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苏东林教授谈系统级电磁环境效应兼容性试验设计与评估技术


苏东林教授

一、为何系统级电磁环境效应试验设计很重要

首先说明电磁兼容性和电磁兼容性试验。电磁兼容性是基于对电磁发射的控制和电磁敏感的防护,实现军用装备的正常工作。通常电磁兼容性要求包括电磁发射要求和敏感要求,其中电磁发射应不超过极限值要求,电磁敏感应不低于极限值要求。电磁兼容问题非常复杂,混合了非常多的因素,即便是直流情况下,也有电场和磁场。随着系统复杂程度的增加,问题复杂性将呈指数形式上升。电磁发射和电磁敏感以场和波的形式存在于军用装备中,如同经络,所以随着系统复杂程度的增加,电磁兼容性问题的复杂性呈指数上升。一个产品的电磁兼容性是否达到要求,将通过测试进行验证。电磁兼容的问题和散射问题、隐身问题、天线问题的最大区别是它是近场和准近场问题,电磁兼容性试验是一种近场和准近场测试,测试传感器主要为探头和天线。如图是典型的电磁兼容性测试屏蔽室。


系统级是相对设备而言。我们知道设备电磁兼容性测试中被试品是单一设备或分系统,其设备构成、线缆数量、耦合关系相对简单。而系统级则包括了单实体系统和多实体系统,也包括无人机系统这类分布在地面和空中的系统。系统级层面电磁兼容性试验还需面对相对设备级复杂得多的线缆测试问题。更进一步,系统级电磁兼容性试验还要考虑对使用环境的适应性,包括舰面环境和编队环境等。为什么系统级电磁兼容性试验要考虑舰面适应性和编队及战场电磁环境适应性呢?因为研制总要求对装备提出的功能性能要求是适用于装备使用工况,所以对有舰载和编队使用要求的装备,在系统级电磁兼容性试验中应考核此性能。不言而喻,如此复杂的试验,必须进行周密的设计。那么系统级电磁兼容性与战场电磁环境适应性之间是什么关系呢?为此下面介绍电磁兼容性相关基本概念。尤其是说明电磁发射和电磁敏感是被试品的固有属性。并因此电磁环境适应性、电磁环境效应、电磁兼容性、电磁干扰之间的五大关系。

二、与系统级电磁兼容性相关的基本概念

系统级电磁兼容性GJB 72A中定义为:执行或保障某项工作任务的若干设备、分系统、专职人员及技术的组合。一个完整的系统除包括有关的设施、设备、分系统、器材和辅助设备外,还包括操作人员。GJB 1389是对系统级电磁兼容性的要求,而GJB 1389源自美军标的MIL-STD 464,即系统级电磁环境效应要求。2002年美军颁布的系统级电磁环境效应要求GJB1389A中,共有14项相关要求,包括我们熟知的系统内电磁兼容性(即自兼容)要求,和设备分系统电磁发射和电磁敏感要求。综上所述,严格讲要求就是要求(第一大关系:系统级电磁兼容性系统级电磁环境效应的关系),除常规的设备分系统电磁发射和电磁敏感要求、系统内自兼容要求外,还包括战场电磁环境效应要求,如友方和敌方射频电磁环境效应要求,甚至包括威胁毁伤环境效应要求,如电磁脉冲效应要求等;防信息泄漏要求防止被过早发现的电磁发射控制要求频谱兼容要求等。2010年,美军标又将MIL-STD 464更新为C版,其中有两项变化值得关注,一是增加了高功率微波效应要求;二是将频谱兼容升级为电磁频谱支持要求。


   

这张图反映了电磁环境效应的发展沿革:从以地面作战为主的常规电磁频谱管理,发展到以全球作战为目的、考虑雷电和电磁脉冲等效应的初期电磁环境效应,到将电磁作为具有杀伤力武器,考虑射频辐射对军械、燃油、人员伤害,以及对电磁易损性和电子战进行充分防护的新电磁环境效应。可以看出,电磁环境效应已成为制电磁权的重要手段。

那么电磁环境效应电磁环境适应性之间是什么关系呢(第二大关系:系统级电磁环境效应与电磁环境适应性的关系)?美军标将电磁环境效应、频谱支持作为装备对自然环境和非对抗战场敌我电磁环境适应能力,视其为生存的前提和作战的基础。将对抗作为装备对电子对抗环境适应的能力,视其电子攻防的手段。我认为,电磁环境适应性应由两部分组成:一是自然环境和非对抗战场敌我电磁环境适应性,这是装备生存前提和作战基础;二是电子对抗环境适应性,这是电子攻防手段。如下图所示:


