瞬态电磁环境下电子信息系统的敏感指标设计研究

孙欣萌

（中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122）

引言

电磁敏感度指的是在存在电磁骚扰的情况下，描述承受电磁干扰的一种性能，即它们在一定电磁环境下，按一定要求正常工作的性能。瞬态电磁环境具有高能量（场强可达数十万V/m）、宽频带（能量分布频带宽）、陡上升（上升沿可达纳秒级）、大空域（作用范围可达上千公里）等特点。瞬态电磁环境主要以能量的形式影响电子信息系统的正常工作。按耦合方式分类，主要可分为“前门”耦合和“后门”耦合两种方式。①“前门”耦合。主要通过电子信息系统天线接收产生的干扰；②“后门”耦合。主要通过电子信息系统壳体、孔缝、线缆产生的干扰，电子信息系统内一般含有多个模块，各模块之间主要靠线缆进行数据传递和信息交互，瞬态电磁环境通过在线缆处的耦合电压/电流，对线缆连接处的模块产生影响，影响电子信息系统的正常运行。按耦合途径分类，主要可分为天线耦合、壳体耦合和线缆耦合三种耦合方式。通过天线、孔缝耦合进入的场大多以辐射敏感的方式影响系统，通过线缆耦合进入的场大多以传导敏感的方式影响系统[1-3]，导致电子信息系统在瞬态电磁环境作用下极易出现电磁敏感甚至电磁毁伤，因此瞬态电磁环境下电子信息系统的电磁敏感性分析及电磁敏感性指标设计越来越成为研究的热点和难点。

目前对瞬态电磁环境下电子信息系统的电磁敏感性分析主要是通过试验及数值仿真的方式开展，并形成了一系列试验标准，如GJB 151B-2013，MIL-STD-461G，MIL-STD-464D 等。数值仿真主要集中在电磁仿真算法研究，如矩量法[4]、有限元法[5]、时域有限差分法[6]、多导体传输线法[7]以及一些混合算法[8]等。同时，国内研究团队从瞬态电磁环境效应及电磁防护等方面开展了大量的研究工作。中国舰船研究所的范昕等人对舰船常见电子信息系统的传导干扰作用机理、建模与预测开展研究[9]。解放军某部队的李超等人通过研究,为我国水面舰船的强电磁脉冲防护标准制订提供技术支撑[10]。中国舰船研究设计中心郑生全等人根据舰船平台电子信息系统对强电磁脉冲威胁与防护要求，提出了舰船平台电子信息系统对强电磁脉冲的防护要求[11]。

本文在现有研究的基础上，提出了一种瞬态电磁环境下电子信息系统的敏感指标设计新方法，支持对设备互连线缆和接收机的敏感度进行设计，以保证其在瞬态电磁环境下的生存特性，有抵御给定的电磁环境干扰的能力，并有一定的安全余量。

1 瞬态电磁环境下电子信息系统的敏感指标设计方法整体流程

本文所提方法整体流程如图1 所示。

图1 瞬态电磁环境下电子信息系统的敏感指标设计方法流程

主要包括以下步骤：

1）构建系统模型，并确定瞬态电磁进入系统的途径和影响系统的方式。其中系统模型包括带有孔缝的系统外壳，系统外壳上设置有天线，系统外壳内设置有多个设备；设备包括通过射频线与天线连接的接收机，以及通过线缆互连的接收设备，线缆包括信号线和控制线。瞬态电磁环境通过前门耦合和后门耦合两种途径进入系统，前门耦合是指通过天线进入系统，并对与天线连接的接收机产生影响；后门耦合是指通过孔缝进入系统，在线缆上产生耦合效应，对通过线缆互连的接收设备产生影响。

2）给定瞬态电磁场辐射敏感度指标。瞬态电磁场辐射敏感度指标针对的是整个系统承受的瞬态电磁环境的能力，通过GJB 151B 中规定的RS105 试验获得或直接预先设定；

