發(fā)射裝置電磁兼容性設(shè)計(jì)與評(píng)估方法探討

肖守邦，趙月琴

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng)471009）

0 引言

當(dāng)今世界，由于軍事領(lǐng)域電磁能源的應(yīng)用日趨廣泛，以及電子技術(shù)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(chǎng)電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。如何消除復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)武器效能發(fā)揮的不良影響，成為各國(guó)軍工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在此，首先，闡述復(fù)雜電磁環(huán)境的特點(diǎn)，然后，分析某型機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射裝置電磁兼容設(shè)計(jì)的不足之處及評(píng)估方法的缺陷，旨在為發(fā)射裝置的電磁兼容性評(píng)估確定方法，從而保證其在復(fù)雜電磁環(huán)境中的效能發(fā)揮。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境的特征及影響

1.1 復(fù)雜電磁環(huán)境特征

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

a.敵、我雙方的電子對(duì)抗。

b.各種武器裝備所釋放的高密度、高強(qiáng)度和多頻譜的電磁波。

c.民用電磁設(shè)備的輻射和自然界的電磁波。

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境空前復(fù)雜。整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)空間中，電磁輻射重疊交叉、劇烈動(dòng)蕩、反復(fù)持續(xù)、復(fù)雜多變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1 000km2以內(nèi)，每個(gè)頻段的發(fā)射源數(shù)目分別為：0～500MHz范圍內(nèi)485個(gè)，8～40GHz范圍內(nèi)40～50個(gè)，500～2 000 MHz范圍內(nèi)6個(gè)。而一個(gè)航母戰(zhàn)斗群至少裝備有200部不同類型的雷達(dá)。

1.2 復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)武器效能發(fā)揮的影響

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)是在復(fù)雜多變的電磁環(huán)境中進(jìn)行的，戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境效應(yīng)直接影響著武器裝備戰(zhàn)斗效能的發(fā)揮，決定著戰(zhàn)場(chǎng)的生存能力［1］。從作用機(jī)理上看，復(fù)雜的電磁環(huán)境主要通過(guò)4個(gè)方面影響武器裝備的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能：

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

b.強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)。電磁輻射源形成的強(qiáng)電場(chǎng)不僅可以致使武器裝備的電路失效，而且可能對(duì)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(yīng)。電磁輻射引起的射頻干擾，可對(duì)信息化設(shè)備造成電噪聲、電磁干擾，使其產(chǎn)生誤動(dòng)作或功能失效。強(qiáng)電磁脈沖及其“浪涌”效應(yīng)，還會(huì)對(duì)武器裝備造成硬損傷。

d.磁效應(yīng)。電磁脈沖引起的強(qiáng)電流可以產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，使電磁能量直接耦合到武器系統(tǒng)內(nèi)部，干擾電子設(shè)備的正常工作。

2 某發(fā)射裝置電磁兼容設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

2.1 某型發(fā)射裝置

某型發(fā)射裝置掛裝于飛機(jī)武器艙內(nèi)，用于內(nèi)埋掛裝空空導(dǎo)彈，完成導(dǎo)彈的帶彈起飛、著陸、運(yùn)載和發(fā)射。發(fā)射裝置中的電子部件通過(guò)與載機(jī)進(jìn)行信息交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射裝置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)參數(shù)的采集及上傳。

根據(jù)載機(jī)技術(shù)協(xié)議要求，該發(fā)射裝置應(yīng)滿足的電磁 兼 容 性 項(xiàng) 目 包 括 CE102，CS101，CS114，CS115，CS116，RE102，RS103。

2.2 某型發(fā)射裝置電磁兼容設(shè)計(jì)現(xiàn)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(nèi)，由于大量采用微處理器和數(shù)字電路，器件數(shù)量多、種類多、密度高，輸入輸出接口多，互聯(lián)電纜多，內(nèi)部電磁環(huán)境較為復(fù)雜。掛裝飛機(jī)后，發(fā)射裝置周邊布置了大量的通信設(shè)備和各種傳感器，存在各種電磁干擾。在實(shí)戰(zhàn)中，發(fā)射裝置要承受敵我雙方各類雷達(dá)的近距離直接照射及敵方有針對(duì)性的主動(dòng)高強(qiáng)度電子干擾，電磁環(huán)境尤為惡劣。

