艦船電子裝備電磁兼容性故障分析*

王永德 黃高明 陳 旗

(海軍裝備部艦船技術保障部1) 北京 100841)(海軍工程大學電子工程學院2) 武漢 430033)

1 引言

隨著電子技術的發展,而艦船裝備的電子裝備日益增多,一艘現代化的艦船裝備有各種功能的雷達、導航裝備、通信裝備、敵我識別器以及電子戰系統、綜合武器系統和指揮控制系統等。艦船上天線林立,電子裝備達到了高度飽和狀態。這些系統都爭用有限的空間和有限的頻率范圍。主動式裝備的工作頻段相當擁擠,甚至互相重疊。如果一艘艦的全部裝備同時工作,勢必造成相互干擾,艦船編隊時,裝備相互干擾將更趨嚴重。如何盡可能降低電磁干擾對艦船電子裝備正常功能的發揮,已成為一項重要的任務。

電磁兼容性故障一般是指產品或系統喪失其規定功能或降低應有功能的現象。電磁兼容性故障一般不是零部件產品失效所引起的,而是設計缺陷,是電磁兼容性設計考慮不周或電子、電氣設備集成上一級系統時,電磁環境(包括輻射和傳導)不協調而導致的故障。這些故障的表現有兩種,一種是設備或分系統不滿足電磁兼容性指標要求,例如不滿足GJB151A指標要求,這是潛在電磁兼容性故障的主要根源;另一種是設備或系統工作不正常,經過診斷判定為電磁兼容性問題的故障,通常稱之為顯性故障。這兩種故障不一定是因果關系,有些潛在故障始終不會表現,而顯性故障相當部分是更深層次的電磁兼容性問題,如印制板件內器件或設備布線的電磁兼容性問題。一些電磁兼容性標準所規定的指標,其界面是設備或分系統間,因而它具有局限性。不管是顯性故障還是潛在故障,其特點有:1)故障具有綜合因素。所謂綜合因素包括干擾疊加、干擾對干擾的相互作用和干擾的延伸。2)電磁兼容性故障根源的隱蔽性。正是由于電磁兼容性故障的隱蔽性,增加了故障診斷的難度。3)電磁兼容性干擾引發元器件失效,形成可靠性問題。

電磁兼容故障主要是電磁兼容性設計考慮不周,或電子電氣設備集成上一級系統時,電磁環境(包括傳導和輻射)不協調而導致的故障。為對這類故障進行診斷,需要根據各種電子設備的實際狀況,綜合考慮傳導和輻射效應,重構裝備工作的電磁信號環境,重現艦船電子設備工作的電磁環境,方便對電子設備工作電磁環境的評估。電磁敏感器件/單元是惡劣電磁環境的受害者,也是造成電磁兼容故障的直接原因,在某些條件下,它還可能是這類故障的肇事者,因此對評估電磁敏感器件/單元在復雜電磁環境下所受的影響及其對系統電磁環境構成的影響是一件重要且復雜的任務。

2 研究現狀

根據國內外武器裝備發展的經驗和資料報道,認為可靠性和維修性工程中有20多個重點項目需要大力開展和應用,以提高武器裝備的綜合效能,其中電磁兼容性就是重要項目之一,電磁兼容性又是可靠性工程中最重點的項目之一。對于艦船電子裝備而言,提高電磁兼容能力,就是提高艦船電子裝備在復雜電磁環境中工作的可靠性,進而提高艦船戰斗力。裝備的可靠性是相對于裝備故障而言的概念,電磁干擾是造成裝備故障或性能下降的主要原因之一,因此電磁干擾成為裝備不可靠的因素。為了提高可靠性,就必須要求裝備具有電磁兼容性,由此可見,保證裝備的電磁兼容性是提高其可靠性的技術途徑之一。電磁兼容設計的目的之一是提高產品的可靠性,二者有著極為密切的關系,但在實際上是有一定的區別的。可靠性設計中的電磁兼容,主要是從產品在電磁環境中的適應能力,即產品抗電磁干擾的能力。在這一點上,可靠性工程與電磁兼容設計的目標是一致的。也可以把電磁兼容設計看成是可靠性工程的一部分。電磁兼容設計的另一個目標是:產品產生的電磁干擾不能超過一定的限額,從這點上看,似乎與裝備的抗干擾能力無關。如果從嚴格的可靠性意義上來說:超過了規定的干擾指標也就是超過了產品規定的性能要求,產品的可靠性也是不能滿足的。再有就是任何電磁兼容設計都必須保證在產品的使用周期內達到設計要求,這本身就是可靠性工程所關注的。因此,任何一個電磁兼容工程師都需要掌握可靠性的設計和分析方法,任何一個可靠性工程師也必須掌握電磁兼容的理論和設計方法。然而,我國對EMC問題的研究則起步較晚,無論是理論還是技術等整體的研究水平均落后于國外先進水平。近幾年來,我國在電磁兼容和電子抗干擾的研究上有了一定的發展和進步,這種進步不僅體現在技術方面,而且也體現在廣大工程技術人員和管理部門對這項研究的認識提高和日益重視上,這標志著我國EMC理論與技術的研究工作已經進入了一個更高的層次和達到了一個新水平。

