发射装置电磁兼容性设计与评估方法探讨

2014-04-10肖守邦赵月琴

机械与电子 2014年4期

肖守邦，赵月琴

（中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

0 引言

当今世界，由于军事领域电磁能源的应用日趋广泛，以及电子技术日益向高频率、高速度和高灵敏度的方向发展，使得空天战场电磁环境日趋复杂。如何消除复杂电磁环境对武器效能发挥的不良影响，成为各国军工领域研究的热点。在此，首先，阐述复杂电磁环境的特点，然后，分析某型机载导弹发射装置电磁兼容设计的不足之处及评估方法的缺陷，旨在为发射装置的电磁兼容性评估确定方法，从而保证其在复杂电磁环境中的效能发挥。

1 复杂电磁环境的特征及影响

1.1 复杂电磁环境特征

电磁环境通常是指存在于特定场所电磁现象的总和。复杂电磁环境，主要特征可以概括为“空域”上纵横交错、“时域”上持续不断、“频域”上密集重叠和“能域”上复杂多变。构成复杂电磁环境的因素主要包括：

a.敌、我双方的电子对抗。

b.各种武器装备所释放的高密度、高强度和多频谱的电磁波。

c.民用电磁设备的辐射和自然界的电磁波。

现代信息化战争中，战场电磁环境空前复杂。整个战场空间中，电磁辐射重叠交叉、剧烈动荡、反复持续、复杂多变。据统计，在1 000km2以内，每个频段的发射源数目分别为：0～500MHz范围内485个，8～40GHz范围内40～50个，500～2 000 MHz范围内6个。而一个航母战斗群至少装备有200部不同类型的雷达。

1.2 复杂电磁环境对武器效能发挥的影响

信息化战争是在复杂多变的电磁环境中进行的，战场的电磁环境效应直接影响着武器装备战斗效能的发挥，决定着战场的生存能力［1］。从作用机理上看，复杂的电磁环境主要通过4个方面影响武器装备的战术、技术性能：

a.热效应。例如，静电放电和高功率电磁脉冲产生的热效应可以使武器装备中的微电子器件、电磁敏感电路过热，造成局部热损伤，导致电路性能失效，甚至可以作为点火源和引爆源，瞬时引起易燃、易爆气体燃烧爆炸。

b.强电场效应。电磁辐射源形成的强电场不仅可以致使武器装备的电路失效，而且可能对武器装备的自检仪器和敏感器件的工作可靠性造成影响。

c.射频干扰和“浪涌”效应。电磁辐射引起的射频干扰，可对信息化设备造成电噪声、电磁干扰，使其产生误动作或功能失效。强电磁脉冲及其“浪涌”效应，还会对武器装备造成硬损伤。

d.磁效应。电磁脉冲引起的强电流可以产生强磁场，使电磁能量直接耦合到武器系统内部，干扰电子设备的正常工作。

2 某发射装置电磁兼容设计现状

2.1 某型发射装置

某型发射装置挂装于飞机武器舱内，用于内埋挂装空空导弹，完成导弹的带弹起飞、着陆、运载和发射。发射装置中的电子部件通过与载机进行信息交联，实现对发射装置的机构运动控制和状态参数的采集及上传。

根据载机技术协议要求，该发射装置应满足的电磁兼容性项目包括 CE102，CS101，CS114，CS115，CS116，RE102，RS103。

2.2 某型发射装置电磁兼容设计现状

某型发射装置由于受到安装空间和重量限制，其电子部件集中布置在有限空间内，由于大量采用微处理器和数字电路，器件数量多、种类多、密度高，输入输出接口多，互联电缆多，内部电磁环境较为复杂。挂装飞机后，发射装置周边布置了大量的通信设备和各种传感器，存在各种电磁干扰。在实战中，发射装置要承受敌我双方各类雷达的近距离直接照射及敌方有针对性的主动高强度电子干扰，电磁环境尤为恶劣。

为满足载机电磁兼容性要求，发射装置在设计中采用了一系列措施，特别注重了电源的设计、接地的设计和滤波磁珠、磁环的应用。主要包括：

a.电源输入端利用电源滤波器消除电源线传导发射。

b.电路板电源输入和输出加装滤波电容和多孔磁珠，增加滤波的带宽。

c.信号的输出、输入采用滤波磁珠。

d.电子部件结构上采用导电化处理，缝隙使用弹片加强搭接，降低搭接阻抗，保证印制板可靠接地，降低对外干扰。

e.电源线采用屏蔽线，总线信号线采用双绞线，减小总线信号传输干扰。

f.采用滤波电连接器，并对连接器尾端及电缆采取360°屏蔽。

3 发射装置电磁兼容评估方法的不足

按主机要求，在设计阶段需对发射装置进行电磁兼容评估，评估的依据是 GJB151A－97／152A－97［2］。但是，在实验室按标准对某内埋发射装置进行电磁兼容评估时，却存在以下不足：

a.评估依据不明确。根据GJB151A－97，机载空空导弹发射装置进行RE102项目的评估时，应按标准选择空军内部限制线或空军外部限制线作为评估依据，两者针对被测产品位置的差异在不同的频段有不同的要求。传统的机载空空导弹发射装置都是悬挂在机翼下方或者翼尖，在进行RE102测试时应选择“空军飞机外部限制线”作为评估标准。某内埋发射装置从结构层面划分，属于载机机舱内部设备，但其执行发射任务时需伸出机舱外部执行关键动作，动作执行完毕后又需要可靠地收回机舱内部。可见，随着任务时序的变化，该发射装置工作的电磁环境既包括飞机武器舱内的电磁环境，又包括武器舱外的空间综合电磁环境。因此，标准中单一的极限曲线无法全面考核发射装置。

b.评估边界不确定。现代战机中干扰源与敏感设备是相对的。相对雷达而言，发射装置是敏感设备，但相对机载电台而言，发射装置却是干扰源。在实战条件下，己方大量干扰和敏感设备密集使用，或干扰源与敏感设备距离太近，均可能会使部分敏感设备因边界效应导致工作受到干扰［3］。

