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中欧体育平台网址·系统级电磁环境效应试验设计与评估技术

发布时间:2024-03-20 12:25:55 来源:zoty中欧体育 作者:中欧体育最新地址
  性是基于对电磁发射的控制和电磁敏感的防护,实现军用装备的正常工作。通常电磁兼容性要求包括电磁发射要求和敏感要求,其中电磁发射应不超过极限值要求,电磁敏感应不低于极限值要求。电磁兼容问题非常复杂,混
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  性是基于对电磁发射的控制和电磁敏感的防护,实现军用装备的正常工作。通常电磁兼容性要求包括电磁发射要求和敏感要求,其中电磁发射应不超过极限值要求,电磁敏感应不低于极限值要求。电磁兼容问题非常复杂,混合了非常多的因素,即便是直流情况下,也有电场和磁场。随着系统复杂程度的增加,问题复杂性将呈指数形式上升。电磁发射和电磁敏感以场和波的形式存在于军用装备中,如同经络,所以随着系统复杂程度的增加,电磁兼容性问题的复杂性呈指数上升。一个产品的电磁兼容性是否达到要求,将通过测试进行验证。电磁兼容的问题和散射问题、隐身问题、天线问题的最大区别是它是近场和准近场问题,电磁兼容性试验是一种近场和准近场测试,测试传感器主要为探头和天线。如图是典型的电磁兼容性测试屏蔽室。

  系统级是相对设备而言。我们知道设备电磁兼容性测试中被试品是单一设备或分系统,其设备构成、线缆数量、耦合关系相对简单。而系统级则包括了单实体系统和多实体系统,也包括无人机系统这类分布在地面和空中的系统。系统级层面电磁兼容性试验还需面对相对设备级复杂得多的线缆测试问题。更进一步,系统级电磁兼容性试验还要考虑对使用环境的适应性,包括舰面环境和编队环境等。为什么系统级电磁兼容性试验要考虑舰面适应性和编队及战场电磁环境适应性呢?因为研制总要求对装备提出的功能性能要求是适用于装备使用工况,所以对有舰载和编队使用要求的装备,在系统级电磁兼容性试验中就应考核此性能。不言而喻,如此复杂的试验,必须进行周密的设计。那么系统级电磁兼容性与战场电磁环境适应性之间是什么关系呢?为此下面介绍电磁兼容性相关基本概念。尤其是说明电磁发射和电磁敏感是被试品的固有属性。并因此电磁环境适应性、电磁环境效应、电磁兼容性、电磁干扰之间的五大关系。

  系统级电磁兼容性在GJB 72A中定义为:执行或保障某项工作任务的若干设备、分系统、专职人员及技术的组合。一个完整的系统除包括有关的设施、设备、分系统、器材和辅助设备外,还包括操作人员。GJB 1389是对系统级电磁兼容性的要求,而GJB 1389源自美军标的MIL-STD 464,即系统级电磁环境效应要求。2002年美军颁布的系统级电磁环境效应要求GJB1389A中,共有14项相关要求,包括我们熟知的系统内电磁兼容性(即自兼容)要求,和设备分系统电磁发射和电磁敏感要求。综上所述,严格讲要求就是要求(第一大关系:系统级电磁兼容性与系统级电磁环境效应的关系),除常规的设备分系统电磁发射和电磁敏感要求、系统内自兼容要求外,还包括战场电磁环境效应要求,如友方和敌方射频电磁环境效应要求,甚至包括威胁毁伤环境效应要求,如电磁脉冲效应要求等;防信息泄漏要求;防止被过早发现的电磁发射控制要求;频谱兼容要求等。2010年,美军标又将MIL-STD 464更新为C版,其中有两项变化值得关注,一是增加了高功率微波效应要求;二是将频谱兼容升级为电磁频谱支持要求。

  这张图反映了电磁环境效应的发展沿革:从以地面作战为主的常规电磁频谱管理,发展到以全球作战为目的、考虑雷电和电磁脉冲等效应的初期电磁环境效应,到将电磁作为具有杀伤力武器,考虑射频辐射对军械、燃油、人员伤害,以及对电磁易损性和电子战进行充分防护的新电磁环境效应。可以看出,电磁环境效应已成为制电磁权的重要手段。