作為一個作戰系統,電子設備的電磁兼容性故障極大限制艦船系統效能的發揮,輕則導致性能下降、設備失靈,重則導致指揮中斷,甚至遭受覆頂之災。國外早在上世紀60年代就開始電子設備的電磁兼容性研究,并將電磁兼容問題作為裝備可靠性工程中最重點的項目之一。在英阿馬島海戰之后,電磁兼容問題和電磁兼容性故障被提到更高的研究層次。隨著艦船現代化水平的提升,電子設備密度不斷增加,各種雷達、通信、導航、指揮控制、電子戰等系統的大量使用、功能的不斷加強,使得電磁環境日趨復雜,電子設備相互之間的影響也日益加重。從系統的角度而言,電磁兼容故障是現代和將來艦船必須予以高度重視,并設法解決的問題,具有廣闊的研究探討空間。

3 電磁兼容性故障分析

3.1 電磁干擾產生的根源和診斷思路

1)電磁干擾產生根源

產生電磁干擾的原因很多,有天然、人為、系統級、設備級和電路級。每一種元器件都有其固有特性,可在不同頻率、不同溫度、不同濕度、不同壓力、不同電磁環境等條件下,表現出不同的性能。印制電路板(PCB)是電路基本功能單元,印制電路板的電磁兼容特性是由印制線的寬度、長度、厚度、電阻、電感、電容及流過的電流容量和相鄰導線間的位置等因素決定。板內元器件布局不當,導線的接地,導線的公共阻抗,導線和元器件之間的耦合,運行時機內溫度的變化和某些元器件的振動等都是發生干擾的重要因素。產生電磁干擾的條件:1)要有產生電磁能量的物體或現象,如大功率通信或雷達天線、電機開關等;2)要有對該干擾能量敏感的接收裝備;3)要有傳播干擾能量的途徑和通道。這就是電磁干擾的三要素,即:電磁干擾源,電磁敏感裝備和電磁干擾的傳播途徑。形成電磁干擾時,這三要素缺一不可。相應地,所有抑制電磁干擾的方法也應從這三要素著手解決。

2)電磁干擾診斷思路

所有的電磁干擾都是由2個分量組成:一個是磁場分量,一個是電場分量。這2個場的方向相互垂直。電磁兼容診斷一般都在近距離進行,所以可用電場探頭和磁場探頭分別測量電場源和磁場源。可根據電磁波的傳播方向確定輻射大的元器件。電磁干擾現象千差萬別,很難為解決某一問題給出明確的診斷思路。但是,盡管診斷對象不同、功能不同,電磁干擾仍有許多共性問題。

3.2 電磁兼容性分析

電磁兼容性分析的基本途徑如圖1所示,主要分為5種模式:泄漏或輻射源模式、輻射傳輸模式、耦合模式、防護模式以及敏感體承受模式,各種模式都可以利用理論分析建立相應的轉移函數或頻域響應,最后確定敏感體的受干擾強度,從而確定系統的性能有沒有降低到規定的指標。