该内埋发射装置由于在设计中充分考虑了电磁兼容性，采取了各种措施来提高其自身抗干扰能力并降低其对外辐射，增强了其在电磁兼容考核中的“战斗力”。按目前评估方法，如果发射装置通过了所有的电磁兼容试验项目，则应认为其电磁兼容满足要求。但是，发射装置挂装于载机内部，周边布置了大量的通信设备和各种传感器，根据边界效应及以往经验，即使单机考核合格，在与其他设备同时工作时也可能出现问题：或自身受到干扰，或干扰其他设备。

c.评估手段不真实。按目前军标，发射装置进行电磁兼容测量时，所施加的各个单项应力一般都能达到甚至超过战场电磁应力条件。但在测量时，由于各测量项目考核的侧重点不同，因此，电磁敏感度应力的施加是单一性的，而且同一时间其施加的频谱也是单一频点的，最终的测量结果是在这种施加单一电磁应力条件下得出。以RE102项目为例，测试时根据频率的不同，选择了不同的接收天线进行分时测量，如图1所示。实际上发射装置在工作时，可能在同一时间多个不同的频点均有辐射发射。这就意味着在该条件下测量合格的产品，一旦工作在多应力条件下可能会出现异常，除非所施加的应力各自独立、互不影响。但在战场复杂电磁环境下，机载设备需同时承受来自敌我双方的各种电磁应力的多途径、宽频谱叠加干扰，多种电磁信号密集、交叠，势必会相互影响。可见，这种实验室单一应力的电磁兼容评价手段无法模拟战场复杂的电磁环境。

图1 电磁兼容试验场地

4 电磁兼容评估方法改进

4.1 量体裁衣，核定依据

鉴于发射装置工作环境复杂，在评估其电磁兼容性能时，需综合分析发射装置使用的电磁环境，充分考虑以下几个方面因素：

a.功能特性分析。针对发射装置在实现特定功能时可能遭遇的电磁干扰类型和强度，以及在该干扰下可能出现的故障模式，如电磁干扰引起的继电器误动作，或电场辐射引起的电路失效，然后在测试时有针对性地进行测试，确保发射装置在各种正常工作状态下均能满足测量标准要求。

b.未来电磁环境变化分析。确定发射装置周边电磁环境时，应同时考虑随着技术的发展或空间环境甚至太空环境的影响，发射装置在使用寿命周期内，未来可能面临的电磁环境将日趋复杂。因此，现阶段的考核试验应充分考虑到电磁环境的变化趋势，必要时应加严考核。

c.环境电平分析。传统的电磁兼容考核中仅用场强值或功率密度来描述电磁环境，而实际上还存在许多影响电磁环境的参数，如脉冲重复频率和宽度、频谱扭盖范围、天线极化、天线主瓣和副瓣方向等。因此，在确定评估依据时，应充分考虑到电磁环境中可能存在的最恶劣的参数，以及设备最敏感的工作状态，从而保证发射装置在最不利的工作状态下满足实战要求。

4.2 统筹全局，确定边界

单独进行电磁发射测试和电磁敏感度测试都合格的产品，协同工作时，却可能因边界效应，导致敏感设备承受的干扰超过其抗扰度限值，此时，干扰还是不可避免的。在以往的型号研制中，出现过电磁兼容考核合格的发射装置，装机后却干扰了载机通讯电台的案例。

为避免这种情况再次出现，应对各机载设备，尤其是载机武器舱内的相关设备，进行干扰承受能力评价，从而确定其相应的边界条件。综合考虑各设备与大功率干扰源之间在时域、空域或频域的间距，对进入边界条件的设备应通过系统级的管理措施来协调，降低干扰发生的几率甚至避免干扰的发生，从而有效保障各机载设备运行的可靠性。

4.3 精益求精，贴近实战

由于测量仪器和设备能力的限制，在当前的电磁兼容实验室的实际条件下，要想全面模拟战场复杂电磁环境，并对发射装置进行评价是难以实现的。实验室测量合格的产品，其实际性能还要靠多平台的协同工作、大规模军事演习甚至实战来评价。因此，建议通过以下手段提高评估结果的可信性：

a.实验室综合评估。实验室进行双电磁应力或多电磁应力的综合施加，然后与单应力独立施加的结果进行比较，以此来评价、研究多应力对发射装置的影响，通过这种方式来评估单一电磁应力条件下的测量结果在复杂电磁环境下的有效性。同时，也可通过对单一电磁应力与多电磁应力的结果对比分析，对单一电磁应力施加电平进行修正，以修正后的单一电磁应力来模拟多电磁应力施加效果［1］。

b.实测载机电磁环境。在实验室评估的基础上，还需对载机进行整机电磁兼容测试，以取得其电磁环境相关参数。对所有参数进行分析、整理和修正后，对发射装置电磁兼容试验的应力参数进行适当调整。

c.演习评估。通过大型复杂电磁环境下的军事演习，对战场复杂电磁环境的电磁应力参数进行广泛的测量、采集和评估，建立类似美国的武器装备电磁脉冲效应试验数据库，从而获得发射装置（也包括其他机载设备）在复杂电磁环境中的真实应力情况。在深入研究的基础上，通过对单一电磁应力参数的调整和多应力的复杂电磁环境的仿真，来评价发射装置在复杂电磁环境中的电磁兼容性。