抗电磁干扰失效分析技术应用——某新型雷达分机抗电磁干扰失效分析

文 | 中国兵器工业第206研究所 黄磊华

抗电磁干扰失效分析技术应用
——某新型雷达分机抗电磁干扰失效分析

文 | 中国兵器工业第206研究所 黄磊华

抗电磁干扰失效产生的危害有时是直接的，有时是间接的。本文从对某新型雷达主体分机电磁兼容试验出现失效和液压系统分机传感器自兼容差导致失效所进行的分析，提出了抗电磁干扰失效的故障定位方法和二次（反）设计方法，可作为强化雷达电磁兼容设计和电磁兼容失效质量控制的参考试验依据。

失效；传导发射；电场辐射发射；电磁干扰

1.言

雷达抗电磁干扰是多方面和多层次的，它是雷达可靠性的一项重要内容，其重要程度等同于雷达高低温环境适应性。雷达分机抗电磁干扰能力差，会导致雷达分机及整机在高低温试验中性能退化或失效，并导致出故障。雷达分机抗电磁干扰能力强弱是雷达整机性能好坏的重要因素。电磁兼容试验是验证这种抗干扰能力的一种很好方法，自兼容在一般环境下可以得到验证。本文是对某新型雷达分机抗电磁干扰失效所进行的失效分析。

2.达分机抗电磁干扰失效分析原理和分析方法

2.1.达分机抗电磁干扰失效分析原理

在雷达电路中广泛运用滤波和屏蔽来消除内部或外部的电磁干扰，抗电磁干扰方法之一就是在电路中最好的运用滤波和屏蔽，以达到最佳滤波和最佳屏蔽的效果。它是针对单个或多个波段一定强度全频段电磁干扰最常用和有效的方法。雷达分机抗电磁干扰失效，是指雷达分机在电磁兼容试验或普通环境下内部有电磁干扰时，丧失规定的单个或多个功能。失效遵循图1浴盆曲线三个阶段，第一阶段为早期失效阶段，第二阶段为偶然失效阶段，第三阶段为耗损失效阶段。当雷达寿命远远低于平均寿命时，称为早期失效产品。在早期失效阶段失效率很高，样机雷达分机或批产雷达分机在试验中出现的失效均属于这种早期失效。失效分析的作用是消除早期失效产生的危害,对雷达在分机电磁兼容试验中出现的失效和在一般环境下分机因内部自兼容差导致的失效分析和讨论，即为这种早期失效的分析和讨论。它是通过对试验现场失效样品的解剖分析，对雷达分机中不易发现的、无法预期的、潜在的、隐蔽的故障寻找出来，并对失效模式和失效机理进行分析，准确判断失效原因，寻找预防措施，为提高雷达产品质量和可靠性提供科学依据。

表1.机在电源线传导发射（CE102测试）时的失效模式列表

表2.机在电场辐射发射（RE102测试）时的失效模式列表

2.2.达分机抗电磁干扰失效分析方法

2.2.1.机抗电磁干扰失效故障定位方法

理论分析判断法、滤波器滤波定位法、穿芯电容滤波定位法、磁环滤波定位法、铜铂包裹屏蔽定位法。

2.2.2.效机理分析

根据抗电磁干扰基本原理分析失效。

2.2.3.机抗电磁干扰失效故障消除方法

在电子电路中增强滤波和增强屏蔽（包括中频信号电缆线的屏蔽），以更好地消除内外部电磁干扰。

滤波对象：电源滤波和信号滤波。

滤波方式：硬件滤波器方式和软件滤波器方式。

3.新型雷达分机电磁兼容试验失效分析

3.1.机在电源线传导发射（CE102测试）时的失效模式列表，如表1。

分析：CE102测试是对电源导线(包括返回线，不包括EUT电源的输出端导线)传导发射。从上面列表中失效模式得出：

3.1.1.达分机(或整机)用电源线应使用抗干扰较好的，避免使用未经优选的普通线。

3.1.2.达分机(或整机)用电源应要求滤波较好或采用增加滤波器方法。

3.2.机在电场辐射发射(RE102测试)时的失效模式列表，如表2。

分析：RE102测试是对分系统壳体和所有互连电缆的基频或天线的辐射发射。

3.2.1.新型雷达原中频信号，即基信号用电缆线为SYV类，此类电缆是聚乙烯材料介质，该材料是粉料，密度低、质软，耐温差影响电缆头/座焊接质量，是用模具压制成电缆介质状，泄漏很大，该类电缆已经被很多整机单位所列为非选用电缆。更改后的SFF电缆是聚四氟材料介质的电缆，该材料为棒料，密度大、质硬、耐温好，不会影响电缆头/座焊接质量，用车床车制电缆介质状，泄漏小，被很多的整机单位列为国内的优选电缆。

