平臺電子系統電磁兼容性設計

陳 捷，梁 賓

（中國電子科技集團電子科學研究院，北京 100041）

平臺電子系統電磁兼容性設計

陳 捷，梁 賓

（中國電子科技集團電子科學研究院，北京 100041）

介紹了運載平臺上加裝的復雜電子系統電磁兼容性設計的方法和內容，以貫徹GJB 1389A—2005系統電磁兼容性要求，并結合工程實踐介紹了系統安全裕度的測試內容和方法，對于未來開展平臺電子系統電磁兼容性設計具有參考意義。

系統電磁兼容性；EMC；安全裕度

電磁兼容性（EMC）是指設備、分系統、系統在共同的電磁環境中能執行各自功能的共存狀態。它包含2方面含義：1）在預定電磁環境中運行時，可按規定的安全裕度實現設計的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產生不可接收的降級；2）在預定電磁環境中正常工作且不會給環境或設備帶來不可接收的電磁干擾。

筆者對典型平臺電子系統電磁兼容性問題進行分析，對平臺的系統級EMC設計方法和內容進行了研究。

1 系統級EMC設計的背景

隨著現代軍事應用中電子對抗的需要，各型復雜電子裝備大量研制，其中電子設備組成龐大復雜，保證整個系統的正常運轉就必須很好地解決電磁兼容性問題。如美國的E－3預警機就是集大功率預警雷達、高靈敏度電子偵察設備于一體的，電磁環境極為復雜的平臺電子系統，系統的EMC問題處理不好會影響到任務執行能力甚至飛行安全。由此可見，能否解決電磁兼容性問題成為復雜電子系統實現正常工作的關鍵技術。

1．1 系統級EMC設計的必要性

國內外許多實例表明，對設備和分系統要求在實驗室環境進行了EMC測試，仍不能完全保證整個系統在運載平臺上的兼容工作能力。因此，在系統級進行相互干擾電磁兼容性設計和測試是必不可少的，其作用體現在以下幾個方面。

1）避免系統EMC的欠設計

由于運載平臺的局限性，不利于系統兼容的電磁干擾因素大大增加，系統內電磁環境十分惡劣。僅圍繞單臺設備自身設計很難掌握設備特性的設計重點，從而造成某些性能指標設計不足，最終帶來對系統整體的影響。

2）避免系統EMC的過設計

系統EMC設計和測試的目的是尋求一種低成本、高效率的方案，實現專用電子系統自身兼容以及與特定的工作環境實現兼容。根據分析系統的特定電磁環境預測和測試數據，適當剪裁對設備和分系統的EMC要求，從而避免由于電子設備在EMC過設計而帶來的成本增加和效率的降低。

3）系統電磁兼容性評估的依據

根據組成系統的電子設備、分系統間電磁干擾和抗擾性能的設計和測試驗證，為實現對復雜平臺電子系統綜合兼容工作能力的評估提供依據。

1．2 系統級EMC設計的復雜性

設備、分系統設計和測試要求都有較為明確的設計規范和測試要求、方法。系統級EMC設計比較復雜，其難度體現在以下幾點。

1）運載平臺電子系統組成復雜

運載平臺空間有限，電子設備種類、體制、性能多種多樣，無論從設計考慮的對象，還是測試內容和評估準則來看，都有很大的難度。

2）測試方法還沒有標準可循

對于系統級的EMC測試的設計還沒有適當的規范和標準可用。國軍標GJB 1389A—2005《系統電磁兼容性要求》僅提出要求，并沒有提出具體的測試方法。如何將這些要求應用于工程，還需要一個實踐的過程。

2 平臺電子系統電磁兼容性設計

工程實踐經驗表明，在系統方案論證階段可采用自頂向下方法對平臺電子系統的EMC進行設計。1）通過預測仿真、等效推算、模擬測試等手段預估系統可能存在的兼容問題，設計相應技術措施；2）安排相關測試對設計結果進行驗證，實現電子系統的兼容工作。

2．1 系統電磁兼容性預測仿真設計

2．1．1 系統用頻設計分析

對平臺電子系統組成的電子設備的用頻特性進行統計分析，包括工作頻率范圍、諧波特性、調頻模式、占空比及工作使用安排等頻域占用和時域分布特征。通過用頻統計，標注出設備用頻在頻域和時域上都有重疊的部分，作為進一步重點分析的對象。見表1、圖1。

