艦艇系統陸上聯調電磁兼容性測試的有關問題探討

楊華榮，胡雙虎，王紅光，盧 騫

（1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2.武漢第二船舶設計研究所 校準檢測中心，湖北 武漢 430205）

0 引 言

隨著裝備科技技術的發展，艦艇武器裝備呈現出高集成度、高能量密度以及高靈敏度等特點，大量裝備安裝在狹小的艙室空間內，設備布置集中、電纜敷設密集，極易導致出現各種電磁干擾問題[1]。為了應對艦艇的電磁兼容問題，總體技術責任單位必須考慮全壽期的電磁兼容性設計和控制。在艦艇研制過程中，往往都會采用總體、系統以及設備三級電磁兼容性試驗和評估，以釋放后續實艇電磁干擾的風險[2]。相比于設備電磁兼容性試驗，系統電磁兼容性試驗存在環境不可控、電纜密集、干擾途徑復雜等現實情況，導致在檢測測試過程中存在諸多問題，本文將針對各個試驗項目提出解決思路。

系統陸上聯調電磁兼容測試是考察系統整體電磁兼容性能的重要方式，已經受到各艦船總體單位的重視。該項試驗通常是在系統性能、功能以及接口等試驗結束并交驗后實施，一般都有經評審確認的試驗大綱，規定了具體的測試項目、工況和測點位置，但大綱中并未充分考慮測試在實施過程中的具體問題，下面以目前現行標準GJB 151B—2013和HJB 34A—2007的安裝工藝、電磁發射以及敏感度等典型系統電磁兼容性試驗項目為例，簡要探討在陸上聯調電磁兼容測試實施過程中常見的具體問題與解決思路[3,4]。

1 安裝工藝檢查

電磁兼容安裝工藝一般是指為了保證設備與系統的抗干擾性能而采取的一般或特殊的工藝處理措施，包括設備接地、電纜屏蔽層搭接接地、敷設鋼管以及電纜分類敷設等[5]。這些措施是確保設備的抗干擾性能正常發揮最佳效果的重要保障，但在系統聯調前期的安裝過程中有可能因沒有引起足夠的重視，甚至系統試驗大綱中沒有明確要開展哪些工藝檢查，從而在試驗中導致各種電磁干擾現象，反過來再從工藝方面采取各種整改措施，造成試驗周期延長，耽誤工程研制進度。因此，此項檢查是后續試驗項目的基礎，需引起高度重視。一是系統責任單位在組織場地安裝過程中須嚴格按照實船工藝進行安裝；二是系統電磁兼容試驗大綱中須明確工藝檢查項目和相關要求；三是檢測單位應嚴格按照大綱要求首先開展安裝工藝檢查，發現問題提前整改，為后續試驗創造良好的試驗基礎。

2 電磁發射項目測試

2.1 CE101/CE102電源線傳導發射

該項目是測試設備、分系統供電電源線產生的電磁發射水平。按照標準要求需要在電源線的每相/極臨時接入線路阻抗穩定網絡（Line Impedance Stabilization Network，LISN）。LISN的作用是為供電電源提供通路，為EUT提供穩定的測量阻抗并隔離電網與EUT[6]。LISN的接入涉及到一定的安全問題，尤其是在存在高壓供電的系統聯調時更加明顯。在測試過程中，基波電流會作為限值放寬的依據，必須要保證測試數據的準確性，但有時測試系統存在系數輸入錯誤和探頭不匹配等原因，測試結束之后才發現，導致重新補測。另外，系統聯調往往都是在外場測試，與屏蔽暗室不同，背景環境有時并不滿足要求，在進行背景測試時還存在一些錯誤的測試方法，如只是要求受試設備或分系統（Equipment Under Test，EUT）關機，便認為這樣的測試結果即是背景。因此，在開展CE101/CE102項測試時，應注意以下方面。

一是檢測單位須事先評估系統聯調電磁兼容試驗大綱中的電源線發射項目，確定與之匹配（如電壓、電流）的相應數量的LISN。有條件的，還應該提前到場地實地勘驗，記錄每個測點的供電位置、接線方式以及線纜型號等，并據此對LISN的接線電纜和連接端頭進行適當改造，以更好地適應測試需求，保證試驗安全。二是測試時為了保證準確性，一般對于交流電源需要用鉗形電流表測量電流的幅度，測量接收機的基波電流并與此結果進行比較，若幅度誤差超過系統不確定度，則應對測試系統以及傳感器的系數進行檢查。三是按照如圖1所示的標準方法對背景進行檢查，背景環境電平應盡量保證至少低于規定的限值6 dB后進行測試。圖2所示的背景在受試頻段內均低于限值至少6 dB，可以開展測試。如果背景不滿足要求，實施過程中應選擇背景環境相對較好的時段或采取必要的環境監測措施。四是CE101和CE102在測試背景時必須按照標準要求，在斷開EUT后連接一個電阻性負載的情況下進行電源線傳導環境電平測量，流經該電阻負載的電流與EUT的額定電流應相同。因此檢測單位需提前準備好能夠覆蓋試驗中所有EUT電流的可調阻性負載。