3.2.2.无法对信号用电源加滤波器时，可采用在信号线处补加滤波器方法（如：电视、红外跟踪器）。

表3.新型雷达分机电磁兼容试验前、后整机高低温环境试验中的表现形式列表

表4.新型雷达分机电磁兼容试验前、后整机可靠性试验中的故障数列表

3.2.3.达分机（或整机）用电源应选用滤波较好的，或采用加滤波器的方法，电源线应使用抗干扰较好的。电源或电源线在受电场辐射干扰后电源波纹会产生振荡或混乱，从而导致供雷达分机或整机用电源不正常，并影响信号线抗干扰。

4.新型雷达分机电磁兼容试验前后对比

4.1.新型雷达分机电磁兼容试验前、后整机高低温环境试验中的表现形式列表，如表3。

分析：雷达系统内所有分机和设备之间应是电磁兼容的，系统与系统外部的电磁兼容环境也应是兼容的。系统自身应是电磁兼容的，以满足系统工作性能要求，其符合性是采用系统级试验、分机或组合来验证的。电磁兼容试验不符合的分机会导致整机在高低温环境试验中产生故障或其某个功能失效，由于环试设备就是一个可产生辐射的发射源，环试箱越大，辐射源越强，产生的辐射越大。

4.2.新型雷达分机电磁兼容试验前后在整机可靠性试验中的故障数列表，如表4。

5.新型雷达液压系统分机高精度双轴倾角传感器（外协件）抗内部直流电场干扰失效分析

5.1.感器抗内部直流电场干扰失效模式列表，如表5。

5.2.效机理及消除失效方法

5.2.1.效机理

表5.感器抗内部直流电场干扰实效模式列表

EZ-TIL-5000-1S型双轴倾角传感器是控制电路单元与敏感元件一体腔结构器件，当传感器工作时，输入其内部的直流电源线产生的直流电场直接对敏感元件施加干扰。此型号双轴倾角传感器内部共存在直流24V和直流9V两种输入电源线，由于直流电源电场的强弱与其工作电压成正比，直流工作电压值越大，产生的直流电场越强，因而，产生较强电场的直流24V电源线是对敏感元件干扰并导致失效的主要因素。尤其传感器内部直流24V电源线距水平敏感元件较近，对水平敏感元件直接产生较强干扰（相对较远的垂直敏感元件受干扰强度次之）。水平敏感元件中导电液里的离子在直流24V电源线直流电场的干扰下，向着一个方向移动，在连续通电情况下，导电液两端的离子数相差越来越大，水平敏感元件导电液导电活性逐渐变化，造成两端导电液的阻值缓慢变化。在阻值逐渐变化的情况下，就导致该型号双轴倾角传感器时漂指标超差及输出波动大，出现失效。因此，尽可能消除直流24V电源线直流电场施加的干扰，以及抵消直流24V电源线直流电场剩余分量，是消除这种控制电路单元与敏感元件一体腔结构的该型号双轴倾角传感器内敏感元件受直流电场干扰的关键。

表6.除传感器内部直流24V电源线电场干扰方案优选列表

5.2.2.除失效方法

方法1：对直流电场屏蔽法。

方法2：对直流电场抑制抵消法。

组合法：方法1+方法2

5.2.3.除传感器内部直流24V电源线电场干扰方案优选列表，如表6。

5.2.4.Z-TIL-5000-1S型双轴倾角传感器抗直流电场干扰失效模式和整改措施列表，如表7。

分析：该型号双轴倾角传感器其控制单元电路板与敏感元件为一体腔结构，腔内直流24V电源线电场是较强直流电场，因此，对腔内敏感元件施加干扰的主要干扰源就是直流24V电源线。查该型号高精度双轴倾角传感器内部接线现存问题为：2根直流24V电源线、2根直流9V电源线、2根数字信号线，交叉接线多（包括与4个接地支撑导柱），接线方式混乱，导致无法抵消的直流电场干扰分量较多，干扰较大。针对存在问题采取以下措施，有效消除了一体腔结构双轴倾角传感器敏感元件受内部强直流电场干扰导致的失效，得到了一个非常理想的结果。