我认为,电磁环境效应和电磁频谱支持确保装备具有“强健的体魄”,电子/光电对抗等使装备具有“过人的技能”。可以用如下比喻说明两者的相互支撑作用:当AB两人对抗博弈时,如果A具有强健的体魄,B相对A十分弱小,则AB博弈时强健的A将具有明显的优势,但如果弱小的B具有A不具备的的过人技能,B也可以取胜。但是,如果A既有强健的体魄又有过人的技能,即便B由过人的技能,AB的博弈中,A将具有更大的优势。

随着GJB 8848-2015国军标的颁布,GJB 1389A的试验考核将逐步实施。这里有必要分析GJB 1389A15项要求电磁环境效应中的内涵以及相互之间的关系。经过长期的研究,我认为可以将GJB 1389A中的15项要求分为五大类:1)自兼容要求;2)抗预期电磁环境干扰要求;3)适应自然环境要求;4)实战及毁伤环境要求;5)实战能力和持续实战能力要求。下面依次进行分析:

1、对于集侦察、探测、通信、导航、干扰、打击于一体的信息化装备,首先由于高灵敏度接收设备、大功率发射设备共处同一平台,其自身的电磁干扰特性和电磁兼容性要求是面临的首要问题,分别对应GJB 1389A-2005中设备分系统级EMI和系统内EMC两项要求;

2、其次,由于侦察、探测、通信、导航设备均要求应在预期电磁环境下具备侦察、探测、通信、导航战技术指标要求的功能性能,因此其抗预期电磁环境干扰的能力是第二个需要面对的问题,分别对应GJB 1389A-2005安全裕度、外部射频电磁环境、电磁辐射危害三项要求;

3、第三,作为直接暴露在实际环境中的装备,应对雷电、静电等自然环境是不可忽视的问题,分别对应GJB 1389A-2005雷电、电搭接、外部接地、静电电荷控制等四项要求;

4、第四,作为以军事应用为主要用途的装备,确保对抗环境下的生存力是装备具备实战能力的关键,分别对应GJB 1389A-2005电磁脉冲、防信息泄漏、发射控制、高功率微波四项要求

5、第五,对于具备实战能力和持续实战能力的装备,GJB 1389A-2005中进一步提出了全寿命期电磁环境效应控制和电磁频谱支持要求,其目的是控制使用区域中电子设备的电磁发射即对电磁频谱的非正常占用,确保有更多的电磁频谱资源可以被主动调控。

我们认真的分析了美军标为什么认为通过这15项电磁环境效应试验就可以达到战场电磁环境适应性,结论是从装备效应出发。通过对战场电磁环境的特征进行研究,战场电磁环境是可以分为这15个基本的要素,而且这种分解是从物理属性上的分解,无论是发射信号,还是接收信号,都是可标定、可重复的,我们得到这个结论,是基于我们对151461的研究。不论是美军标461还是国军标151,都是希望实现设备分系统的电磁兼容性,但两类标准中都是从物理属性上对电磁发射和电磁敏感即EMI提出了限值要求。并且是从物理属性上对被试品进行考核,不论是施加的信号还是检测的信号,都强调具有可标定、可重复性。

下面对设备分系统EMI和系统内电磁兼容性的关系进行分析。不知大家是否注意到,在GJB1389A中,对系统内提出的是电磁兼容性要求,对分系统设备提出的是电磁干扰要求。这就需要了解什么是EMIEMC第三大关系:电磁干扰与电磁兼容性的关系)

电磁干扰包括电磁发射和电磁敏感两方面,是产品的固有属性;在电磁敏感性中存在一个子集叫电磁易损性。电磁干扰和电磁易损性均与产品的电气设计原理(电路设计中激励源特性、非线性模块特性、电路板布局及板上各部分之间的阻抗匹配特性等)、结构、布局、工艺、加载条件等相关。电磁兼容性是基于自兼容的目标对电磁干扰提出了极限值要求,只有满足限值要求,才可以说是具有电磁兼容性的。电磁易损性特指可导致严重故障、性能下降、人员或产品受到安全威胁等的电磁敏感性。电磁易损性也是产品的固有属性。与敏感性检测一样,采用扫频的方法存在漏检的风险,对于易损性而言,漏检意味着严重的隐患。如图就是电磁干扰和电磁兼容性。


