舰船电子装备电磁兼容性故障分析*

王永德 黄高明 陈 旗

(海军装备部舰船技术保障部1) 北京 100841)(海军工程大学电子工程学院2) 武汉 430033)

1 引言

随着电子技术的发展,而舰船装备的电子装备日益增多,一艘现代化的舰船装备有各种功能的雷达、导航装备、通信装备、敌我识别器以及电子战系统、综合武器系统和指挥控制系统等。舰船上天线林立,电子装备达到了高度饱和状态。这些系统都争用有限的空间和有限的频率范围。主动式装备的工作频段相当拥挤,甚至互相重叠。如果一艘舰的全部装备同时工作,势必造成相互干扰,舰船编队时,装备相互干扰将更趋严重。如何尽可能降低电磁干扰对舰船电子装备正常功能的发挥,已成为一项重要的任务。

电磁兼容性故障一般是指产品或系统丧失其规定功能或降低应有功能的现象。电磁兼容性故障一般不是零部件产品失效所引起的,而是设计缺陷,是电磁兼容性设计考虑不周或电子、电气设备集成上一级系统时,电磁环境(包括辐射和传导)不协调而导致的故障。这些故障的表现有两种,一种是设备或分系统不满足电磁兼容性指标要求,例如不满足GJB151A指标要求,这是潜在电磁兼容性故障的主要根源;另一种是设备或系统工作不正常,经过诊断判定为电磁兼容性问题的故障,通常称之为显性故障。这两种故障不一定是因果关系,有些潜在故障始终不会表现,而显性故障相当部分是更深层次的电磁兼容性问题,如印制板件内器件或设备布线的电磁兼容性问题。一些电磁兼容性标准所规定的指标,其界面是设备或分系统间,因而它具有局限性。不管是显性故障还是潜在故障,其特点有:1)故障具有综合因素。所谓综合因素包括干扰叠加、干扰对干扰的相互作用和干扰的延伸。2)电磁兼容性故障根源的隐蔽性。正是由于电磁兼容性故障的隐蔽性,增加了故障诊断的难度。3)电磁兼容性干扰引发元器件失效,形成可靠性问题。

电磁兼容故障主要是电磁兼容性设计考虑不周,或电子电气设备集成上一级系统时,电磁环境(包括传导和辐射)不协调而导致的故障。为对这类故障进行诊断,需要根据各种电子设备的实际状况,综合考虑传导和辐射效应,重构装备工作的电磁信号环境,重现舰船电子设备工作的电磁环境,方便对电子设备工作电磁环境的评估。电磁敏感器件/单元是恶劣电磁环境的受害者,也是造成电磁兼容故障的直接原因,在某些条件下,它还可能是这类故障的肇事者,因此对评估电磁敏感器件/单元在复杂电磁环境下所受的影响及其对系统电磁环境构成的影响是一件重要且复杂的任务。

2 研究现状

根据国内外武器装备发展的经验和资料报道,认为可靠性和维修性工程中有20多个重点项目需要大力开展和应用,以提高武器装备的综合效能,其中电磁兼容性就是重要项目之一,电磁兼容性又是可靠性工程中最重点的项目之一。对于舰船电子装备而言,提高电磁兼容能力,就是提高舰船电子装备在复杂电磁环境中工作的可靠性,进而提高舰船战斗力。装备的可靠性是相对于装备故障而言的概念,电磁干扰是造成装备故障或性能下降的主要原因之一,因此电磁干扰成为装备不可靠的因素。为了提高可靠性,就必须要求装备具有电磁兼容性,由此可见,保证装备的电磁兼容性是提高其可靠性的技术途径之一。电磁兼容设计的目的之一是提高产品的可靠性,二者有着极为密切的关系,但在实际上是有一定的区别的。可靠性设计中的电磁兼容,主要是从产品在电磁环境中的适应能力,即产品抗电磁干扰的能力。在这一点上,可靠性工程与电磁兼容设计的目标是一致的。也可以把电磁兼容设计看成是可靠性工程的一部分。电磁兼容设计的另一个目标是:产品产生的电磁干扰不能超过一定的限额,从这点上看,似乎与装备的抗干扰能力无关。如果从严格的可靠性意义上来说:超过了规定的干扰指标也就是超过了产品规定的性能要求,产品的可靠性也是不能满足的。再有就是任何电磁兼容设计都必须保证在产品的使用周期内达到设计要求,这本身就是可靠性工程所关注的。因此,任何一个电磁兼容工程师都需要掌握可靠性的设计和分析方法,任何一个可靠性工程师也必须掌握电磁兼容的理论和设计方法。然而,我国对EMC问题的研究则起步较晚,无论是理论还是技术等整体的研究水平均落后于国外先进水平。近几年来,我国在电磁兼容和电子抗干扰的研究上有了一定的发展和进步,这种进步不仅体现在技术方面,而且也体现在广大工程技术人员和管理部门对这项研究的认识提高和日益重视上,这标志着我国EMC理论与技术的研究工作已经进入了一个更高的层次和达到了一个新水平。