表7.Z-TIL-5000-1S型双轴倾角传感器抗直流电场干扰失效模式和整改措施列表

5.2.4.1.体腔内的敏感元件整体加封闭铜箔屏蔽罩（罩的制作按4条棱边内外锡焊，两侧出线处不应向上开口，屏蔽罩顶部4个支撑接地导柱穿孔不能大,以防止产生缝隙并泄露。另加一层垫圈状锡焊或对屏蔽罩整体渡锡，以增强对地的导通性能），这样，最大程度地屏蔽了直流24V电源线产生的较强电场对敏感元件的干扰。

5.2.4.2.一体腔倾角传感器内部空间狭小，不适宜更换硬度较大屏蔽线的实际情况。根据双绞线抗干扰原理，运用双绞线可抵御一部分外界电磁波干扰，其更主要的作用是降低自身信号的对外干扰，当扭线越密其抗干扰能力就越强。对现状直流24V普通电源线采取双绞（密绞合）接线，以降低直流24V电源线的直流电场对外干扰。

5.2.4.3.腔内双绞（密绞合）直流24V电源线与非绞合的2根直流9V普通电源线、2根数字信号线及支撑控制单元电路板的4个接地导柱，按无交叉平行接线，以抵消直流24V电源线的直流电场剩余分量的干扰。

上述组合法C是最大程度屏蔽控制电路单元与敏感元件一体腔结构高精度双轴倾角传感器内部直流电场对敏感元件的干扰和抵消直流电场剩余干扰分量的好方法。

6.论

雷达的好质量和高可靠性，是设计出来并用试验来验证的。当然，也可以是用试验结果提供设计依据的反设计，某新型雷达分机电磁兼容二次(反)设计即为雷达电磁兼容设计较为成功的例子。但就设计方案而言，前者要比后者更规范、设计成本更低、更能节省雷达设计定型时间。雷达在设计时就应考虑电磁兼容的设计内容，首先，要进行雷达自兼容设计，分机内所用单元在其设计要求范围内工作时，分机的工作性能不得降低或出现故障；分机组成雷达整机系统后，整机自身也应是电磁兼容的，以满足整机系统工作性能要求，实现电磁环境下分机和整机系统工作性能不降低或出现故障。上述试验结果表明，分机进行电源抗传导发射设计，即：电源滤波要好或用增加滤波器方法；射频信号和基信号抗电磁辐射发射设计，重点：选择泄漏小的信号线，此试验结果及对失效采取的有效措施是雷达分机电磁兼容设计的有效方法。尤其是液压系统分机高精度双轴倾角传感器的二次（反）设计是控制单元电路板和敏感元件一体腔结构倾角传感器电磁兼容二次（反）设计极为成功的典型例子，验证试验结果表明，组合法设计方案是消除敏感元件受直流电场干扰失效非常有效的方法。该型号双轴倾角传感器经消除失效的二次（反）设计后，从根本上提高了电气性能，其设计方案可应用于同类高精度单、双轴倾角传感器电磁兼容设计。

所述雷达分机失效分析方法是消除雷达抗电磁干扰失效非常有效的方法，经验证的电磁兼容失效故障定位方法和二次（反）设计方法，可作为强化雷达分整机电磁兼容设计和电磁兼容失效质量控制可供参考的试验依据，也是提高雷达可靠性的有效途径之一。

[1]国军标 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求，GJB151A—97

[2] 国军标 系统电磁兼容性要求，GJB1389A—2005

[3] 黎玉刚等著 武器系统电子设备电缆电线电磁兼容设计方法研究 中国兵工学会电磁技术第八届学术年会论文集P111～113（2011年8月）

[4] 药春晖 滤波技术在电磁兼容设计中的应用 中国兵工学会电磁技术第八届学术年会论文集P157、158 (2011年8月)

[5] 刘鹏程等编著 电磁兼容原理与技术P109-115、P117-122 高等教育出版社 1993.9出版

[6] 董光天编著 电磁干扰测量与控制1000问P46-62、P186-204 电子工业出版社2003.10出版

The Technical Application of Failure Analysis of Anti-electromagnetic Interference——The Failure Analysis of Anti-electromagnetic Interference of a New Type Radar

The harm of anti-electromagnetic interference failure is sometimes direct, and sometimes indirect.From the failure analysis of EMC test and bad self-compatibbility of the hydraulic subsystem of a Radar,the method of fault location and second design is introduced in this paper, this method can be used as an reference for enhancement of Radar EMC design and quality control of EMC failure.

failure；Conduction emission；electric field radiated emission；electromagnetic interference

黄磊华（1961-），女， 安徽籍，工程师，主要从事雷达线路检验（试验）和失效分析等方面研究。