  那么电磁环境效应与电磁环境适应性之间是什么关系呢(第二大关系:系统级电磁环境效应与电磁环境适应性的关系)?美军标将电磁环境效应、频谱支持作为装备对自然环境和非对抗战场敌我电磁环境适应能力,视其为生存的前提和作战的基础。将对抗作为装备对电子对抗环境适应的能力,视其电子攻防的手段。我认为,电磁环境适应性应由两部分组成:一是自然环境和非对抗战场敌我电磁环境适应性,这是装备生存前提和作战基础;二是电子对抗环境适应性,这是电子攻防手段。如下图所示:

  我认为,电磁环境效应和电磁频谱支持确保装备具有“强健的体魄”,电子/光电对抗等使装备具有“过人的技能”。可以用如下比喻说明两者的相互支撑作用:当A、B两人对抗博弈时,如果A具有强健的体魄,B相对A十分弱小,则A与B博弈时强健的A将具有明显的优势,但如果弱小的B具有A不具备的的过人技能,B也可以取胜。但是,如果A既有强健的体魄又有过人的技能,即便B由过人的技能,A与B的博弈中,A将具有更大的优势。

  随着GJB 8848-2015标的颁布,GJB 1389A的试验考核将逐步实施。这里有必要分析GJB 1389A中15项要求电磁环境效应中的内涵以及相互之间的关系。经过长期的研究,我认为可以将GJB 1389A中的15项要求分为五大类:1)自兼容要求;2)抗预期电磁环境干扰要求;3)适应自然环境要求;4)实战及毁伤环境要求;5)实战能力和持续实战能力要求。下面依次进行分析:

  对于集侦察、探测、通信、导航、干扰、打击于一体的信息化装备,首先由于高灵敏度接收设备、大功率发射设备共处同一平台,其自身的电磁干扰特性和电磁兼容性要求是面临的首要问题,分别对应GJB 1389A-2005中设备分系统级EMI和系统内EMC两项要求;

  其次,由于侦察、探测、通信、导航设备均要求应在预期电磁环境下具备侦察、探测、通信、导航战技术指标要求的功能性能,因此其抗预期电磁环境干扰的能力是第二个需要面对的问题,分别对应GJB 1389A-2005中安全裕度、外部射频电磁环境、电磁辐射危害三项要求;

  第三,作为直接暴露在实际环境中的装备,应对雷电、静电等自然环境是不可忽视的问题,分别对应GJB 1389A-2005中雷电、电搭接、外部接地、静电电荷控制等四项要求;

  第四,作为以军事应用为主要用途的装备,确保对抗环境下的生存力是装备具备实战能力的关键,分别对应GJB 1389A-2005中电磁脉冲、防信息泄漏、发射控制、高功率微波四项要求 ;

  第五,对于具备实战能力和持续实战能力的装备,GJB 1389A-2005中进一步提出了全寿命期电磁环境效应控制和电磁频谱支持要求,其目的是控制使用区域中电子设备的电磁发射即对电磁频谱的非正常占用,确保有更多的电磁频谱资源可以被主动调控。

  我们认真的分析了美军标为什么认为通过这15项电磁环境效应试验就可以达到战场电磁环境适应性,结论是从装备效应出发。通过对战场电磁环境的特征进行研究,战场电磁环境是可以分为这15个基本的要素,而且这种分解是从物理属性上的分解,无论是发射信号,还是接收信号,都是可标定、可重复的,我们得到这个结论,是基于我们对151和461的研究。不论是美军标461还是标151,都是希望实现设备分系统的电磁兼容性,但两类标准中都是从物理属性上对电磁发射和电磁敏感即EMI提出了限值要求。并且是从物理属性上对被试品进行考核,不论是施加的信号还是检测的信号,都强调具有可标定、可重复性。

  下面对设备分系统EMI和系统内电磁兼容性的关系进行分析。不知大家是否注意到,在GJB1389A中,对系统内提出的是电磁兼容性要求,对分系统设备提出的是电磁干扰要求。这就需要了解什么是EMI和EMC(第三大关系:电磁干扰与电磁兼容性的关系)?