为了实现设备分系统的电磁兼容性,国军标对每项电磁发射和电磁敏感测试都提出了限值要求。但请注意,定型试验采用的方法是检测EMI特性的方法,所检测出的电磁发射和电磁敏感特性,是与被试品设计原理、工艺、布局、结构对应的特性。所以,对于军标提出的限值要求,只有通过设计,并将设计落实到原理、工艺、布局、结构中,才有可能满足限值要求。

下面我们回答GJB 1389A-2005中为何对系统提出EMC要求,对设备分系统提出EMI要求。由于GJB 1389A是从系统级层面提出电磁兼容性要求,因此需以充分掌握组成系统的各分系统和设备的电磁发射及电磁敏感特性为基础,才能优化得到系统内的电磁兼容性。就像班长在掌握了全班成员的特性后,才能使全班成为一个团结且有战斗力的群体一样。我们称之为电磁兼容性属性构成关系。这种“属性构成关系”同样可以向下推广到分系统、设备、电路板、器件等,向上扩展到系统间、系统与环境间。即基于本层级构成单元的基本属性,优化本层级的性能。接着说明电磁频谱支持。电磁频谱支持指不同产品之间能够有效使用特定的频率和带宽,以确保在预期电磁环境中具备协同工作和发挥应有效能的能力。与电磁频谱管理不同的是,电磁频谱支持采用主动协同技术。这也充分说明了第四大关系:系统级电磁兼容性与战场电磁环境适应性的关系。

综上,电磁干扰和电磁环境效应是装备的固有属性,电磁兼容性和电磁环境适应性是对装备提出了限值要求,通过测试可以检测出装备的电磁干扰和电磁环境效应,但必须通过设计方能使被试品满足极限值要求。

三、系统级电磁兼容性试验设计要点

首先,既然GJB 151、GJB 1389测试得到的是电磁干扰(EMI)和电磁环境效应(E3),电磁兼容性(EMC)和电磁环境适应性(EMA)只能通过设计实现,因此试验设计的第一个要点就是要以系统、分系统、设备设计过程为基础。其次,由于GJB 1389A系统内电磁兼容性以组成系统的各分系统和设备的电磁发射及电磁敏感特性为基础,所以试验设计的第二个要点就是要以设备分系统电磁发射和电磁敏感测试结果为基础。第三,由于现在装备的形态已发展为多实体和地面空中协同;第四,并要适应舰面电磁环境以及编队及战场电磁环境,所以试验设计的第三、四个要点就是要以装备工况和功能性能为基础,以实际使用电磁环境为基础。

1、以系统、分系统/设备设计过程为基础


上图给出了系统、分系统和设备设计研制过程中与电磁兼容性相关工作,包括研制总要求、系统级设计和设备分系统级设计。以设计过程为基础,就是要全面梳理研制过程中与所有故障现象、故障归零情况,并作为试验验证的重点内容之一,写入试验大纲,并将与故障现象对应的功能性能作为敏感判据。

2、设备电磁发射和电磁敏感测试结果为基础

如果对设备分系统提出的电磁发射和电磁敏感限值要求直接来自GJB151,且仅对设备单项试验是否满足极限值进行评估,却未将功能性能作为判据、未将平台是否正常工作作为判据,就会存在设备电磁兼容性与系统级电磁兼容性和系统级工况脱节的隐患。要想解决这个问题,建议首先要树立梳理系统内各设备间干扰关联关系,建立干扰关联矩阵。例如对军用飞机,将与高灵敏接收设备有关联关系的所有设备(与高灵敏度接收设备同时工作、频段可能相互覆盖)的RE102综合比对,评估是否超出接收设备抗干扰容限。将与计算机类设备有关联关系的数据线缆屏蔽、搭接、端接阻抗等与CS114综合比对,评估是否引发故障。

这里需要提醒一点,在对设备分系统提出电磁兼容性要求时,应针对具体需求提出针对性的极限值要求,如果直接采用GJB151中的极限值,虽然具有合理性,但由于该机限制是通用要求,我们认为它理解为类似在电路设计中对端口匹配阻抗的要求为50欧姆一样,虽然合理,但并不是最优要求。

综上所述,设备分系统级电磁兼容性试验结果应是系统级电磁兼容性试验大纲制定的重要依据之一

3、装备工况和功能性能为基础

因为研制总要求对装备提出的功能性能要求是适用于装备使用工况,所以系统级电磁兼容性试验中以装备的公开和功能性能为基础何为装备的工况和功能性能呢?例如,机载导弹与机载超短波电台同时工作,系统级电磁兼容性试验中应将导弹工况与机载超短波电台工况的兼容性作为考核项。又如,保障信息互联互通的机载数据链与机载大功率发射机同时工作,系统级电磁兼容性试验中应将大功率发射时数据链通信距离及误码率作为敏感判据。

