电磁兼容性基础数据应用研究

电磁兼容性基础数据应用研究

曾安安

（中国船舶集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

摘  要：为适应系统电磁兼容性分析和评估的需求，提出仿真和试验用的数据类型、基本物理参数及其转化应用难点，从产品设计的角度探讨模块、设备及其系统对电磁兼容性基础数据的建模与测量需求，从理论和方法方面讨论了解决数据理论和预计方法中的难点与工作建议，对研制新型的电磁兼容测量装置和分析工具具有指导价值。

关键词：系统；电磁兼容性；效应；数据；评价

0引 言

    系统电磁兼容性要求是产品开展系统电磁兼容性设计和验证的指导性、纲领性要求。对于新开发和研制产品而言，如何提出产品研制期间电磁兼容性的设计所需基础数据；如何设计和控制产品的接口电磁干扰特性；如何采用替代方法推算或分析出潜在电磁不兼容风险的电磁特征数据，进而开展设备、模块或组件加固设计和工艺设计、过程数据监测、检测及其最终产品电磁兼容性能预估。

     而产品在实际环境中，受到使用环境条件在时间、布置空间电磁场分布特性的影响，产品的电磁兼容性基础数据呈现不规则的变化，给产品的电磁兼容性设计带来不确定性的风险。为此，本文为适应系统电磁兼容性分析和评估的需求，提出电磁兼容性与防护基础数据分类及其应用需求，结合电磁兼容专业预测、测量及其效应管理控制、电磁危害防护技术的发展需求，探讨试验与仿真相结合的数据分析、采集及其测量转化技术，讨论满足产品使用需求的电磁兼容性、电磁环境效应、电磁防护基础数据组合分析技术的发展建议。为研制新型的电磁兼容测量装置和分析工具提供指导。

1数据的类别与定义

    为满足系统适应电磁环境的变化要求，在系统电磁兼容性要求11）中规定了安全裕度、系统内电磁兼容性、外部电磁环境、雷电、电磁脉冲、分系统和设备电磁干扰、静电荷控制、电磁辐射危害、寿命期电磁环境效应加固、电搭接、外部接地、防信息泄漏、电磁发射控制、频谱兼容性管理等14项验证指标。其中电磁环境效应试验指标有8项，效应控制指标3项，信息安全和资源管理指标3项。其符合性验证的一般要求是系统内所有分系统和设备之间应是电磁兼容的，系统与系统外部的电磁环境也应兼容。通过符合性验证以获得如下指标：

    （1）确认系统或分系统在该环境下是否合格；

    （2）建立电子信息系统等使用关键系统、军械系统电磁环境适应性指标；

    （3）确定安装分系统或设备的试验环境数据；

    （4）对于采用了防护措施而言，使用合适的符合性验证方法，获得证明其电磁环境效应防护有效的试验、分析及其组合验证数据。

    为此，电磁兼容性基础数据可分为敏感性数据、效应监测和判定数据、接口电磁干扰数据、场-路耦合数据、（结构、回路、布局等）电磁环境效应数据、传感器（或接口模块）失效或故障数据等。其中，数据的类型和定义如下：

    1）敏感性数据：设备、系统在电磁环境中，出现设备、系统主要性能指标降级、干扰时的辐射电磁场、传导（差模、共模）电压、电流及其它们随时间、频率、空间、能量密度、极化等分布特征。

    2）效应监测数据：主要指系统电磁环境效应监测和性能判定所需的间接、直接测量获得的数据。包括在外部强射频环境等级、产品故障（或失效）数据、及其电磁脉冲（含雷电、静电等）电磁脉冲直接、间接感应场作用下的平台结构及其电缆感应的脉冲电流、电压数据。在给定平台验证环境下，关键系统、组件主要性能的电磁环境适应性数据。

    3）效应判定数据：按照系统电磁环境效应分为四级的规定，即“干扰”“损伤”、“降级”、“损毁”，又分为效应依据性判定或效应阈值（门限）数据。包括直接耦合获得出现该效应的感应场-路监测、检测数据及其外推-替代预判算法获得的传导、辐射数据。推算敏感系统射频前端电-热损伤（时间累积）效应门限。一般有6、9、12、20dB的级差。数据规律则不完全一致，其数据与传输路径的阻抗频率特性、选择性、方向性相关；也与时间、空间、频率相关。

    4）电磁发射数据:设备的有意电磁辐射及其无意电磁辐射、电磁泄露。电磁兼容测量中的无意电磁发射，是按照接收通道射频、中频的选择性带宽，分为窄带发射频谱数据、宽带发射频谱数据。而有意电磁发射是以传输有用信息的电磁发射谱数据，依照标准进行频谱兼容性分析用。

    5)电磁干扰数据：为实现设备或系统内电磁自兼容，有效控制系统内的电磁干扰，而规定的互联设备（或模块）接口界面要求类数据。由收发设备、控制及其数字处理模块正常工作时产生，直接作用在互联设备、模块接口处的辐射电场、辐射磁场及互联电缆、结构面的共模、差模耦合电压、电流数据，该数据具有随时间变化、随频率变化的特征。

