装备的电磁兼容管理、设计与验证经验

2013-10-27沈冬远王润洪

通信技术 2013年6期

马谢，沈冬远，王润洪

（①西南通信研究所，四川成都 610041；②某地区军代室，四川成都 610041）

0 引言

从事电子装备设计的工程人员都知道，电磁兼容性是产品的重要性能，但是如何保证良好的电磁兼容性能却让人大伤脑筋，因其不但包含有设计中的原理及原则性问题，也有实际处理中的技巧和注意事项。许多经验和教训告诉我们，电磁兼容既是一个复杂的系统工程，也是一个非常重视细节和阶段性验证的渐进过程[1]。所有寄希望于因为仅在项目之初做了系统设计或者想在最后关头一揽子解决电磁兼容问题的想法都被证明是冒险和不负责任的。文中从电磁兼容管理、设计、验证的经验出发，希望能给从事本专业的人员以借鉴和帮助。

1 电磁兼容管理

1.1 顶层规划

在研制一个复杂设备或系统之前，应首先根据研制对象的类别择定电磁兼容性相关的标准，并综合研制要求中对电磁兼容性能的具体要求，建立电磁兼容的指标体系，从而引导所进行的电磁兼容设计全面，避免过设计和欠设计，确保电磁兼容性能的验证能够定量进行考核。

顶层规划需要进行管理准备和技术准备。管理准备包括为装备各组成部分分配各项电磁兼容指标，建立电磁兼容工作与其他设计工作间的协同机制，制订电磁兼容性大纲和电磁兼容工作计划等顶层文件，规范项目研制的程序，协调出现的责任问题，以保证不同专业方向交叉时出现的问题能够及时得到反馈。技术准备则是通过对系统、分系统、各部件和元器件的电磁特性进行分析预估，确定设计安全裕度和电磁干扰矩阵，规划详细电磁兼容设计的内容，确立装备研制过程中各阶段的电磁兼容性能验证方法。

随着电磁兼容问题越来越被用户重视，也在实际事例中暴露出不重视电磁兼容的严重后果，现在电磁兼容已经被提到了很高的议事日程。大家也逐渐认识到其中的复杂性、系统性并开始重视顶层设计。电磁兼容管理、设计和验证的关系如图1所示。

图1 电磁兼容管理、设计、验证关系

可以看出，电磁兼容管理、设计到验证的过程是一个循环提高的过程，顶层设计越充分，后期设计和验证所走的弯路就越少。

1.2 确定工作流程

装备的电磁兼容工作流程，需要结合本单位主要研制的产品的特点，针对系统装备和单体设备分别建立工作流程，并在多个项目的设计过程中不断地进行修正和补充。由于电磁兼容性的“木桶效应”[2]十分突出，且与装备其它性能间的相互影响力较强，因此，电磁兼容工作必须从系统项目的论证阶段、从设备的部件设计阶段就开始进行，而且必须同步地综合考虑系统或设备的功能性设计和电磁兼容设计，将后者贯穿于方案论证、设计、生产、试验、使用和维护的各个阶段。图2是一种基础的电磁兼容工作流程。

由于装备的电磁兼容性能至关重要，且易受到其它功能、性能设计的影响，在研制过程中，电磁兼容工作必须贯穿全流程，在产品方案论证时应进行电磁兼容规划，在产品功能设计时应进行电磁兼容性能预估和指标分配，在进行产品其它性能设计（如安全性、环境适应性、供配电性能、布线、工艺等）时应充分考虑其对电磁兼容性能带来的影响，而在进行产品功能和性能验证时则应阶段性检测电磁兼容性能。

通常所指的电磁兼容设计不仅仅是指设计，而涵盖较多其它相关工作，包括电磁兼容分析、预估、仿真、设计、验证、优化等。随着电子技术的飞速发展以及系统信息化进程的加快，装备的集成度日益提高，所处的电磁环境十分复杂，电磁兼容不能够再单纯依靠经验和设计原则，而必须将之视为一个系统工程。依托科学的、先进的技术手段，有前瞻性的配置充足、合理的软硬件条件，以“流程化、系统化、层次化、等级化”为建设原则，最终实现各阶段电磁兼容设计和验证测试的“可视、可控、可量化”。