4、以实际使用电磁环境为基础

作战区域的常态电磁环境、舰面不同设备工作时的电磁环境、不同装备编队使用时面临的电磁环境,都可能引发装备受到干扰。为此应按照研制总要求明确提出的该装备实际使用环境,采集环境数据,并将实际使用环境中的电磁环境数据与标准要求的信号共同作为敏感性试验中的输入信号(或注入信号)考核装备适应实际电磁环境的能力,实际电磁环境应在大量实际采集数据基础上进行统计处理后给出。应考虑不同设备(器件)对所处环境中不同性质信号的不同敏感响应,如对能量敏感的响应、对瞬态激励敏感的响应等,应依据设备的响应特征采取不同的测试设备及测试方法采集电磁环境数据。

下面以具体实例来说明系统级电磁兼容性试验设计。通常需进行设计的试验应包括科研阶段摸底试验和设计定型试验。

实例1:研制全过程电磁兼容性科研摸底试验的设计。如下图所示,科研摸底试验应涵盖从芯片到电路板、到设备级、分系统级、系统级和多系统级。


电磁兼容性科研试验应从芯片开始,且设备级和分系统级的试验内容丰富。电磁易损性试验是各个环节都严重关切的试验。这一点与2016年新颁布的美军标MIL-STD-461G十分吻合。MIL-STD-461G中还将将原来只在系统级中才要求的雷电试验,下沉到设备分系统要求中,并提出了静电要求。关于设备级电磁兼容性试验,还应特别关注我国新颁布的151BCE107CS102CS106三项试验内容。

实例2:某武器系统的系统级电磁环境效应试验设计。将该武器系统的全任务过程分解为探测-发射-测控-打击-评估,全信息链路分解为雷达、导引头、指令线、指控通信、引信。抽象地说,将整个链路分解为若干单元,对每个单元的电磁环境效应进行测试,对各单元的集成关系进行构建。根据研制总要求中要求的各种想定,在内场构建链路组成环境,实施遍历性试验,并在外场对内场获取的典型剖面进行验证。

实例3:无人机系统的系统级电磁环境效应试验设计。由于该试验涉及地面和空中的超视距射频问题,所以试验设计要点主要包括如下4个方面:定位敏感体:此处为无人机;确保超视距工况;真实传播模型;分析空间存在的干扰。试验设计时需考虑:1)多个实体中谁应放置在标准测试场地上,原因是什么?2)如何设置测控站-卫星-飞机的试验链路上信号衰减,否则无法客观测出无人机系统的电磁环境效应?3)如何阻断无人机与测控站间的耦合效应,否则试验不真实?4)如何构建无人机工作区域的电磁环境?

四、系统级电磁兼容性试验评估重点及难点

前面提到的系统级电磁兼容性试验设计的4个要点,在一定层面上决定了我们的试验评估方法应关注的问题即重点和难点。首先针对系统、分系统/设备设计过程检查,通过相互干扰检查试验以及敏感性试验,检测设计过程中出现的问题是否有效解决,评估归零方案对功能性能是否带来新的影响,评估在系统级实际工作环境下的归零方案的稳健性;对于难以实施试验的设计方案,如何实施验证评估(如全机雷电设计、全机搭接设计等)。

