抑制电磁辐射和干扰的主要方法，屏蔽的基本要求是被屏蔽物体既不向外辐射电磁信号，也不受外界电磁信号的干扰。有效的屏蔽体是连续封闭的，但现实中很难达到。

电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有损耗，这种损耗可用屏蔽效能来表示。屏蔽效能（ESE）是电磁能量通过屏蔽体时能量的总衰减值，其计算公式为：

式中：A为吸收损耗，dB；R为反射损耗，dB；B为多次反射修正系数，dB。

3.3.1 屏蔽材料的选择

反射损耗与电磁波的波阻抗ZW和屏蔽材料的特征阻抗ZS有关。一般表达式为：

式中：ZW为电磁波在某一点电场分量与磁场分量的比值，对于外干扰来说假定其为常量；ZS为屏蔽材料的阻抗；μr为相对磁导率；σr为相对电导率；f为电磁波频率。

当电磁波在介质中传播时，无论电场还是磁场都是按指数规律衰减，当电磁波衰减为原始强度的37%时所传播的距离称为趋肤深度，用δ表示。

趋肤深度的计算公式为：

相同厚度的屏蔽材料趋肤深度越小，吸收损耗越大；屏蔽材料的电导率、磁导率越高，吸收损耗越高；被屏蔽电磁波频率越高，吸收损耗越大。所以，干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。在某些场合，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。任何结构的金属都是良好的EMI 吸收材料，增加屏蔽物厚度，可增加EMI的吸收量。

3.3.2 对孔缝的屏蔽

为了保证弹药的可靠性和可维修性，设计时弹体存在着许多孔缝。外界电磁脉冲入射到弹体上的孔缝时，很容易通过孔缝进入弹体内，还会发生电磁散射和耦合等复杂现象。由于金属腔体及腔体中的各部位对电磁脉冲有反射影响，在腔体中就形成了复杂的电磁场空间分布，引发与元器件相互作用产生耦合，极大损害屏蔽了效能，影响各部件正常工作。因此，在进行电磁屏蔽设计时要妥善处理好这些贯穿电缆和孔缝。

1）合理选择孔缝类型。在设计弹药的引信窗口、观察窗、线缆孔时，尽可能采用圆孔或正方形孔，这有助于提高弹体的屏蔽效能，可以有效地降低外界电磁脉冲对弹体的影响，减小耦合进入弹体内的电磁能量。在需要开多孔缝时，可以采用孔阵。

2）电磁敏感元器件应尽可能远离孔缝。设计腔体内元器件布局时，应将电磁敏感元器件尽可能离开孔缝，避开电磁能量高、相对危险的地方，有助于提高系统对外界电磁脉冲的抵抗能力。

3.4 滤波设计

传导干扰可以通过电源线、信号线、互连线等导线以及屏蔽体等导体进行传播。为满足EMC要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI 滤波器件加以抑制，滤波器可以显著地减小传导干扰的电平。滤波器的作用是仅允许工作必须的信号频率通过，而对工作不必要的信号频率有很大的衰减作用，使产生干扰的机会减到最少。采用滤波网络无论是抑制干扰源、消除干扰耦合，还是增强接收设备的抗干扰能力都是一种有力的措施。

根据要滤除的干扰信号频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等种类。在EMC设计中，低通滤波器用得最多。飞机上的电源线是机载制导弹药的一个主要干扰源，因此常用电源滤波器来抑制其干扰。电源滤波器一般用来抑制主要是30 MHz 以下频率范围的噪音，但是对30 MHz以上的辐射干扰也有一定的抑制作用。在30MHz频率范围内又大致可分成3个频段：在5 kHz以下，主要抑制差模干扰；在5 kHz～1 MHz 范围内，主要抑制共模干扰；在1 MHz～30 MHz范围内除主要抑制共模干扰外，还需注意与周围的电磁波耦合问题。对于频率在30 MHz以上的则要考虑滤波器的高频特性[4]。

对于滤波器的安装应注意以下2 点：1）滤波器的引线应以双绞线为佳，并尽可能短，让滤波器的输入、输出线保持一定的距离，以使输入、输出线之间的耦合尽可能减小，防止滤波性能下降；2）滤波器安装的首选位置是电源入口处，以缩短输入线在机箱内的长度，从而减小辐射干扰。输入与输出端口隔离良好，滤波器外壳要与设备金属机壳保持可靠接触。