為滿足載機(jī)電磁兼容性要求，發(fā)射裝置在設(shè)計(jì)中采用了一系列措施，特別注重了電源的設(shè)計(jì)、接地的設(shè)計(jì)和濾波磁珠、磁環(huán)的應(yīng)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(dǎo)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(hào)的輸出、輸入采用濾波磁珠。

d.電子部件結(jié)構(gòu)上采用導(dǎo)電化處理，縫隙使用彈片加強(qiáng)搭接，降低搭接阻抗，保證印制板可靠接地，降低對(duì)外干擾。

e.電源線采用屏蔽線，總線信號(hào)線采用雙絞線，減小總線信號(hào)傳輸干擾。

f.采用濾波電連接器，并對(duì)連接器尾端及電纜采取360°屏蔽。

3 發(fā)射裝置電磁兼容評(píng)估方法的不足

按主機(jī)要求，在設(shè)計(jì)階段需對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行電磁兼容評(píng)估，評(píng)估的依據(jù)是 GJB151A－97／152A－97［2］。但是，在實(shí)驗(yàn)室按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某內(nèi)埋發(fā)射裝置進(jìn)行電磁兼容評(píng)估時(shí)，卻存在以下不足：

a.評(píng)估依據(jù)不明確。根據(jù)GJB151A－97，機(jī)載空空導(dǎo)彈發(fā)射裝置進(jìn)行RE102項(xiàng)目的評(píng)估時(shí)，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選擇空軍內(nèi)部限制線或空軍外部限制線作為評(píng)估依據(jù)，兩者針對(duì)被測(cè)產(chǎn)品位置的差異在不同的頻段有不同的要求。傳統(tǒng)的機(jī)載空空導(dǎo)彈發(fā)射裝置都是懸掛在機(jī)翼下方或者翼尖，在進(jìn)行RE102測(cè)試時(shí)應(yīng)選擇“空軍飛機(jī)外部限制線”作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。某內(nèi)埋發(fā)射裝置從結(jié)構(gòu)層面劃分，屬于載機(jī)機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備，但其執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)需伸出機(jī)艙外部執(zhí)行關(guān)鍵動(dòng)作，動(dòng)作執(zhí)行完畢后又需要可靠地收回機(jī)艙內(nèi)部。可見(jiàn)，隨著任務(wù)時(shí)序的變化，該發(fā)射裝置工作的電磁環(huán)境既包括飛機(jī)武器艙內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)中單一的極限曲線無(wú)法全面考核發(fā)射裝置。

b.評(píng)估邊界不確定。現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)中干擾源與敏感設(shè)備是相對(duì)的。相對(duì)雷達(dá)而言，發(fā)射裝置是敏感設(shè)備，但相對(duì)機(jī)載電臺(tái)而言，發(fā)射裝置卻是干擾源。在實(shí)戰(zhàn)條件下，己方大量干擾和敏感設(shè)備密集使用，或干擾源與敏感設(shè)備距離太近，均可能會(huì)使部分敏感設(shè)備因邊界效應(yīng)導(dǎo)致工作受到干擾［3］。