圖1 CE101背景測試儀器布置圖

圖2 CE101背景低于限值6 dB的示例

2.2 RE101/RE102磁場/電場輻射發射

嚴格來講，由于系統聯調試驗大多都在未采取空間屏蔽的場地內進行，十分容易受到外界電磁環境和場地布置的影響，RE101和RE102并不適合外場測試，但在采取一些措施并在測試中注意一些事項后，仍可以獲取到部分頻段的有意義的測試數據。

RE101測試時，在其工作頻段（25 Hz～100 kHz）中最易受到影響的是在2 kHz以上，因此需要特別甄選這個頻段的數據。當發現7 cm和50 cm的某頻率點/范圍測試數據差異不大甚至后者還偏大時，這時就要懷疑有可能是場地背景環境引起的，可以將頻譜儀調諧頻在異常頻率點，在聯調場地不同部位進行巡測，以確定發射源頭。筆者在以往測試過程中多次發現，造成這一結果大多是場地的配試供電設備（如穩壓電源、直流電源等）引起的，如圖3中圈出的頻點所示。由于場地穩壓電源的電磁發射影響，被測部位的RE101在50 cm和7 cm的測試結果中18.6 kHz、37.2 kHz、55.8 kHz、74.4 kHz以及93 kHz的磁場輻射量并沒有明顯差異。

圖3 場地穩壓電源引起的RE101測試數據異常圖

在試驗大綱中，RE101的測試位置一般指向都很寬泛，如某某設備處。測試時，需要先手操頻譜儀在該設備處進行全面掃描，確定最大輻射部位后再開展測試。筆者認為，由于此項目最終在實船上產生電磁環境效應的主要方式以電纜為主，測試時應以電纜為核心掃描以確定具體的測點位置，提高測試效率。

RE102測試時要密切注意測試結果，判斷其是否是由于環境影響所導致，尤其是在1 MHz以上的頻段，由于各種電臺的存在，背景受到的影響更為明顯。目前，大多是通過分時測試即選擇夜晚、清晨等錯開背景影響的時段進行測試。近年來，以相關測試原理為基礎，實現背景分離的測試方法較為有效，但此方法相對昂貴且復雜[7]。

3 電磁敏感度項目

系統聯調中開展電磁敏感度項目非常有意義，與設備電磁兼容檢測相比，系統聯調各設備接口幾乎都連接了真實的互聯設備或傳感器等。通過敏感度項目的測試，能夠有效檢查系統的抗干擾能力，但受限于場地條件限值，如CS109、CS01.2等項目實施比較困難。

3.1 CS01.1電源線傳導敏感度

該項目是通過模擬來自電網的諧波和開關頻率等低頻傳導干擾，檢查EUT的耐擾性。由于受測試儀器的限制，EUT的電流一般都需低于100 A，高于此幅度后，耦合變壓器會出現反向耦合，從而引起功率放大器的保護甚至損壞，因此必須要在確保滿足受試條件下才能開展此項試驗[8]。試驗過程中，由于線路阻抗原因，個別頻點還可能出現無法施加的情況，也需要引起檢測人員的關注。

3.2 CS01.2接地線傳導敏感度

該項目是檢查通過測試系統將地電位抬高1 V后EUT的耐擾性，要求EUT對地絕緣。對系統而言，即要求受試系統全部浮地。在暗室里開展單個設備的此項試驗時相對比較容易，但系統試驗時，由于參試設備多，且有各種配試設備通過電源線接地等原因，要滿足這一條件十分困難。由于該項試驗更多是針對有數字信號地接地系統和高靈敏度的低頻低電平接收設備（如聲吶），所以建議一般系統應取消該項測試項目。必須開展此項目時需采取以下措施：一是聯調場地需建設專用單點接地網絡，包括安全地和信號地，并在一點匯接到大地。測試時，將匯接點斷開，注入干擾電壓；二是所有陪試設備不得通過單點接地網絡接地，在與受試設備連接環節需采取隔離措施。

3.3 CS109殼體電流傳導敏感度

該項目是檢查EUT殼體流過標準規定干擾電流時的耐擾性，測試時要求在EUT端單點接地，測試系統浮地。與CS01.2類似，由于受試系統互聯電纜等因素的存在，存在較多無意接地的可能性，因此該項試驗嚴格按照標準實施測試難度較大，如非必須，建議取消。必須開展此項目時，應在場地建設和聯調設備進場安裝時采取類似CS01.2的處理措施。

