平台电子系统电磁兼容性设计

2011-12-28陈捷，梁宾

河北科技大学学报 2011年1期

关键词：裕度电磁天线

陈捷，梁宾

（中国电子科技集团电子科学研究院，北京 100041）

平台电子系统电磁兼容性设计

陈捷，梁宾

（中国电子科技集团电子科学研究院，北京 100041）

介绍了运载平台上加装的复杂电子系统电磁兼容性设计的方法和内容，以贯彻GJB 1389A—2005系统电磁兼容性要求，并结合工程实践介绍了系统安全裕度的测试内容和方法，对于未来开展平台电子系统电磁兼容性设计具有参考意义。

系统电磁兼容性；EMC；安全裕度

电磁兼容性（EMC）是指设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态。它包含2方面含义：1）在预定电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现设计的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接收的降级；2）在预定电磁环境中正常工作且不会给环境或设备带来不可接收的电磁干扰。

笔者对典型平台电子系统电磁兼容性问题进行分析，对平台的系统级EMC设计方法和内容进行了研究。

1 系统级EMC设计的背景

随着现代军事应用中电子对抗的需要，各型复杂电子装备大量研制，其中电子设备组成庞大复杂，保证整个系统的正常运转就必须很好地解决电磁兼容性问题。如美国的E－3预警机就是集大功率预警雷达、高灵敏度电子侦察设备于一体的，电磁环境极为复杂的平台电子系统，系统的EMC问题处理不好会影响到任务执行能力甚至飞行安全。由此可见，能否解决电磁兼容性问题成为复杂电子系统实现正常工作的关键技术。

1．1 系统级EMC设计的必要性

国内外许多实例表明，对设备和分系统要求在实验室环境进行了EMC测试，仍不能完全保证整个系统在运载平台上的兼容工作能力。因此，在系统级进行相互干扰电磁兼容性设计和测试是必不可少的，其作用体现在以下几个方面。

1）避免系统EMC的欠设计

由于运载平台的局限性，不利于系统兼容的电磁干扰因素大大增加，系统内电磁环境十分恶劣。仅围绕单台设备自身设计很难掌握设备特性的设计重点，从而造成某些性能指标设计不足，最终带来对系统整体的影响。

2）避免系统EMC的过设计

系统EMC设计和测试的目的是寻求一种低成本、高效率的方案，实现专用电子系统自身兼容以及与特定的工作环境实现兼容。根据分析系统的特定电磁环境预测和测试数据，适当剪裁对设备和分系统的EMC要求，从而避免由于电子设备在EMC过设计而带来的成本增加和效率的降低。

3）系统电磁兼容性评估的依据

根据组成系统的电子设备、分系统间电磁干扰和抗扰性能的设计和测试验证，为实现对复杂平台电子系统综合兼容工作能力的评估提供依据。

1．2 系统级EMC设计的复杂性

设备、分系统设计和测试要求都有较为明确的设计规范和测试要求、方法。系统级EMC设计比较复杂，其难度体现在以下几点。

1）运载平台电子系统组成复杂

运载平台空间有限，电子设备种类、体制、性能多种多样，无论从设计考虑的对象，还是测试内容和评估准则来看，都有很大的难度。

2）测试方法还没有标准可循

对于系统级的EMC测试的设计还没有适当的规范和标准可用。国军标GJB 1389A—2005《系统电磁兼容性要求》仅提出要求，并没有提出具体的测试方法。如何将这些要求应用于工程，还需要一个实践的过程。

2 平台电子系统电磁兼容性设计

工程实践经验表明，在系统方案论证阶段可采用自顶向下方法对平台电子系统的EMC进行设计。1）通过预测仿真、等效推算、模拟测试等手段预估系统可能存在的兼容问题，设计相应技术措施；2）安排相关测试对设计结果进行验证，实现电子系统的兼容工作。

2．1 系统电磁兼容性预测仿真设计

2．1．1 系统用频设计分析

对平台电子系统组成的电子设备的用频特性进行统计分析，包括工作频率范围、谐波特性、调频模式、占空比及工作使用安排等频域占用和时域分布特征。通过用频统计，标注出设备用频在频域和时域上都有重叠的部分，作为进一步重点分析的对象。见表1、图1。

表1 电台频域占用示意图

2．1．2 系统天线布局设计分析

配套设备的天线布局是实现系统兼容工作的关键技术之一，主要通过软件仿真和模拟布局测试进行分析。

1）空域覆盖分析，通过仿真和测试避免运载平台对天线方向图的遮挡。遮挡严重需采取更改布局位置、增大天线增益、增加天线补盲等措施。

2）耦合度（隔离度）分析，通过仿真运载平台和模拟测试，利用运载平台遮挡、方向性天线等措施，提高发射设备到敏感设备路径的衰减量，减轻设备间射频干扰程度，为下一步兼容分析提供支撑。见图2。

2．1．3 系统电磁兼容性设计分析

针对用频设计分析中出现的在频域和时域都有重叠的设备，利用功率、天线增益、耦合度等仿真分析结果，结合设备灵敏度、抗毁门限等特性，对设备间兼容工作情况进行预测分析，评估出存在的干扰风险，设计电磁滤波、搭接接地、涂覆材料等措施实现兼容状态。