    6)场-路耦合数据：电磁辐射场作用下，天线、线缆及其平台金属结构件耦合产生的电压、电流数据，一般包括共阻抗耦合、共电网耦合、电缆耦合。

    7)射频前端、结构、回路、布局电磁效应数据：在强射频、强电磁脉冲、雷电电磁脉冲、静电等作用下，金属或非金属结构布局、回路面积感生电荷、电流或电压数据，该数据与结构材料、尺寸相关。

    8)传感器（或接口模块）失效（或故障）数据：在强射频、强电磁脉冲、雷电电磁脉冲、静电等作用下，射频损伤电压、损伤功率密度数据；接口防护电路防护脉冲电压、脉冲电流数据；结构脉冲电流、电压数据；脉冲热堆栈效应数据；旁路电容电应力数据、长线缆耦合开路电压数据。

9)指标性能符合判定数据：技术规格书、试验大纲中规定的技术参数、及其为获得该技术参数的符合性判定要求（如允差）或标准、规范类数据、类比系数类数据。

10）电磁防护数据：瞬时峰值功率、瞬时能流密度、峰值场强、单位带宽能量密度、屏蔽性能、新型结构材料宽、窄带带内/带外衰减、残压、隔离度。

2数据的应用

   在电磁环境测量数据的应用问题研究中，应重点研究和解决环境数据的分布问题、系统内/间电磁干扰电平的规律问题、以及建立电磁兼容性评估基准和产品电磁发射标准问题。研究表明12）统计学方法表述电磁环境的定性规律和精度要求不高的量化规律，并应用于电磁环境测量中的数据分析与处理是有效的。可用于电磁兼容测量数据后处理和评估的表征参数为众数、中位数、极差。从定性规律的分析方法方面，可采用直方图分析法、包络分析法、回归分析法获得相关数据，并视如兼容性分析，功率密度分析等应用需求进行数据分组。其中直方图分析法是通过统计每组区间内落入的幅度－频率点数，直观展现幅度的集中和分散程度；包络分析法是按照测试频率范围和频点数目，对应用所需测试频谱分段取最大值包络、平均值包络等；回归分析法则是通过该方法所获得的拟合曲线或区域，建立该区域占据主要谱分量的频率－幅度特性，获得规律。

将电磁兼容基础数据应用于解决产品功能和提高产品兼容和防护性能，需要解决数据的获取问题，这是难点问题之一；如何从产品使用模式中获得电磁兼容性基础数据，是难点二。如何评估产品的自兼容、与环境兼容并具有一定的安全裕度，这是问题三。需要多种仿真与试验相结合的创新分析方法和分析工具：

1）充分结合设备、分系统的电磁发射与敏感度试验、系统电磁环境效应试验数据及其进行电磁环境适应性仿真分析所获得的电磁特征数据，建立模块、组件单元基础级的电磁兼容性基础数据；

2）通过论证、设计、研制、生产、交付、使用等全寿期累积、统计及其回归分析获得使用模式下系统级的电磁兼容性基础性能。

3）按照系统、设备电磁环境适应性设计和验证需求所进行的电磁兼容性试验验证和分析评估中拓展建立起来的适应电磁环境变化特点的性能指标。

4）从问题出发，厘清电磁兼容与防护技术关键与电磁环境效应机理问题。从电磁环境效应试验和电磁辐射危害防护分析中，获得电磁辐射危害防护指标和分解到设备（模块、分系统、系统平台的电磁特性数据。如电磁辐射危害防护指标组合性分析、试验内容和评估如图1所示。

图1 电磁辐射危害防护指标组合性分析、试验和评估

3 难点问题和建议

通常，电子设备或分系统的电磁兼容设计和验证是以满足标准要求为目标，这些数据通常是设备进入交付验收阶段考核试验时获得，这种后天才能掌握的电磁兼容性数据给系统集成电磁兼容设计、平台总体电磁兼容性设计带来极大的不确定性，电磁不兼容风险大。那么需要开展基础数据的研究和预计工作，从理论和方法方面重点解决数据理论和预计方法问题。

在系统电磁兼容评价理论方面，其一：受限于关键模块和部分设备试验数据的局限性，需要突破系统性、全局性的试验和评价方法；其二：国内电磁环境效应仿真、试验刚起步，需要创新电磁环境效应数据分析方法，建立仿真—试验相结合的综合计算方法，解决数据有效性、准确性预计的难题；其三：受到有限样本试验的限制，造成基于电磁环境失效数据分析理论不完备，需要科学建立和定义基于安全性分析、兼容性评价的参数和失效计算模型体系。

在满足复杂电磁环境条件下系统电磁兼容性评价方法方面，其一：由于基础数据模型不完善，器件、模块或组件的电磁特性数据缺乏，设备、共架分系统、系统试验数据分散，评价难；其二：非实验室环境下的有限试验条件，数据受限使用，数据转换方法各异；其三：常在给定或默认输入条件下进行系统电磁兼容性仿真和试验评估，不能完全有效的验证复杂系统运行模式下电磁环境效应的行为模式，近实评价产品的电磁兼容性。

为提升装备电磁兼容设计水平和验证能力，应分布实施电磁环境效应数据采集、处理和分析工作，联合开发基于数据模型的电磁兼容性分析软件，尽快建设敏感件或基础模块的电磁敏感性数据库（兼有数据转换功能）；发展计算电磁学、统计电磁学及其电磁学－数学求解方法，建立电磁兼容性计算规则和评估方法。