  电磁干扰包括电磁发射和电磁敏感两方面,是产品的固有属性;在电磁敏感性中存在一个子集叫电磁易损性。电磁干扰和电磁易损性均与产品的电气设计原理(电路设计中激励源特性、非线性模块特性、电路板布局及板上各部分之间的阻抗匹配特性等)、结构、布局、工艺、加载条件等相关。电磁兼容性是基于自兼容的目标对电磁干扰提出了极限值要求,只有满足限值要求,才可以说是具有电磁兼容性的。电磁易损性特指可导致严重故障、性能下降、人员或产品受到安全威胁等的电磁敏感性。电磁易损性也是产品的固有属性。与敏感性检测一样,采用扫频的方法存在漏检的风险,对于易损性而言,漏检意味着严重的隐患。如图就是电磁干扰和电磁兼容性。

  为了实现设备分系统的电磁兼容性,标对每项电磁发射和电磁敏感测试都提出了限值要求。但请注意,定型试验采用的方法是检测EMI特性的方法,所检测出的电磁发射和电磁敏感特性,是与被试品设计原理、工艺、布局、结构对应的特性。所以,对于军标提出的限值要求,只有通过设计,并将设计落实到原理、工艺、布局、结构中,才有可能满足限值要求。

  下面我们回答GJB 1389A-2005中为何对系统提出EMC要求,对设备分系统提出EMI要求。由于GJB 1389A是从系统级层面提出电磁兼容性要求,因此需以充分掌握组成系统的各分系统和设备的电磁发射及电磁敏感特性为基础,才能优化得到系统内的电磁兼容性。就像班长在掌握了全班成员的特性后,才能使全班成为一个团结且有战斗力的群体一样。我们称之为电磁兼容性属性构成关系。这种“属性构成关系”同样可以向下推广到分系统、设备、电路板、器件等,向上扩展到系统间、系统与环境间。即基于本层级构成单元的基本属性,优化本层级的性能。接着说明电磁频谱支持。电磁频谱支持指不同产品之间能够有效使用特定的频率和带宽,以确保在预期电磁环境中具备协同工作和发挥应有效能的能力。与电磁频谱管理不同的是,电磁频谱支持采用主动协同技术。这也充分说明了第四大关系:系统级电磁兼容性与战场电磁环境适应性的关系。

  综上,电磁干扰和电磁环境效应是装备的固有属性,电磁兼容性和电磁环境适应性是对装备提出了限值要求,通过测试可以检测出装备的电磁干扰和电磁环境效应,但必须通过设计方能使被试品满足极限值要求。

  首先,既然GJB 151、GJB 1389测试得到的是电磁干扰(EMI)和电磁环境效应(E3),电磁兼容性(EMC)和电磁环境适应性(EMA)只能通过设计实现,因此试验设计的第一个要点就是要以系统、分系统、设备设计过程为基础。其次,由于GJB 1389A系统内电磁兼容性以组成系统的各分系统和设备的电磁发射及电磁敏感特性为基础,所以试验设计的第二个要点就是要以设备分系统电磁发射和电磁敏感测试结果为基础。第三,由于现在装备的形态已发展为多实体和地面空中协同;第四,并要适应舰面电磁环境以及编队及战场电磁环境,所以试验设计的第三、四个要点就是要以装备工况和功能性能为基础,以实际使用电磁环境为基础。

  上图给出了系统、分系统和设备设计研制过程中与电磁兼容性相关工作,包括研制总要求、系统级设计和设备分系统级设计。以设计过程为基础,就是要全面梳理研制过程中与所有故障现象、故障归零情况,并作为试验验证的重点内容之一,写入试验大纲,并将与故障现象对应的功能性能作为敏感判据。

  如果对设备分系统提出的电磁发射和电磁敏感限值要求直接来自GJB151,且仅对设备单项试验是否满足极限值进行评估,却未将功能性能作为判据、未将平台是否正常工作作为判。


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