常用的电磁防护设计有设备和分系统电磁发射和敏感度控制、天线间干扰控制设计、线缆间干扰控制设计、电磁防护设计、搭接和接地设计、雷电防护设计、静电防护设计、电源设计等方面。这些设计也是GJB 1389A—2005系统电磁兼容性要求中对系统EMC的要求。

2．2 系统电磁测试项目设计

结合国军标的相应要求，系统应开展相应的电磁兼容性测试项目，以保证设计方案的贯彻。

2．2．1 系统电搭接和接地电阻

包括雷电搭接、天线搭接、安全接地。电搭接和接地的良好与否会引起平台设备的电磁干扰、影响天线方向图、静电放电和雷电保护、人员和设备的安全。按照国军标相关电搭接技术要求，测试各电子分系统的

图1 电台时域占用示意图

图2 天线耦合度仿真与测试比对示意图

安装设计是否符合要求。

2．2．2 平台系统屏蔽效能

对机身壳体、平台设备和工作舱依据进行测试，依据GB 12190《高性能屏蔽室屏蔽效能的测量方法》，选择对相应平台电子系统（雷达、通信等）各工作频率进行测试。

2．2．3 系统电磁环境测试

检查在系统诸多大功率发射设备全功率发射情况下，测试舱内电磁环境是否满足GJB 5313《微波辐射暴露限制和测量方法》，测试飞机舱室电磁环境强度。

2．2．4 系统天线特性测试

1）天线性能测试

平台天线与安装位置、接地状况、馈线性能等都有直接关系，主要测试指标有装机后方向图、增益、驻波系数和馈线插损。

2）天线耦合度测试

天线间耦合度（亦称隔离度）是系统EMC测试的重要参数，与频率、天线参数、空间位置和极化等紧密相关。直接影响辐射干扰、系统内兼容、系统间干扰、安全裕度等指标。其包含以下3个方面内容：①天线单元隔离度测量，信号源用单载波形式输出；②天线系统（包括天线和馈电系统）隔离度测量，信号源为单载波形式输出；③实际天线隔离度测量（包括实际天线和馈源系统及真实的发射机），此测试最具工程价值，被测天线系统接近真实，可作为兼容分析直接参数。

2．2．5 平台电子系统设备间兼容性检查测试

系统内相互作用检查测试应使可能产生干扰的设备工作在最大功率和最易引起干扰的工作方式和频率状态，同时使可能受扰的设备以最敏感的方式工作，通过监视敏感设备和分系统的工作情况来判断是否存在严重兼容故障。测试矩阵见表2。

表2 测试矩阵

2．2．6 系统关键设备安全裕度测试

系统电磁兼容性安全裕度是评定一个系统EMC的重要指标之一，反映了系统电磁兼容性的安全程度，系统关键点的环境电平低于比设备、分系统敏感门限值的程度。通常评定关键任务功能（如敌我识别应答机、应急通信电台等）的安全裕度要求为6 d B，对电起爆装置等危险设备的安全裕度要求为16．5 dB。

1）安全裕度定义

安全裕度是系统电磁兼容性要求中较为迷糊的一项要求，基于工程实践笔者总结安全裕度包括以下3方面内容。

人员安全裕度：人员工作环境电磁辐射限值与工作环境总电磁辐射强度之间的差值；

设备安全裕度：定义为设备的抗毁电平与系统实测得到的干扰电平之间的差值；

任务安全裕度：定义为使系统执行机构不能正常工作的临界灵敏度电平与系统实测干扰电平之间的差值。

三者的差别就在于敏感度判决的标准不一样。

2）测试方法

原理上可用以下3种方法实现：①增加干扰源的功率；②增加干扰源和敏感区域的耦合程度；③增加敏感区域的灵敏度。

在实际工程应用中这3种方法都受到一定的限制（如天线位置固定、装机设备指标固化、外场辐射功率电平受限等）。下面介绍一些经过实践检验的工作性能安全裕度测量方法。

由于平台电子设备繁多，系统间干扰关系错综复杂，利用统计和概率的方法，找出系统中干扰源的主要耦合途径和一些关键点的干扰规律和强度，然后人为在系统中按同样的规律施加（辐射或注入方法）一个强度大于6 d B的干扰信号，如设备工作正常、系统稳定，则认为系统满足要求。反之，则应对薄弱环节加以改进。

这种方法对于评估和考核系统电磁兼容性行之有效，下面以工程中具体实例加以说明。

应急通信电台工作在其技术规范规定的工作模式下，向应急通信电台施加比平台预期电磁环境综合应力（具体电磁应力剖面由平台综合电磁环境测试中应急通信电台天线端口感应电平获得）高6 d B的背景干扰电平，应急通信电台不应出现任何故障、性能降低或偏离规定的指标值，或单个设备和分系统指标容差超出技术规范或经确认的降级使用要求。测试框图如图3所示。