該內(nèi)埋發(fā)射裝置由于在設(shè)計(jì)中充分考慮了電磁兼容性，采取了各種措施來(lái)提高其自身抗干擾能力并降低其對(duì)外輻射，增強(qiáng)了其在電磁兼容考核中的“戰(zhàn)斗力”。按目前評(píng)估方法，如果發(fā)射裝置通過(guò)了所有的電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目，則應(yīng)認(rèn)為其電磁兼容滿足要求。但是，發(fā)射裝置掛裝于載機(jī)內(nèi)部，周邊布置了大量的通信設(shè)備和各種傳感器，根據(jù)邊界效應(yīng)及以往經(jīng)驗(yàn)，即使單機(jī)考核合格，在與其他設(shè)備同時(shí)工作時(shí)也可能出現(xiàn)問(wèn)題：或自身受到干擾，或干擾其他設(shè)備。

c.評(píng)估手段不真實(shí)。按目前軍標(biāo)，發(fā)射裝置進(jìn)行電磁兼容測(cè)量時(shí)，所施加的各個(gè)單項(xiàng)應(yīng)力一般都能達(dá)到甚至超過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)電磁應(yīng)力條件。但在測(cè)量時(shí)，由于各測(cè)量項(xiàng)目考核的側(cè)重點(diǎn)不同，因此，電磁敏感度應(yīng)力的施加是單一性的，而且同一時(shí)間其施加的頻譜也是單一頻點(diǎn)的，最終的測(cè)量結(jié)果是在這種施加單一電磁應(yīng)力條件下得出。以RE102項(xiàng)目為例，測(cè)試時(shí)根據(jù)頻率的不同，選擇了不同的接收天線進(jìn)行分時(shí)測(cè)量，如圖1所示。實(shí)際上發(fā)射裝置在工作時(shí)，可能在同一時(shí)間多個(gè)不同的頻點(diǎn)均有輻射發(fā)射。這就意味著在該條件下測(cè)量合格的產(chǎn)品，一旦工作在多應(yīng)力條件下可能會(huì)出現(xiàn)異常，除非所施加的應(yīng)力各自獨(dú)立、互不影響。但在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下，機(jī)載設(shè)備需同時(shí)承受來(lái)自敵我雙方的各種電磁應(yīng)力的多途徑、寬頻譜疊加干擾，多種電磁信號(hào)密集、交疊，勢(shì)必會(huì)相互影響?？梢?jiàn)，這種實(shí)驗(yàn)室單一應(yīng)力的電磁兼容評(píng)價(jià)手段無(wú)法模擬戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境。

圖1 電磁兼容試驗(yàn)場(chǎng)地

4 電磁兼容評(píng)估方法改進(jìn)

4.1 量體裁衣，核定依據(jù)

鑒于發(fā)射裝置工作環(huán)境復(fù)雜，在評(píng)估其電磁兼容性能時(shí)，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(gè)方面因素：

a.功能特性分析。針對(duì)發(fā)射裝置在實(shí)現(xiàn)特定功能時(shí)可能遭遇的電磁干擾類型和強(qiáng)度，以及在該干擾下可能出現(xiàn)的故障模式，如電磁干擾引起的繼電器誤動(dòng)作，或電場(chǎng)輻射引起的電路失效，然后在測(cè)試時(shí)有針對(duì)性地進(jìn)行測(cè)試，確保發(fā)射裝置在各種正常工作狀態(tài)下均能滿足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

b.未來(lái)電磁環(huán)境變化分析。確定發(fā)射裝置周邊電磁環(huán)境時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮隨著技術(shù)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(nèi)，未來(lái)可能面臨的電磁環(huán)境將日趨復(fù)雜。因此，現(xiàn)階段的考核試驗(yàn)應(yīng)充分考慮到電磁環(huán)境的變化趨勢(shì)，必要時(shí)應(yīng)加嚴(yán)考核。

c.環(huán)境電平分析。傳統(tǒng)的電磁兼容考核中僅用場(chǎng)強(qiáng)值或功率密度來(lái)描述電磁環(huán)境，而實(shí)際上還存在許多影響電磁環(huán)境的參數(shù)，如脈沖重復(fù)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(píng)估依據(jù)時(shí)，應(yīng)充分考慮到電磁環(huán)境中可能存在的最惡劣的參數(shù)，以及設(shè)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(shí)戰(zhàn)要求。

