發(fā)射裝置電磁兼容性設計與評估方法探討

肖守邦，趙月琴

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009）

0 引言

當今世界，由于軍事領域電磁能源的應用日趨廣泛，以及電子技術日益向高頻率、高速度和高靈敏度的方向發(fā)展，使得空天戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復雜。如何消除復雜電磁環(huán)境對武器效能發(fā)揮的不良影響，成為各國軍工領域研究的熱點。在此，首先，闡述復雜電磁環(huán)境的特點，然后，分析某型機載導彈發(fā)射裝置電磁兼容設計的不足之處及評估方法的缺陷，旨在為發(fā)射裝置的電磁兼容性評估確定方法，從而保證其在復雜電磁環(huán)境中的效能發(fā)揮。

1 復雜電磁環(huán)境的特征及影響

1.1 復雜電磁環(huán)境特征

電磁環(huán)境通常是指存在于特定場所電磁現象的總和。復雜電磁環(huán)境，主要特征可以概括為“空域”上縱橫交錯、“時域”上持續(xù)不斷、“頻域”上密集重疊和“能域”上復雜多變。構成復雜電磁環(huán)境的因素主要包括：

a.敵、我雙方的電子對抗。

b.各種武器裝備所釋放的高密度、高強度和多頻譜的電磁波。

c.民用電磁設備的輻射和自然界的電磁波。

現代信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場電磁環(huán)境空前復雜。整個戰(zhàn)場空間中，電磁輻射重疊交叉、劇烈動蕩、反復持續(xù)、復雜多變。據統(tǒng)計，在1 000km2以內，每個頻段的發(fā)射源數目分別為：0～500MHz范圍內485個，8～40GHz范圍內40～50個，500～2 000 MHz范圍內6個。而一個航母戰(zhàn)斗群至少裝備有200部不同類型的雷達。

1.2 復雜電磁環(huán)境對武器效能發(fā)揮的影響

信息化戰(zhàn)爭是在復雜多變的電磁環(huán)境中進行的，戰(zhàn)場的電磁環(huán)境效應直接影響著武器裝備戰(zhàn)斗效能的發(fā)揮，決定著戰(zhàn)場的生存能力［1］。從作用機理上看，復雜的電磁環(huán)境主要通過4個方面影響武器裝備的戰(zhàn)術、技術性能：

a.熱效應。例如，靜電放電和高功率電磁脈沖產生的熱效應可以使武器裝備中的微電子器件、電磁敏感電路過熱，造成局部熱損傷，導致電路性能失效，甚至可以作為點火源和引爆源，瞬時引起易燃、易爆氣體燃燒爆炸。

b.強電場效應。電磁輻射源形成的強電場不僅可以致使武器裝備的電路失效，而且可能對武器裝備的自檢儀器和敏感器件的工作可靠性造成影響。

c.射頻干擾和“浪涌”效應。電磁輻射引起的射頻干擾，可對信息化設備造成電噪聲、電磁干擾，使其產生誤動作或功能失效。強電磁脈沖及其“浪涌”效應，還會對武器裝備造成硬損傷。

d.磁效應。電磁脈沖引起的強電流可以產生強磁場，使電磁能量直接耦合到武器系統(tǒng)內部，干擾電子設備的正常工作。

2 某發(fā)射裝置電磁兼容設計現狀

2.1 某型發(fā)射裝置

某型發(fā)射裝置掛裝于飛機武器艙內，用于內埋掛裝空空導彈，完成導彈的帶彈起飛、著陸、運載和發(fā)射。發(fā)射裝置中的電子部件通過與載機進行信息交聯(lián)，實現對發(fā)射裝置的機構運動控制和狀態(tài)參數的采集及上傳。

根據載機技術協(xié)議要求，該發(fā)射裝置應滿足的電磁 兼 容 性 項 目 包 括 CE102，CS101，CS114，CS115，CS116，RE102，RS103。

2.2 某型發(fā)射裝置電磁兼容設計現狀

某型發(fā)射裝置由于受到安裝空間和重量限制，其電子部件集中布置在有限空間內，由于大量采用微處理器和數字電路，器件數量多、種類多、密度高，輸入輸出接口多，互聯(lián)電纜多，內部電磁環(huán)境較為復雜。掛裝飛機后，發(fā)射裝置周邊布置了大量的通信設備和各種傳感器，存在各種電磁干擾。在實戰(zhàn)中，發(fā)射裝置要承受敵我雙方各類雷達的近距離直接照射及敵方有針對性的主動高強度電子干擾，電磁環(huán)境尤為惡劣。

