裝備的電磁兼容管理、設(shè)計與驗證經(jīng)驗

馬 謝， 沈冬遠， 王潤洪

（①西南通信研究所，四川 成都 610041；②某地區(qū)軍代室，四川 成都 610041）

0 引言

從事電子裝備設(shè)計的工程人員都知道，電磁兼容性是產(chǎn)品的重要性能，但是如何保證良好的電磁兼容性能卻讓人大傷腦筋，因其不但包含有設(shè)計中的原理及原則性問題，也有實際處理中的技巧和注意事項。許多經(jīng)驗和教訓(xùn)告訴我們，電磁兼容既是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是一個非常重視細節(jié)和階段性驗證的漸進過程[1]。所有寄希望于因為僅在項目之初做了系統(tǒng)設(shè)計或者想在最后關(guān)頭一攬子解決電磁兼容問題的想法都被證明是冒險和不負責(zé)任的。文中從電磁兼容管理、設(shè)計、驗證的經(jīng)驗出發(fā)，希望能給從事本專業(yè)的人員以借鑒和幫助。

1 電磁兼容管理

1.1 頂層規(guī)劃

在研制一個復(fù)雜設(shè)備或系統(tǒng)之前，應(yīng)首先根據(jù)研制對象的類別擇定電磁兼容性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，并綜合研制要求中對電磁兼容性能的具體要求，建立電磁兼容的指標(biāo)體系，從而引導(dǎo)所進行的電磁兼容設(shè)計全面，避免過設(shè)計和欠設(shè)計，確保電磁兼容性能的驗證能夠定量進行考核。

頂層規(guī)劃需要進行管理準(zhǔn)備和技術(shù)準(zhǔn)備。管理準(zhǔn)備包括為裝備各組成部分分配各項電磁兼容指標(biāo)，建立電磁兼容工作與其他設(shè)計工作間的協(xié)同機制，制訂電磁兼容性大綱和電磁兼容工作計劃等頂層文件，規(guī)范項目研制的程序，協(xié)調(diào)出現(xiàn)的責(zé)任問題，以保證不同專業(yè)方向交叉時出現(xiàn)的問題能夠及時得到反饋。技術(shù)準(zhǔn)備則是通過對系統(tǒng)、分系統(tǒng)、各部件和元器件的電磁特性進行分析預(yù)估，確定設(shè)計安全裕度和電磁干擾矩陣，規(guī)劃詳細電磁兼容設(shè)計的內(nèi)容，確立裝備研制過程中各階段的電磁兼容性能驗證方法。

隨著電磁兼容問題越來越被用戶重視，也在實際事例中暴露出不重視電磁兼容的嚴(yán)重后果，現(xiàn)在電磁兼容已經(jīng)被提到了很高的議事日程。大家也逐漸認識到其中的復(fù)雜性、系統(tǒng)性并開始重視頂層設(shè)計。電磁兼容管理、設(shè)計和驗證的關(guān)系如圖1所示。

圖1 電磁兼容管理、設(shè)計、驗證關(guān)系

可以看出，電磁兼容管理、設(shè)計到驗證的過程是一個循環(huán)提高的過程，頂層設(shè)計越充分，后期設(shè)計和驗證所走的彎路就越少。

1.2 確定工作流程

裝備的電磁兼容工作流程，需要結(jié)合本單位主要研制的產(chǎn)品的特點，針對系統(tǒng)裝備和單體設(shè)備分別建立工作流程，并在多個項目的設(shè)計過程中不斷地進行修正和補充。由于電磁兼容性的“木桶效應(yīng)”[2]十分突出，且與裝備其它性能間的相互影響力較強，因此，電磁兼容工作必須從系統(tǒng)項目的論證階段、從設(shè)備的部件設(shè)計階段就開始進行，而且必須同步地綜合考慮系統(tǒng)或設(shè)備的功能性設(shè)計和電磁兼容設(shè)計，將后者貫穿于方案論證、設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、使用和維護的各個階段。圖2是一種基礎(chǔ)的電磁兼容工作流程。

由于裝備的電磁兼容性能至關(guān)重要，且易受到其它功能、性能設(shè)計的影響，在研制過程中，電磁兼容工作必須貫穿全流程，在產(chǎn)品方案論證時應(yīng)進行電磁兼容規(guī)劃，在產(chǎn)品功能設(shè)計時應(yīng)進行電磁兼容性能預(yù)估和指標(biāo)分配，在進行產(chǎn)品其它性能設(shè)計（如安全性、環(huán)境適應(yīng)性、供配電性能、布線、工藝等）時應(yīng)充分考慮其對電磁兼容性能帶來的影響，而在進行產(chǎn)品功能和性能驗證時則應(yīng)階段性檢測電磁兼容性能。

通常所指的電磁兼容設(shè)計不僅僅是指設(shè)計，而涵蓋較多其它相關(guān)工作，包括電磁兼容分析、預(yù)估、仿真、設(shè)計、驗證、優(yōu)化等。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及系統(tǒng)信息化進程的加快，裝備的集成度日益提高，所處的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，電磁兼容不能夠再單純依靠經(jīng)驗和設(shè)計原則，而必須將之視為一個系統(tǒng)工程。依托科學(xué)的、先進的技術(shù)手段，有前瞻性的配置充足、合理的軟硬件條件，以“流程化、系統(tǒng)化、層次化、等級化”為建設(shè)原則，最終實現(xiàn)各階段電磁兼容設(shè)計和驗證測試的“可視、可控、可量化”。

圖2 電磁兼容工作流程

2 電磁兼容設(shè)計與驗證

2.1 設(shè)計內(nèi)容與流程

有關(guān)電磁兼容設(shè)計的相關(guān)書籍和文獻很多，基本原理和原則性的設(shè)計方法在此不再進行表述，僅提出一種電子裝備及系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計流程以供參考，如圖3所示。