4.2 統(tǒng)籌全局，確定邊界

單獨(dú)進(jìn)行電磁發(fā)射測(cè)試和電磁敏感度測(cè)試都合格的產(chǎn)品，協(xié)同工作時(shí)，卻可能因邊界效應(yīng)，導(dǎo)致敏感設(shè)備承受的干擾超過(guò)其抗擾度限值，此時(shí)，干擾還是不可避免的。在以往的型號(hào)研制中，出現(xiàn)過(guò)電磁兼容考核合格的發(fā)射裝置，裝機(jī)后卻干擾了載機(jī)通訊電臺(tái)的案例。

為避免這種情況再次出現(xiàn)，應(yīng)對(duì)各機(jī)載設(shè)備，尤其是載機(jī)武器艙內(nèi)的相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行干擾承受能力評(píng)價(jià)，從而確定其相應(yīng)的邊界條件。綜合考慮各設(shè)備與大功率干擾源之間在時(shí)域、空域或頻域的間距，對(duì)進(jìn)入邊界條件的設(shè)備應(yīng)通過(guò)系統(tǒng)級(jí)的管理措施來(lái)協(xié)調(diào)，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(jī)載設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

4.3 精益求精，貼近實(shí)戰(zhàn)

由于測(cè)量?jī)x器和設(shè)備能力的限制，在當(dāng)前的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件下，要想全面模擬戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境，并對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)是難以實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量合格的產(chǎn)品，其實(shí)際性能還要靠多平臺(tái)的協(xié)同工作、大規(guī)模軍事演習(xí)甚至實(shí)戰(zhàn)來(lái)評(píng)價(jià)。因此，建議通過(guò)以下手段提高評(píng)估結(jié)果的可信性：

a.實(shí)驗(yàn)室綜合評(píng)估。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行雙電磁應(yīng)力或多電磁應(yīng)力的綜合施加，然后與單應(yīng)力獨(dú)立施加的結(jié)果進(jìn)行比較，以此來(lái)評(píng)價(jià)、研究多應(yīng)力對(duì)發(fā)射裝置的影響，通過(guò)這種方式來(lái)評(píng)估單一電磁應(yīng)力條件下的測(cè)量結(jié)果在復(fù)雜電磁環(huán)境下的有效性。同時(shí)，也可通過(guò)對(duì)單一電磁應(yīng)力與多電磁應(yīng)力的結(jié)果對(duì)比分析，對(duì)單一電磁應(yīng)力施加電平進(jìn)行修正，以修正后的單一電磁應(yīng)力來(lái)模擬多電磁應(yīng)力施加效果［1］。

b.實(shí)測(cè)載機(jī)電磁環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)室評(píng)估的基礎(chǔ)上，還需對(duì)載機(jī)進(jìn)行整機(jī)電磁兼容測(cè)試，以取得其電磁環(huán)境相關(guān)參數(shù)。對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行分析、整理和修正后，對(duì)發(fā)射裝置電磁兼容試驗(yàn)的應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

c.演習(xí)評(píng)估。通過(guò)大型復(fù)雜電磁環(huán)境下的軍事演習(xí)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的電磁應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行廣泛的測(cè)量、采集和評(píng)估，建立類似美國(guó)的武器裝備電磁脈沖效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而獲得發(fā)射裝置（也包括其他機(jī)載設(shè)備）在復(fù)雜電磁環(huán)境中的真實(shí)應(yīng)力情況。在深入研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)單一電磁應(yīng)力參數(shù)的調(diào)整和多應(yīng)力的復(fù)雜電磁環(huán)境的仿真，來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)射裝置在復(fù)雜電磁環(huán)境中的電磁兼容性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在綜合研究戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)武器效能影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)某型發(fā)射裝置電磁兼容設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及現(xiàn)有電磁兼容評(píng)估中的不足之處，提出了改進(jìn)的建議，以期發(fā)現(xiàn)發(fā)射裝置在復(fù)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(fù)雜電磁環(huán)境下的武器系統(tǒng)可靠性評(píng)估［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（1）：159－160.

［2］ GJB151A－97／152A－97，軍用設(shè)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(chǎn)品設(shè)計(jì)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.