為滿足載機電磁兼容性要求，發(fā)射裝置在設計中采用了一系列措施，特別注重了電源的設計、接地的設計和濾波磁珠、磁環(huán)的應用。主要包括：

a.電源輸入端利用電源濾波器消除電源線傳導發(fā)射。

b.電路板電源輸入和輸出加裝濾波電容和多孔磁珠，增加濾波的帶寬。

c.信號的輸出、輸入采用濾波磁珠。

d.電子部件結構上采用導電化處理，縫隙使用彈片加強搭接，降低搭接阻抗，保證印制板可靠接地，降低對外干擾。

e.電源線采用屏蔽線，總線信號線采用雙絞線，減小總線信號傳輸干擾。

f.采用濾波電連接器，并對連接器尾端及電纜采取360°屏蔽。

3 發(fā)射裝置電磁兼容評估方法的不足

按主機要求，在設計階段需對發(fā)射裝置進行電磁兼容評估，評估的依據是 GJB151A－97／152A－97［2］。但是，在實驗室按標準對某內埋發(fā)射裝置進行電磁兼容評估時，卻存在以下不足：

a.評估依據不明確。根據GJB151A－97，機載空空導彈發(fā)射裝置進行RE102項目的評估時，應按標準選擇空軍內部限制線或空軍外部限制線作為評估依據，兩者針對被測產品位置的差異在不同的頻段有不同的要求。傳統(tǒng)的機載空空導彈發(fā)射裝置都是懸掛在機翼下方或者翼尖，在進行RE102測試時應選擇“空軍飛機外部限制線”作為評估標準。某內埋發(fā)射裝置從結構層面劃分，屬于載機機艙內部設備，但其執(zhí)行發(fā)射任務時需伸出機艙外部執(zhí)行關鍵動作，動作執(zhí)行完畢后又需要可靠地收回機艙內部。可見，隨著任務時序的變化，該發(fā)射裝置工作的電磁環(huán)境既包括飛機武器艙內的電磁環(huán)境，又包括武器艙外的空間綜合電磁環(huán)境。因此，標準中單一的極限曲線無法全面考核發(fā)射裝置。

b.評估邊界不確定。現代戰(zhàn)機中干擾源與敏感設備是相對的。相對雷達而言，發(fā)射裝置是敏感設備，但相對機載電臺而言，發(fā)射裝置卻是干擾源。在實戰(zhàn)條件下，己方大量干擾和敏感設備密集使用，或干擾源與敏感設備距離太近，均可能會使部分敏感設備因邊界效應導致工作受到干擾［3］。

該內埋發(fā)射裝置由于在設計中充分考慮了電磁兼容性，采取了各種措施來提高其自身抗干擾能力并降低其對外輻射，增強了其在電磁兼容考核中的“戰(zhàn)斗力”。按目前評估方法，如果發(fā)射裝置通過了所有的電磁兼容試驗項目，則應認為其電磁兼容滿足要求。但是，發(fā)射裝置掛裝于載機內部，周邊布置了大量的通信設備和各種傳感器，根據邊界效應及以往經驗，即使單機考核合格，在與其他設備同時工作時也可能出現問題：或自身受到干擾，或干擾其他設備。

c.評估手段不真實。按目前軍標，發(fā)射裝置進行電磁兼容測量時，所施加的各個單項應力一般都能達到甚至超過戰(zhàn)場電磁應力條件。但在測量時，由于各測量項目考核的側重點不同，因此，電磁敏感度應力的施加是單一性的，而且同一時間其施加的頻譜也是單一頻點的，最終的測量結果是在這種施加單一電磁應力條件下得出。以RE102項目為例，測試時根據頻率的不同，選擇了不同的接收天線進行分時測量，如圖1所示。實際上發(fā)射裝置在工作時，可能在同一時間多個不同的頻點均有輻射發(fā)射。這就意味著在該條件下測量合格的產品，一旦工作在多應力條件下可能會出現異常，除非所施加的應力各自獨立、互不影響。但在戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下，機載設備需同時承受來自敵我雙方的各種電磁應力的多途徑、寬頻譜疊加干擾，多種電磁信號密集、交疊，勢必會相互影響。可見，這種實驗室單一應力的電磁兼容評價手段無法模擬戰(zhàn)場復雜的電磁環(huán)境。