3）基于给定的瞬态电磁场辐射敏感度指标，对系统模型内的敏感阈值进行计算；

4）根据计算的敏感阈值与系统模型中部件的设计指标，综合确定系统内的敏感阈值指标。

2 电磁敏感指标设计模型

在瞬态电磁环境通过后门耦合的方式进入系统外壳内部时，系统外壳内部的电磁环境辐射量值如下：

式中：

PE内—系统内部电磁场环境指标，单位：dBV/m；

PE外—系统总体设计指标，单位：dBV/m；

L—壳体屏蔽效能，单位：dB。

壳体内部电磁环境在线缆上产生耦合效应，通过线缆端口流入接收设备内部，并与线缆长度、布局以及离地高度密切相关，通过线缆产生的干扰主要分为共模干扰和差模干扰，“共模”和“差模”是电压或电流在传输导线中的两种形式，通常是基于干扰电流在电缆上流动路径进行分类的。共模电流（Common Mode Current）是指在电路中同时流过两个导体（通常是电缆、线路或导体对）的电流，且它们方向相同。这些共模电流可能源自设备内部因素，也可能是外部设备因素对电缆的影响所致。它不会在正常电路中产生有用的信号，而是可能导致干扰和噪音。共模电流的存在可能会影响系统的性能，特别是在对信号质量要求较高的应用中。

外界因素在电缆上产生的共模电流并不会对电路产生影响，但如果在电路不平衡的情况下，共模电流会转变为电路输入端的差模电压，此时，会对电路产生一定的影响。

为分解该线缆电磁兼容指标，需要建立内部场与线缆共模耦合效应关系函数F(s) ，以及内部场与线缆差模耦合效应关系函数H(s) ，如图2 所示。F（s）、H（s）可以通过仿真或试验测试的方法获得，在实际应用过程中将其作为预先测定好的已知函数。

图2 线缆共模、差模耦合效应关系图

再据此计算出线缆共模电流和差模电压：

式中：

E内—系统内部场环境场强，根据 PE内=20lg E 计算得到，单位V/m。

将共模电流和差模电压的敏感阈值转换为dB 的形式，并留6 dB 的设计余量，得到线缆共模电流和差模电压的敏感阈值：

在瞬态电磁环境通过后门耦合的方式进入系统外壳内部时，辐射场在与天线连接的射频线上产生耦合效应，通过射频端口注入系统外壳内部的接收机，通过建立场环境与射频线的耦合效应关系函数H′（s） ，H′（s）通过仿真或试验测试的方法获得。在实际应用过程中将其作为预先测定好的已知函数，计算得到端口感应电压：

式中：

E外—瞬态电磁场辐射敏感度指标，表征系统外的瞬态电磁环境。

令R 为射频线端口等效负载，即端口负载的功率为：

式中：

根据敏感阈值S端口=10 lgP端口，留有6 dB 的设计余量，由此推出天线接收机敏感阈值S：

式中：

S端口—天线端口功率，单位：dBm；

fdown—接收天线的频率下限；

fup—接收天线的频率下限；

felse—[fdown,fup]之外的频带；

φf—设备在测试频带ftest抑制度。

通过仿真或试验测试的方法，可以对所提天线接收机敏感阈值S 推导模型进行准确度分析。在仿真或试验测试中，天线接收机敏感阈值S 主要通过载噪比（CNR）进行判断，它对天线接收机系统内接收信号质量的好坏起着决定性作用。根据定义，载噪比是指载波信号中的有用信号功率Ps与噪声（或干扰）功率Pn之比，即CNR=Ps/Pn。调制方式不同的接收机对载噪比的要求不同，但是检波器输入端都有一个门限值要求，即只有当接收系统的实际CNR 大于此门限值时接收信号的质量才能得到保证。

在接收机正常检波的过程中，需要满足一定条件：接收机的输入端必须具备足够的有用信号功率PSout（ωSI），使其大于检波器所能检测到的最小功率PSmin（ωSI）。除此之外，必须确保检测设备所需的信噪比门限值CNRth不高于载波功率与干扰信号功率之比。这些条件是评估接收机灵敏度阈值的重要标准。

式中：

PJout（ωJI）—瞬态干扰信号在接收机进行变频处理后，在检波器输入端的功率；

N—检波器输入端接收机的内部噪声，对于某一特定接收机来说，其值相对稳定在某一具体数值上。

若PSout（ωSI）＜PSmin（ωSI），即在受到干扰的情况下，有用信号可能会受到严重减弱，导致接收机可能会失去有用的信息。若PSout（ωSI）≥ PSmin（ωSI），即当干扰信号的功率超过了检波器所能检测到的最小值时，这将导致产生虚假信号，可能导致接收机错误地触发或误动作。相反，若PSout（ωSI）/（PJout（ωJI）+N）＜CNRth，即当有用信号的功率不足以进行正确解调时，接收机将无法准确解析有用信号。上述条件中任何一项不满足，都可能导致接收机无法正常工作。