作为一个作战系统,电子设备的电磁兼容性故障极大限制舰船系统效能的发挥,轻则导致性能下降、设备失灵,重则导致指挥中断,甚至遭受覆顶之灾。国外早在上世纪60年代就开始电子设备的电磁兼容性研究,并将电磁兼容问题作为装备可靠性工程中最重点的项目之一。在英阿马岛海战之后,电磁兼容问题和电磁兼容性故障被提到更高的研究层次。随着舰船现代化水平的提升,电子设备密度不断增加,各种雷达、通信、导航、指挥控制、电子战等系统的大量使用、功能的不断加强,使得电磁环境日趋复杂,电子设备相互之间的影响也日益加重。从系统的角度而言,电磁兼容故障是现代和将来舰船必须予以高度重视,并设法解决的问题,具有广阔的研究探讨空间。

3 电磁兼容性故障分析

3.1 电磁干扰产生的根源和诊断思路

1)电磁干扰产生根源

产生电磁干扰的原因很多,有天然、人为、系统级、设备级和电路级。每一种元器件都有其固有特性,可在不同频率、不同温度、不同湿度、不同压力、不同电磁环境等条件下,表现出不同的性能。印制电路板(PCB)是电路基本功能单元,印制电路板的电磁兼容特性是由印制线的宽度、长度、厚度、电阻、电感、电容及流过的电流容量和相邻导线间的位置等因素决定。板内元器件布局不当,导线的接地,导线的公共阻抗,导线和元器件之间的耦合,运行时机内温度的变化和某些元器件的振动等都是发生干扰的重要因素。产生电磁干扰的条件:1)要有产生电磁能量的物体或现象,如大功率通信或雷达天线、电机开关等;2)要有对该干扰能量敏感的接收装备;3)要有传播干扰能量的途径和通道。这就是电磁干扰的三要素,即:电磁干扰源,电磁敏感装备和电磁干扰的传播途径。形成电磁干扰时,这三要素缺一不可。相应地,所有抑制电磁干扰的方法也应从这三要素着手解决。

2)电磁干扰诊断思路

所有的电磁干扰都是由2个分量组成:一个是磁场分量,一个是电场分量。这2个场的方向相互垂直。电磁兼容诊断一般都在近距离进行,所以可用电场探头和磁场探头分别测量电场源和磁场源。可根据电磁波的传播方向确定辐射大的元器件。电磁干扰现象千差万别,很难为解决某一问题给出明确的诊断思路。但是,尽管诊断对象不同、功能不同,电磁干扰仍有许多共性问题。

3.2 电磁兼容性分析

电磁兼容性分析的基本途径如图1所示,主要分为5种模式:泄漏或辐射源模式、辐射传输模式、耦合模式、防护模式以及敏感体承受模式,各种模式都可以利用理论分析建立相应的转移函数或频域响应,最后确定敏感体的受干扰强度,从而确定系统的性能有没有降低到规定的指标。