接着针对设备/分系统电磁发射和电磁敏感测试结果分析,解析GJB 151规定的设备分系统级试验方法的适用性;梳理设备分系统级电磁兼容性试验中出现的问题。

1、GJB 151设备分系统级试验方法存在以下几个问题:1)电磁敏感性后门试验。实际测试难以在空域、频域、时域全覆盖;军标要求RS103测试7851频点(@40GHz)、6254频点(@18GHz),CS114测试2183频点       (@10kHz-400MHz)。敏感性是否得到全部排查,军用飞机是否存在未知薄弱环节。2)电磁敏感性前门接收天线。设备、分系统级辐射敏感度试验不含接收天线,实际使用时含接收天线;CS103CS104CS105试验虽考核了接收机的交互调等,却未考核通过天线进入到接收机带内的干扰。从天线进入到接收机带内导致的敏感性问题是否被有效排查,是否存在未知薄弱环节。3)电磁易损性是否被有效排查。单频点测试无法有效排查易损点,对于单频点、模拟信号形式,在充斥各种制式信号电磁环境,通过了电磁兼容性测试的系统,而在实际工作中还会出现敏感现象。4GJB/GB规定的线缆敏感性测试信号太理想。根据NASA给出的数据60%电磁兼容性问题都与线缆有关,GJB 151线缆敏感性相关试验非常理想不能满足实际射频系统工作时的线缆状态,导致许多实际装备在运行过程中出现的电磁干扰问题,无法在地面电磁兼容性试验中被检测。为解决此问题,北航电磁兼容技术研究所自主研制了多频电磁传导敏感性测试设备,已在实际装备电磁干扰问题检测中发挥了重要作用,实施效果显著。

2、梳理设备分系统级电磁兼容性试验中出现的问题。数十个型号单项试验合格率的统计显示,电磁发射不合格率最高,达到49%,而大量设备超标,使全频段噪底抬升。那么什么是导致设备电磁发生超标的主要原因呢?我们认为一是设计是否落实到设备的原理、工艺、结构、布局等,二是研制过程是否有效遵循设计方案。现有电磁兼容性国军标GJB 1389A和GJB 151B均未对研制过程提出控制要求,从目前的现状一般可以认为目前这两个标准主要是在试验测试时发挥了重要作用。对研制过程提出控制要求的国军标是GJB/Z 17《军用装备电磁兼容管理指南》,但该标准定性要求要求多,定量要求少。为了有效控制研制过程产品的电磁兼容性质量,我国新颁布了GJB/Z 170-2013《军工产品设计定型文件编制要求》,其中第14部分为电磁兼容性评估报告。该标准从出口(设计定型)倒逼研制过程,旨在控制和规范研制过程的电磁兼容工作程序和工作内容。该标准是在长期分析我国装备研制实际情况的基础上编制的,其中制定了装备研制各阶段电磁兼容性的详实评估要求。该标准中涵盖了方案阶段的要求制定、指标分解和设计建模,工程研制阶段包括对系统级的8项评估要求和对设备/分系统级的7项评估要求;设计定型阶段,对试验中问题的说明、原因的分析和改进性设计等。这里还特别想介绍一下北航电磁兼容研究所提出的电磁干扰源准确定位技术。通常在产品后期出现电磁发射超标和电磁敏感问题,往往定位干扰源、排查耦合通道、剖析敏感机理、消除干扰问题十分困难,为此北航电磁兼容技术研究所在七年研究实践基础上,形成了一套与平台工况结合、从平台层面测试数据入手、分析发射特征如基频重频带宽等、筛查主要干扰设备、在设备层面比较能量超差、将筛查出的主要干扰设备按干扰强弱排序等系统性技术方法和手段(含设备),为以较小的代价快速解决电磁干扰问题探索了新的途径。该方法的基本思路已写在由国防工业出版社出版的《系统级电磁兼容性量化设计理论与方法》专著中。下图为该方法在某无人装备电磁兼容性伴随式检测试验中的应用实例。


3、针对装备工况和功能性能测试,电磁兼容性试验需干净电磁环境,所以通常在屏蔽室内进行。但屏蔽室内无法实施系统级动态测试,因此需要解决:1)外场因环境噪声与被试品电磁发射混为一体,影响测试数据的客观性;2)测试系统自身电磁发射与被试品电磁发射混为一体,影响测试数据客观性。目前我国已自主建成了开阔场-系统级电磁兼容性测试系统,可以完成大型装备(包括多实体装备)系统级动态电磁兼容性试验。经第三方检测,该开阔场-系统级电磁兼容性测试系统自身电磁噪声极低,可以消除开阔场中缓变电磁干扰,具备了外场辐射发射测试能力。

4、针对实际使用电磁环境试验,地面空中系统、编队战场环境中需要多种技术的结合,包括电磁环境采集技术、数据处理技术、模拟构建技术等。

五、结束语

最后对本报告进行总结:首先系统级电磁环境效应试验设计很重要,电磁发射、电磁敏感及电磁环境效应是固有属性,电磁兼容性和电磁环境适应性是设计出来的,系统级电磁环境效应试验设计要充分考虑四大关系:电磁兼容性与战场电磁环境适应性的关系,设备分系统电磁干扰特性与系统内电磁兼容性的关系,系统级电磁兼容性与系统级电磁环境效应的关系,系统级电磁环境效应与系统级电磁环境适应性之间的关系。