对于数字通信系统，除了CNR 作为敏感判据外，还可以利用误码率（BER）作为判据，具体为：

式中：

MSout（ωSd）、MJout（ωJd）—检波器输出端有用信号、干扰信号的幅度；

MSmin（ωSd）—检波器所要求的最小输出幅度；

BERth—系统所能接受的最大误码率。

同理，上式中任何一项不成立，接收机都有可能无法正常工作。

对于瞬态干扰信号与天线接收机敏感阈值之间的关系如图3 所示，S（ωJiRF）表示瞬态干扰源作用下，接收机的敏感度阈值，ωJiRF干扰信号频率，Pi（ωJiRF）表示干扰信号功率，PSout（ωSI）表示有用信号经过接收机变频等处理后敏感端口处的功率值，PJout（ωJI）表示表示敏感端口处的干扰信号功率。

图3 瞬态干扰信号与天线接收机敏感阈值关系分析流程

瞬态干扰信号与天线接收机敏感阈值关系分析具体步骤如下：

1）建立接收机行为级模型，在射频输入端注入有用信号和干扰信号，将干扰信号的功率Pi（ωJiRF）和频谱ωJiRF设为变量，有用信号的功率设为最小可接收功率；

2）将频率ωJiRF设为某一恒定值；

3）对干扰信号功率Pi（ωJiRF）进行调整，然后执行仿真分析；

4）在敏感端口处，读取有用信号功率PSout（ωSI）、干扰信号功率PJout（ωJI），计算CNR，判断是否满足敏感判据，若敏感判据中的任何一条的临界等式成立，则判断接收机敏感，进而执行步骤5）；否则执行3）；

5）保存4）中令敏感判据成立的干扰信号的功率并记做S（ωJiRF），同时记录此时干扰信号的频率；判断干扰信号频率是否在感兴趣的频率范围内，如果不在，执行步骤4）；否则执行步骤3）；

仿真结束，根据5）所记录的功率值和频率值，得到天线接收机敏感阈值S。

对于连接系统外壳内接收设备的线缆，将计算得到的共模电流和差模电压的敏感阈值标记为Ci，i=1，2，其中i=1 时，对应的Ci为PI；i=2 时，对应的Ci为PU；获取线缆本身的敏感阈值Ki，其中i=1 时，对应的Ki表示线缆本身的共模电流敏感阈值；i=2 时，对应的Ki表示线缆本身的差模电压敏感阈值；

获取线缆本身的敏感阈值Ki的方式包括：

1）对线缆进行试验，直接测试线缆共模电流和差模电压的敏感阈值；若需要进行测试时，差模电压的敏感阈值可以通过CS101 或CS106 测试进行获取；共模电流敏感阈值可以通过CS114、CS115 或CS116 试验进行获取；

2）根据线缆情况，预先给定线缆共模电流和差模电压的敏感阈值。

将Ci与Ki进行对比，取较为严苛的指标为瞬态电磁环境下系统的敏感设计指标Qi：

Qi=max（Ki，Ci），i=1，2

将敏感设计指标Qi作为最终的线缆敏感阈值指标；

对于通过射频线与天线连接的接收机，设接收机自身在工作频带内灵敏度为L f,f∈[fdown,fup]，其中，fdown与fup分别表示设备工作频段的下限与上限；

给定接收机天线端子带外响应抑制R f,f∈felse，由Lf与Rf综合得到电子设备的接收机敏感阈值函数S′，如下式所示：

取S′和S 较为严苛的指标max（S，S′）为接收机敏感设计指标。

4 结语

随着科学技术发展，瞬态电磁环境越来越成为影响电子信息系统正常工作的潜在威胁，面向实际应用场景，如何在电子信息系统设计研制阶段进行电磁敏感指标设计对确保其正常使用尤为重要。本文从瞬态电磁环境作用于电子信息系统典型耦合通道（前门、后门）出发，提出了一种瞬态电磁环境下电子信息系统的敏感指标设计方法，为电子信息系统抗瞬态电磁环境干扰提供了一种新的技术途径与思路。