表1 電臺頻域占用示意圖

2．1．2 系統天線布局設計分析

配套設備的天線布局是實現系統兼容工作的關鍵技術之一，主要通過軟件仿真和模擬布局測試進行分析。

1）空域覆蓋分析，通過仿真和測試避免運載平臺對天線方向圖的遮擋。遮擋嚴重需采取更改布局位置、增大天線增益、增加天線補盲等措施。

2）耦合度（隔離度）分析，通過仿真運載平臺和模擬測試，利用運載平臺遮擋、方向性天線等措施，提高發射設備到敏感設備路徑的衰減量，減輕設備間射頻干擾程度，為下一步兼容分析提供支撐。見圖2。

2．1．3 系統電磁兼容性設計分析

針對用頻設計分析中出現的在頻域和時域都有重疊的設備，利用功率、天線增益、耦合度等仿真分析結果，結合設備靈敏度、抗毀門限等特性，對設備間兼容工作情況進行預測分析，評估出存在的干擾風險，設計電磁濾波、搭接接地、涂覆材料等措施實現兼容狀態。

常用的電磁防護設計有設備和分系統電磁發射和敏感度控制、天線間干擾控制設計、線纜間干擾控制設計、電磁防護設計、搭接和接地設計、雷電防護設計、靜電防護設計、電源設計等方面。這些設計也是GJB 1389A—2005系統電磁兼容性要求中對系統EMC的要求。

2．2 系統電磁測試項目設計

結合國軍標的相應要求，系統應開展相應的電磁兼容性測試項目，以保證設計方案的貫徹。

2．2．1 系統電搭接和接地電阻

包括雷電搭接、天線搭接、安全接地。電搭接和接地的良好與否會引起平臺設備的電磁干擾、影響天線方向圖、靜電放電和雷電保護、人員和設備的安全。按照國軍標相關電搭接技術要求，測試各電子分系統的

圖1 電臺時域占用示意圖

圖2 天線耦合度仿真與測試比對示意圖

安裝設計是否符合要求。

2．2．2 平臺系統屏蔽效能

對機身殼體、平臺設備和工作艙依據進行測試，依據GB 12190《高性能屏蔽室屏蔽效能的測量方法》，選擇對相應平臺電子系統（雷達、通信等）各工作頻率進行測試。

2．2．3 系統電磁環境測試

檢查在系統諸多大功率發射設備全功率發射情況下，測試艙內電磁環境是否滿足GJB 5313《微波輻射暴露限制和測量方法》，測試飛機艙室電磁環境強度。

2．2．4 系統天線特性測試

1）天線性能測試

平臺天線與安裝位置、接地狀況、饋線性能等都有直接關系，主要測試指標有裝機后方向圖、增益、駐波系數和饋線插損。

2）天線耦合度測試

天線間耦合度（亦稱隔離度）是系統EMC測試的重要參數，與頻率、天線參數、空間位置和極化等緊密相關。直接影響輻射干擾、系統內兼容、系統間干擾、安全裕度等指標。其包含以下3個方面內容：①天線單元隔離度測量，信號源用單載波形式輸出；②天線系統（包括天線和饋電系統）隔離度測量，信號源為單載波形式輸出；③實際天線隔離度測量（包括實際天線和饋源系統及真實的發射機），此測試最具工程價值，被測天線系統接近真實，可作為兼容分析直接參數。

2．2．5 平臺電子系統設備間兼容性檢查測試

系統內相互作用檢查測試應使可能產生干擾的設備工作在最大功率和最易引起干擾的工作方式和頻率狀態，同時使可能受擾的設備以最敏感的方式工作，通過監視敏感設備和分系統的工作情況來判斷是否存在嚴重兼容故障。測試矩陣見表2。

表2 測試矩陣

2．2．6 系統關鍵設備安全裕度測試

系統電磁兼容性安全裕度是評定一個系統EMC的重要指標之一，反映了系統電磁兼容性的安全程度，系統關鍵點的環境電平低于比設備、分系統敏感門限值的程度。通常評定關鍵任務功能（如敵我識別應答機、應急通信電臺等）的安全裕度要求為6 d B，對電起爆裝置等危險設備的安全裕度要求為16．5 dB。