圖1 電磁兼容分析基本途徑

對于艦船電子裝備電磁兼容而言,主要側重于艦載系統間的電磁兼容,因此要解決裝備與裝備間的電磁兼容問題,首先要分析裝備間電磁干擾的耦合途徑和方式,主要分為電路性耦合、電容性耦合、電感性耦合和輻射性耦合;其次是電磁防護、泄漏、輻射、傳輸等問題的分析。

同時加強電磁兼容性測量,電磁兼容性測量就是要找出干擾源和干擾途徑及抗干擾的程度,而后對癥下藥。電磁干擾種類繁多,不同的電磁干擾采取的抑制措施也不同,為了控制電磁干擾就要認清干擾種類,不同的干擾類型有不同的頻譜和不同的傳播途徑。影響電磁兼容測量準確度的因素很多,有測量儀器、環境、人為以及測試系統影響引起的不確定度分量和隨機影響引起的不確定度分量,不同的測量項目產生的不確定度不同。

3.3 電磁兼容性模型

艦船電子裝備的電磁兼容性模型可分為兩類:

1)電磁敏感器件/單元模型

分析電磁環境中各種輻射和傳導對艦船電子裝備的敏感器件/單元的影響,建立不同功能模塊在不同應用場景的信號模型、交叉模型、干擾模型和效果模型等相應模型。

2)電磁環境模型

電磁環境對敏感器件/單元的影響主要為傳導和輻射。該模型從源頭上分析包括各種器件及其構成的PCB板、電路單元、機箱、機柜、系統等形成的電磁環境,及其形成原因。對于傳導和輻射的研究將考慮空間布局和條件,最終構建艦船內外電磁輻射環境模型。

3.4 電磁兼容性故障產生分析

由前面的分析可知,產生電磁兼容性故障的原因很多,而且復雜,歸納起來主要有這樣幾類:

1)電磁敏感性:指元器件、設備、分系統、系統暴露在電磁輻射之下時所呈現的不降低運行性能的能力,它反映電子設備或系統抗外界干擾的能力。這種現象隨著電子裝備對抗的激烈性和電磁環境的惡劣化,是電磁兼容性故障的一個主要原因。例如:電磁現象產生的熱效應可以使武器裝備系統中的微電子器件、電磁敏感電路過熱,造成局部熱損傷,導致系統性能惡化或失效,甚至成為點火源和引爆源;電磁輻射引起的射頻干擾,造成電子信息系統功能降低或失效;雷電、強電磁脈沖引起的強電流“浪涌”、強電場、強磁場等都會對信息化武器裝備的電子信息系統造成軟、硬損傷。

2)自然損耗性:電子設備在使用過程中,某些器件的性能隨時間會發生變化,表現為設備的自然損耗,致使設備電磁兼容性能的降低,產生設備的電磁兼容性故障,主要表征為噪聲特性增強,諧波抑制性能降低,抗干擾能力下降等,甚至出現電磁泄漏現象。

3)干擾影響性:一是自然干擾,主要分為宇宙干擾、大氣干擾和雷電干擾。宇宙干擾是自太陽系、銀河系及河外星系的電磁干擾。如太空背景噪聲、太陽及其行星發射的無線電噪聲等。大氣干擾是指大氣火花放電和電暈放電產生的電磁脈沖對裝備的干擾,它會嚴重影響高頻和甚高頻頻段的無線電通信和導航。雷電干擾是由雷電放電產生的,對20MHz以下的無線電通信影響較大。二是無意輻射干擾,無意輻射的電磁波對裝備的干擾。如電纜輻射、電路板、機柜縫隙輻射的電磁波對裝備的干擾。三是有意輻射干擾,是指雷達天線、通信天線等用來發射電磁波的裝備輻射的電磁波對其它裝備產生的影響,也包括來自敵方干擾機的干擾。

4 結語

為使艦船電子設備可靠運行,必須根據艦船電子裝備的特性、結構工藝、布設位置等因素加以詳細分析,深入研究電磁兼容技術,對電磁干擾引入路徑有清楚了解,對電磁干擾敏感的接收電路進行重點保護,盡可能避免電磁干擾對電子裝備的影響,通過日常維護、使用管理等方法消除電子裝備的電磁兼容性故障影響,確保艦船電子裝備的正常工作。

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