图2 电磁兼容工作流程

2 电磁兼容设计与验证

2.1 设计内容与流程

有关电磁兼容设计的相关书籍和文献很多，基本原理和原则性的设计方法在此不再进行表述，仅提出一种电子装备及系统的电磁兼容设计流程以供参考，如图3所示。

图3 电磁兼容设计流程

1）掌握设计输入（包括具体电磁兼容性要求、物理模型、结构布局、工作模式和参数指标等）。

2）分析装备的频谱资源占用情况，初步确定干扰隐患。

3）对于系统装备，细化分析整体运行时的任务时域剖面。

4）建立干扰源、传递途径与敏感部位之间的关联模型，得出各组成部分的干扰矩阵，确定各部分间的干扰途径和互兼容程度。

5）进行基于电路的电磁仿真，确定装备内可能存在的干扰[3]，评估薄弱环节和需细化设计的部分。

6）根据上述顶层分析和仿真结果，对天线间耦合度和增益方向图（对系统装备而言）、结构谐振频率、线缆辐射、线缆间串扰、求解区域内的电场和电流分布等进行三维电磁场仿真，通过仿真、评估、修改、优化的循环得出合理的设计方案。

7）进行电磁干扰抑制设计（包括电源及信号的滤波设计、孔缝结构的屏蔽设计[4]、线缆的屏蔽和布设方案设计等）。

8）综合阻抗、趋肤效应、抗氧化性能及工程实施进行接地与搭接设计。

2.2 设计过程中的测试

无论多么优秀的电磁兼容设计人员，在试验前总是惴惴不安的。抛开测试谈设计只能是纸上谈兵。为确保设计手段的有效性，准确掌握装备在各阶段的电磁兼容性能状态，必须在设计过程中融入测试，结合测试的数据及时对设计进行修正、优化。

因此，完整的电磁兼容设计需要具备一定的测试环境，让测试过程贯穿设计到验证的全过程。其中包括 PCB级的检测仪器（组件）、整机级的测试仪器、系统级的测试系统。目前国内的电磁兼容设计大多还停留在“边走边看”的层次上，仅有的测试组件也未能发挥足够的作用。从PCB板级检测的仪器来看，绝大多数研发单位都拥有价格不菲的预兼容测试仪器，但因为多种原因预兼容测试的推动则较为缓慢[5]。究其根本大多是在电磁兼容管理工作做的不够，电磁兼容工作流程不完善，顶层设计工作不充分。

2.3 测试结果的应用

前面已经提到，测试是电磁兼容设计的一部分，而不是简单的最终判定。目前要作到保证设计一次成功的几率非常小，至少在国内的技术现状是如此。因为电磁兼容本身是一门实验科学，偶然性很大。测试的目的既要验证设计的思路是否正确，还要在此基础上进行减冗设计，将性价比控制在最好的范围内。不管是军用产品还是民用产品，在市场竞争的环境下，提高性能，降低成本是永远的主题。

各阶段的电磁兼容测试结果是十分宝贵的。应该利用本身具备的条件，创建电磁兼容测试结果数据库系统，并尽可能地将设计中的技术手段进行验证。为此，各阶段的测试必须保留详细的数据记录，以装备的电磁兼容原始测试记录为基础，结合各项电磁兼容验证实验的相关整改措施，对试验记录和整改措施进行分类、概括和分析。

依托测试结果数据库，对装备电磁兼容地试验数据和测试整改经验进行汇总、整理、分析，能够有效避免由于设计人员流动导致的电磁兼容设计经验的流失，保留和传承宝贵的电磁兼容设计资源。此外，设计人员可以借鉴数据库中已有的电磁兼容设计方法和设计技巧，缩短设计时间，规避原则性错误，减少设计及生产成本。