1）安全裕度定義

安全裕度是系統電磁兼容性要求中較為迷糊的一項要求，基于工程實踐筆者總結安全裕度包括以下3方面內容。

人員安全裕度：人員工作環境電磁輻射限值與工作環境總電磁輻射強度之間的差值；

設備安全裕度：定義為設備的抗毀電平與系統實測得到的干擾電平之間的差值；

任務安全裕度：定義為使系統執行機構不能正常工作的臨界靈敏度電平與系統實測干擾電平之間的差值。

三者的差別就在于敏感度判決的標準不一樣。

2）測試方法

原理上可用以下3種方法實現：①增加干擾源的功率；②增加干擾源和敏感區域的耦合程度；③增加敏感區域的靈敏度。

在實際工程應用中這3種方法都受到一定的限制（如天線位置固定、裝機設備指標固化、外場輻射功率電平受限等）。下面介紹一些經過實踐檢驗的工作性能安全裕度測量方法。

由于平臺電子設備繁多，系統間干擾關系錯綜復雜，利用統計和概率的方法，找出系統中干擾源的主要耦合途徑和一些關鍵點的干擾規律和強度，然后人為在系統中按同樣的規律施加（輻射或注入方法）一個強度大于6 d B的干擾信號，如設備工作正常、系統穩定，則認為系統滿足要求。反之，則應對薄弱環節加以改進。

這種方法對于評估和考核系統電磁兼容性行之有效，下面以工程中具體實例加以說明。

應急通信電臺工作在其技術規范規定的工作模式下，向應急通信電臺施加比平臺預期電磁環境綜合應力（具體電磁應力剖面由平臺綜合電磁環境測試中應急通信電臺天線端口感應電平獲得）高6 d B的背景干擾電平，應急通信電臺不應出現任何故障、性能降低或偏離規定的指標值，或單個設備和分系統指標容差超出技術規范或經確認的降級使用要求。測試框圖如圖3所示。

圖3 應急通信電臺安全裕度測試框圖

2．2．7 平臺電子系統電磁兼容性測試設計要求

下面匯集了開展系統EMC設計所需具備的一些要求，這些要求是建立在大量國防電子系統研制中獲得的經驗基礎上的。

1）系統特性資料完整（天線布局位置、頻率特性等）；

2）分系統具備自兼容性；

3）系統實裝天線或模擬天線位置的耦合度測試；

4）分系統和設備級的EMC測量結果；

5）分系統EMC要求及降級準則；

6）設備故障判據的定義；

7）設備重要性分級；

8）測試環境和設施要求：根據要求1）—要求7）確定測試的實驗邊界條件和任務剖面；

9）設計方案的評審，以確定設計內容全面、邊界條件正確。

3 結 語

高效適度的系統電磁兼容性設計，是保證機上人員安全、系統發揮最佳效能的基礎，而完成這一任務是通過一系列預測分析計算項目和測試項目來實現的。從平臺電子系統電磁兼容性要求出發，介紹了復雜平臺電子系統EMC設計的背景、項目內容、要求和典型安全裕度測試。

值得指出的是：系統EMC設計是一門復雜綜合學科，人們已經逐步認識到系統設計的重要性，通過系統設計，可以降低研制后期系統電磁兼容性問題出現的風險，減小研制成本，提高研制效率，也使我們有能力研制更為復雜的電子系統裝備。

［1］ GJB 1389A—2005，系統電磁兼容性要求［S］．

［2］ GJB 2079—1994，無線電系統間干擾的測量方法［S］．

［3］ 白同云，呂曉德．電磁兼容設計［M］．北京：北京郵電大學出版社，2001．

［4］ 王定華．趙家升．電磁兼容原理與設計［M］．成都：電子科技大學出版社，1995．

［5］ 凱 瑟．航空航天系統的電磁干擾控制［M］．北京：宇航出版社，1989．

［6］ 姚世全．電磁兼容標準實施指南［M］．北京：中國標準出版社，1999．

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1008－1542（2011）07－0009－05

2011－06－20；責任編輯：張士瑩

陳 捷（1979－），男，北京人，工程師，主要從事系統電磁兼容設計、仿真、測試技術方面的研究。