圖1 電磁兼容試驗場地

4 電磁兼容評估方法改進

4.1 量體裁衣，核定依據

鑒于發(fā)射裝置工作環(huán)境復雜，在評估其電磁兼容性能時，需綜合分析發(fā)射裝置使用的電磁環(huán)境，充分考慮以下幾個方面因素：

a.功能特性分析。針對發(fā)射裝置在實現特定功能時可能遭遇的電磁干擾類型和強度，以及在該干擾下可能出現的故障模式，如電磁干擾引起的繼電器誤動作，或電場輻射引起的電路失效，然后在測試時有針對性地進行測試，確保發(fā)射裝置在各種正常工作狀態(tài)下均能滿足測量標準要求。

b.未來電磁環(huán)境變化分析。確定發(fā)射裝置周邊電磁環(huán)境時，應同時考慮隨著技術的發(fā)展或空間環(huán)境甚至太空環(huán)境的影響，發(fā)射裝置在使用壽命周期內，未來可能面臨的電磁環(huán)境將日趨復雜。因此，現階段的考核試驗應充分考慮到電磁環(huán)境的變化趨勢，必要時應加嚴考核。

c.環(huán)境電平分析。傳統(tǒng)的電磁兼容考核中僅用場強值或功率密度來描述電磁環(huán)境，而實際上還存在許多影響電磁環(huán)境的參數，如脈沖重復頻率和寬度、頻譜扭蓋范圍、天線極化、天線主瓣和副瓣方向等。因此，在確定評估依據時，應充分考慮到電磁環(huán)境中可能存在的最惡劣的參數，以及設備最敏感的工作狀態(tài)，從而保證發(fā)射裝置在最不利的工作狀態(tài)下滿足實戰(zhàn)要求。

4.2 統(tǒng)籌全局，確定邊界

單獨進行電磁發(fā)射測試和電磁敏感度測試都合格的產品，協(xié)同工作時，卻可能因邊界效應，導致敏感設備承受的干擾超過其抗擾度限值，此時，干擾還是不可避免的。在以往的型號研制中，出現過電磁兼容考核合格的發(fā)射裝置，裝機后卻干擾了載機通訊電臺的案例。

為避免這種情況再次出現，應對各機載設備，尤其是載機武器艙內的相關設備，進行干擾承受能力評價，從而確定其相應的邊界條件。綜合考慮各設備與大功率干擾源之間在時域、空域或頻域的間距，對進入邊界條件的設備應通過系統(tǒng)級的管理措施來協(xié)調，降低干擾發(fā)生的幾率甚至避免干擾的發(fā)生，從而有效保障各機載設備運行的可靠性。

4.3 精益求精，貼近實戰(zhàn)

由于測量儀器和設備能力的限制，在當前的電磁兼容實驗室的實際條件下，要想全面模擬戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境，并對發(fā)射裝置進行評價是難以實現的。實驗室測量合格的產品，其實際性能還要靠多平臺的協(xié)同工作、大規(guī)模軍事演習甚至實戰(zhàn)來評價。因此，建議通過以下手段提高評估結果的可信性：

a.實驗室綜合評估。實驗室進行雙電磁應力或多電磁應力的綜合施加，然后與單應力獨立施加的結果進行比較，以此來評價、研究多應力對發(fā)射裝置的影響，通過這種方式來評估單一電磁應力條件下的測量結果在復雜電磁環(huán)境下的有效性。同時，也可通過對單一電磁應力與多電磁應力的結果對比分析，對單一電磁應力施加電平進行修正，以修正后的單一電磁應力來模擬多電磁應力施加效果［1］。

b.實測載機電磁環(huán)境。在實驗室評估的基礎上，還需對載機進行整機電磁兼容測試，以取得其電磁環(huán)境相關參數。對所有參數進行分析、整理和修正后，對發(fā)射裝置電磁兼容試驗的應力參數進行適當調整。

c.演習評估。通過大型復雜電磁環(huán)境下的軍事演習，對戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境的電磁應力參數進行廣泛的測量、采集和評估，建立類似美國的武器裝備電磁脈沖效應試驗數據庫，從而獲得發(fā)射裝置（也包括其他機載設備）在復雜電磁環(huán)境中的真實應力情況。在深入研究的基礎上，通過對單一電磁應力參數的調整和多應力的復雜電磁環(huán)境的仿真，來評價發(fā)射裝置在復雜電磁環(huán)境中的電磁兼容性。

5 結束語

在綜合研究戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境對武器效能影響的基礎上，根據某型發(fā)射裝置電磁兼容設計的現狀及現有電磁兼容評估中的不足之處，提出了改進的建議，以期發(fā)現發(fā)射裝置在復雜電磁環(huán)境中的缺陷并加以解決。

［1］ 劉 軍，馮廣斌，朱耀忠.復雜電磁環(huán)境下的武器系統(tǒng)可靠性評估［J］.科學技術與工程，2008，8（1）：159－160.

［2］ GJB151A－97／152A－97，軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求［S］.

［3］ 鄭軍奇.電子產品設計EMC風險評估［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.