3.4 CS06電源線尖峰信號傳導敏感度

該項目是模擬來自供電網各種大功率設備啟停、負載變化產生的瞬態干擾信號，檢查EUT的耐擾性。與CS01.1類似，測試系統一般可以承受的電流低于100 A,因為過大的電流會將工頻信號反灌回尖峰信號發生器,使其不能正常工作。因此,需確認滿足受試條件后才能開展試驗。此項試驗需要串入到電源線中，應采取可靠的連接方式，以確保測試安全性。受EUT的負載特性不同，試驗過程中必須要對施加的干擾信號進行監測，避免造成非標注入干擾導致設備故障甚至損壞。

3.5 CS114電纜束注入傳導敏感度

裝備中由于電纜受擾的問題在各種實船干擾中已經呈現出了主要矛盾，電磁兼容抓總單位都非常重視電纜的抗干擾檢查，CS114和CS116項目作為聯調試驗的主要項目，測點多且不容易通過，測試系統也相較其他項目更加復雜。

CS114是檢查裝備接口電纜抗外界電磁干擾的能力，該項目能否通過考核除了設備接口的防擾設計外，與被試電纜有無屏蔽層以及屏蔽層的接地工藝也直接相關[9]。由于各種原因，裝備中仍存在一些電纜的屏蔽層未采用周向搭接而采用辮子方式搭接，試驗前需檢查屏蔽層搭接電阻，必要時應擰緊航空連接器的接地螺釘。檢測單位實施該項目時，為有效降低測試的不確定度，應盡量保證受試電纜穿過注入探頭和監測探頭時保持在中心位置，有條件的應盡量采用絕緣工裝以達到這一要求。另外，因總體剪裁要求，需要將該項目的起始頻率向下延伸至4 kHz甚至2 kHz，而測試系統中的射頻信號源、射頻功放以及注入探頭等一般有效頻率都是從9 kHz開始，干擾信號施加過程中效率很低甚至無法施加。目前，一些檢測單位通過函數發生器、音頻功率放大器、注入探頭阻抗適配器等組成的測試系統，可以較好地解決這一問題。

3.6 CS116電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導敏感度

CS116是模擬平臺內各種大功率設備啟停、發射等瞬態干擾，檢查在受試電纜的響應，標準中規定了至少在 10 kHz、100 kHz、1 MHz、10 MHz、30 MHz以及100 MHz共6個測試頻點進行測試，但總體單位有時會根據平臺瞬態電磁環境特性，要求在其他頻點進行測試。因此，測試系統應該具備更大的頻率覆蓋區間，如一些公司產品可達到17個測點，甚至可以連續可調，這對于滿足更寬泛的測點則更加靈活。與CS114相同，試驗前應確保屏蔽層良好接地，試驗時受試電纜應盡量保持在注入探頭和監測探頭中心線上等細節，都是更有效地開展此項試驗的關鍵。

3.7 RS103電場輻射敏感度

該項目是系統陸上聯調的重要試驗項目，其干擾作用方式與CS114相比，干擾耦合方式有所不同，但受干擾的表現方式基本相同[10]。該項目是模擬空間電場干擾，檢查受試設備、電纜的響應。標準中規定了不同平臺與頻段所要求施加的干擾限值，由于受到場地布置、地面等因素的影響，施加干擾的過程中部分頻段可能出現難以施加到規定限值的情況，尤其是對于高場強的試驗。因此，試驗時應盡量清空受試區域的無關設備，陪試設備應盡量遠離或在單獨區域集中布置。測試系統方面，要盡量選擇在施加頻段內輻射效率高的天線，功率放大器和輻射天線之間的電纜盡量短，電纜的連接器與功放和信號源或定向耦合器匹配，不使用轉接頭，必要時可以在輻射天線連接器位置增加一個低衰減值的衰減器，這些措施可以最大程度地減少射頻信號的反射和衰減，如圖4所示。另外，當個別頻點不能達到施加限值時，可以嘗試改變功率電纜的敷設方式，減少信號的反射，提高輻射效率。試驗時，由于高輻射場的存在，測試系統中的程控計算機、試驗和配合人員都應遠離受試區域，以免設備受到干擾或電磁輻射傷害。

圖4 聯調場地RS103布置圖

4 結 論

電磁兼容是一門綜合學科，更是一門試驗科學，系統陸上聯調電磁兼容測試作為型號工程三級控制中一個環節，已經備受各總體研制單位的重視。本文探討了裝備系統聯調電磁兼容試驗中的一些典型試驗項目在測試過程中可能遇到的問題和解決思路，其目的是為檢測人員在試驗前以及試驗過程中，提前關注到影響試驗質量的一些細節，以提高系統電磁兼容試驗的測試效率和安全性。