圖3 電磁兼容設(shè)計流程

1）掌握設(shè)計輸入（包括具體電磁兼容性要求、物理模型、結(jié)構(gòu)布局、工作模式和參數(shù)指標(biāo)等）。

2）分析裝備的頻譜資源占用情況，初步確定干擾隱患。

3）對于系統(tǒng)裝備，細化分析整體運行時的任務(wù)時域剖面。

4）建立干擾源、傳遞途徑與敏感部位之間的關(guān)聯(lián)模型，得出各組成部分的干擾矩陣，確定各部分間的干擾途徑和互兼容程度。

5）進行基于電路的電磁仿真，確定裝備內(nèi)可能存在的干擾[3]，評估薄弱環(huán)節(jié)和需細化設(shè)計的部分。

6）根據(jù)上述頂層分析和仿真結(jié)果，對天線間耦合度和增益方向圖（對系統(tǒng)裝備而言）、結(jié)構(gòu)諧振頻率、線纜輻射、線纜間串?dāng)_、求解區(qū)域內(nèi)的電場和電流分布等進行三維電磁場仿真，通過仿真、評估、修改、優(yōu)化的循環(huán)得出合理的設(shè)計方案。

7）進行電磁干擾抑制設(shè)計（包括電源及信號的濾波設(shè)計、孔縫結(jié)構(gòu)的屏蔽設(shè)計[4]、線纜的屏蔽和布設(shè)方案設(shè)計等）。

8）綜合阻抗、趨膚效應(yīng)、抗氧化性能及工程實施進行接地與搭接設(shè)計。

2.2 設(shè)計過程中的測試

無論多么優(yōu)秀的電磁兼容設(shè)計人員，在試驗前總是惴惴不安的。拋開測試談設(shè)計只能是紙上談兵。為確保設(shè)計手段的有效性，準(zhǔn)確掌握裝備在各階段的電磁兼容性能狀態(tài)，必須在設(shè)計過程中融入測試，結(jié)合測試的數(shù)據(jù)及時對設(shè)計進行修正、優(yōu)化。

因此，完整的電磁兼容設(shè)計需要具備一定的測試環(huán)境，讓測試過程貫穿設(shè)計到驗證的全過程。其中包括 PCB級的檢測儀器（組件）、整機級的測試儀器、系統(tǒng)級的測試系統(tǒng)。目前國內(nèi)的電磁兼容設(shè)計大多還停留在“邊走邊看”的層次上，僅有的測試組件也未能發(fā)揮足夠的作用。從PCB板級檢測的儀器來看，絕大多數(shù)研發(fā)單位都擁有價格不菲的預(yù)兼容測試儀器，但因為多種原因預(yù)兼容測試的推動則較為緩慢[5]。究其根本大多是在電磁兼容管理工作做的不夠，電磁兼容工作流程不完善，頂層設(shè)計工作不充分。

2.3 測試結(jié)果的應(yīng)用

前面已經(jīng)提到，測試是電磁兼容設(shè)計的一部分，而不是簡單的最終判定。目前要作到保證設(shè)計一次成功的幾率非常小，至少在國內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)狀是如此。因為電磁兼容本身是一門實驗科學(xué)，偶然性很大。測試的目的既要驗證設(shè)計的思路是否正確，還要在此基礎(chǔ)上進行減冗設(shè)計，將性價比控制在最好的范圍內(nèi)。不管是軍用產(chǎn)品還是民用產(chǎn)品，在市場競爭的環(huán)境下，提高性能，降低成本是永遠的主題。

各階段的電磁兼容測試結(jié)果是十分寶貴的。應(yīng)該利用本身具備的條件，創(chuàng)建電磁兼容測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并盡可能地將設(shè)計中的技術(shù)手段進行驗證。為此，各階段的測試必須保留詳細的數(shù)據(jù)記錄，以裝備的電磁兼容原始測試記錄為基礎(chǔ)，結(jié)合各項電磁兼容驗證實驗的相關(guān)整改措施，對試驗記錄和整改措施進行分類、概括和分析。

依托測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫，對裝備電磁兼容地試驗數(shù)據(jù)和測試整改經(jīng)驗進行匯總、整理、分析，能夠有效避免由于設(shè)計人員流動導(dǎo)致的電磁兼容設(shè)計經(jīng)驗的流失，保留和傳承寶貴的電磁兼容設(shè)計資源。此外，設(shè)計人員可以借鑒數(shù)據(jù)庫中已有的電磁兼容設(shè)計方法和設(shè)計技巧，縮短設(shè)計時間，規(guī)避原則性錯誤，減少設(shè)計及生產(chǎn)成本。

3 結(jié)語

電磁兼容是一個不斷探索和發(fā)展的實驗科學(xué)，通過把握其內(nèi)在的規(guī)律，作好頂層設(shè)計，重視技術(shù)的應(yīng)用，強調(diào)測試與設(shè)計地融合，能使復(fù)雜的系統(tǒng)問題得以簡化，縮短裝備研制周期，得到更好的性價比。

[1]海濤,梁紹文.數(shù)字電話機電磁兼容設(shè)計[J].通信技術(shù),1998(04):67-70.

[2]白同云.電磁兼容設(shè)計[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001:113-119.

[3]陳南洋.外界電磁場對有線通信設(shè)備干擾的預(yù)警探測[J].信息安全與通信保密, 2007(02):44-46.

[4]王紅.電磁兼容在通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),1996(03):36-40.

[5]王珺吉,章立,汪松,等.電磁泄漏自動檢測系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)[J].信息安全與通信保密,2011(01):75-76,80.