图1 电磁兼容分析基本途径

对于舰船电子装备电磁兼容而言,主要侧重于舰载系统间的电磁兼容,因此要解决装备与装备间的电磁兼容问题,首先要分析装备间电磁干扰的耦合途径和方式,主要分为电路性耦合、电容性耦合、电感性耦合和辐射性耦合;其次是电磁防护、泄漏、辐射、传输等问题的分析。

同时加强电磁兼容性测量,电磁兼容性测量就是要找出干扰源和干扰途径及抗干扰的程度,而后对症下药。电磁干扰种类繁多,不同的电磁干扰采取的抑制措施也不同,为了控制电磁干扰就要认清干扰种类,不同的干扰类型有不同的频谱和不同的传播途径。影响电磁兼容测量准确度的因素很多,有测量仪器、环境、人为以及测试系统影响引起的不确定度分量和随机影响引起的不确定度分量,不同的测量项目产生的不确定度不同。

3.3 电磁兼容性模型

舰船电子装备的电磁兼容性模型可分为两类:

1)电磁敏感器件/单元模型

分析电磁环境中各种辐射和传导对舰船电子装备的敏感器件/单元的影响,建立不同功能模块在不同应用场景的信号模型、交叉模型、干扰模型和效果模型等相应模型。

2)电磁环境模型

电磁环境对敏感器件/单元的影响主要为传导和辐射。该模型从源头上分析包括各种器件及其构成的PCB板、电路单元、机箱、机柜、系统等形成的电磁环境,及其形成原因。对于传导和辐射的研究将考虑空间布局和条件,最终构建舰船内外电磁辐射环境模型。

3.4 电磁兼容性故障产生分析

由前面的分析可知,产生电磁兼容性故障的原因很多,而且复杂,归纳起来主要有这样几类:

1)电磁敏感性:指元器件、设备、分系统、系统暴露在电磁辐射之下时所呈现的不降低运行性能的能力,它反映电子设备或系统抗外界干扰的能力。这种现象随着电子装备对抗的激烈性和电磁环境的恶劣化,是电磁兼容性故障的一个主要原因。例如:电磁现象产生的热效应可以使武器装备系统中的微电子器件、电磁敏感电路过热,造成局部热损伤,导致系统性能恶化或失效,甚至成为点火源和引爆源;电磁辐射引起的射频干扰,造成电子信息系统功能降低或失效;雷电、强电磁脉冲引起的强电流“浪涌”、强电场、强磁场等都会对信息化武器装备的电子信息系统造成软、硬损伤。

2)自然损耗性:电子设备在使用过程中,某些器件的性能随时间会发生变化,表现为设备的自然损耗,致使设备电磁兼容性能的降低,产生设备的电磁兼容性故障,主要表征为噪声特性增强,谐波抑制性能降低,抗干扰能力下降等,甚至出现电磁泄漏现象。

3)干扰影响性:一是自然干扰,主要分为宇宙干扰、大气干扰和雷电干扰。宇宙干扰是自太阳系、银河系及河外星系的电磁干扰。如太空背景噪声、太阳及其行星发射的无线电噪声等。大气干扰是指大气火花放电和电晕放电产生的电磁脉冲对装备的干扰,它会严重影响高频和甚高频频段的无线电通信和导航。雷电干扰是由雷电放电产生的,对20MHz以下的无线电通信影响较大。二是无意辐射干扰,无意辐射的电磁波对装备的干扰。如电缆辐射、电路板、机柜缝隙辐射的电磁波对装备的干扰。三是有意辐射干扰,是指雷达天线、通信天线等用来发射电磁波的装备辐射的电磁波对其它装备产生的影响,也包括来自敌方干扰机的干扰。

4 结语

为使舰船电子设备可靠运行,必须根据舰船电子装备的特性、结构工艺、布设位置等因素加以详细分析,深入研究电磁兼容技术,对电磁干扰引入路径有清楚了解,对电磁干扰敏感的接收电路进行重点保护,尽可能避免电磁干扰对电子装备的影响,通过日常维护、使用管理等方法消除电子装备的电磁兼容性故障影响,确保舰船电子装备的正常工作。

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