孫欣萌

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

引言

電磁敏感度指的是在存在電磁騷擾的情況下，描述承受電磁干擾的一種性能，即它們在一定電磁環(huán)境下，按一定要求正常工作的性能。瞬態(tài)電磁環(huán)境具有高能量（場強可達(dá)數(shù)十萬V/m）、寬頻帶（能量分布頻帶寬）、陡上升（上升沿可達(dá)納秒級）、大空域（作用范圍可達(dá)上千公里）等特點。瞬態(tài)電磁環(huán)境主要以能量的形式影響電子信息系統(tǒng)的正常工作。按耦合方式分類，主要可分為“前門”耦合和“后門”耦合兩種方式。①“前門”耦合。主要通過電子信息系統(tǒng)天線接收產(chǎn)生的干擾；②“后門”耦合。主要通過電子信息系統(tǒng)殼體、孔縫、線纜產(chǎn)生的干擾，電子信息系統(tǒng)內(nèi)一般含有多個模塊，各模塊之間主要靠線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和信息交互，瞬態(tài)電磁環(huán)境通過在線纜處的耦合電壓/電流，對線纜連接處的模塊產(chǎn)生影響，影響電子信息系統(tǒng)的正常運行。按耦合途徑分類，主要可分為天線耦合、殼體耦合和線纜耦合三種耦合方式。通過天線、孔縫耦合進(jìn)入的場大多以輻射敏感的方式影響系統(tǒng)，通過線纜耦合進(jìn)入的場大多以傳導(dǎo)敏感的方式影響系統(tǒng)[1-3]，導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)在瞬態(tài)電磁環(huán)境作用下極易出現(xiàn)電磁敏感甚至電磁毀傷，因此瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的電磁敏感性分析及電磁敏感性指標(biāo)設(shè)計越來越成為研究的熱點和難點。

目前對瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的電磁敏感性分析主要是通過試驗及數(shù)值仿真的方式開展，并形成了一系列試驗標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 151B-2013，MIL-STD-461G，MIL-STD-464D 等。數(shù)值仿真主要集中在電磁仿真算法研究，如矩量法[4]、有限元法[5]、時域有限差分法[6]、多導(dǎo)體傳輸線法[7]以及一些混合算法[8]等。同時，國內(nèi)研究團(tuán)隊從瞬態(tài)電磁環(huán)境效應(yīng)及電磁防護(hù)等方面開展了大量的研究工作。中國艦船研究所的范昕等人對艦船常見電子信息系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾作用機理、建模與預(yù)測開展研究[9]。解放軍某部隊的李超等人通過研究,為我國水面艦船的強電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)制訂提供技術(shù)支撐[10]。中國艦船研究設(shè)計中心鄭生全等人根據(jù)艦船平臺電子信息系統(tǒng)對強電磁脈沖威脅與防護(hù)要求，提出了艦船平臺電子信息系統(tǒng)對強電磁脈沖的防護(hù)要求[11]。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計新方法，支持對設(shè)備互連線纜和接收機的敏感度進(jìn)行設(shè)計，以保證其在瞬態(tài)電磁環(huán)境下的生存特性，有抵御給定的電磁環(huán)境干擾的能力，并有一定的安全余量。

1 瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計方法整體流程

本文所提方法整體流程如圖1 所示。

圖1 瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計方法流程

主要包括以下步驟：

1）構(gòu)建系統(tǒng)模型，并確定瞬態(tài)電磁進(jìn)入系統(tǒng)的途徑和影響系統(tǒng)的方式。其中系統(tǒng)模型包括帶有孔縫的系統(tǒng)外殼，系統(tǒng)外殼上設(shè)置有天線，系統(tǒng)外殼內(nèi)設(shè)置有多個設(shè)備；設(shè)備包括通過射頻線與天線連接的接收機，以及通過線纜互連的接收設(shè)備，線纜包括信號線和控制線。瞬態(tài)電磁環(huán)境通過前門耦合和后門耦合兩種途徑進(jìn)入系統(tǒng)，前門耦合是指通過天線進(jìn)入系統(tǒng)，并對與天線連接的接收機產(chǎn)生影響；后門耦合是指通過孔縫進(jìn)入系統(tǒng)，在線纜上產(chǎn)生耦合效應(yīng)，對通過線纜互連的接收設(shè)備產(chǎn)生影響。

2）給定瞬態(tài)電磁場輻射敏感度指標(biāo)。瞬態(tài)電磁場輻射敏感度指標(biāo)針對的是整個系統(tǒng)承受的瞬態(tài)電磁環(huán)境的能力，通過GJB 151B 中規(guī)定的RS105 試驗獲得或直接預(yù)先設(shè)定；

3）基于給定的瞬態(tài)電磁場輻射敏感度指標(biāo)，對系統(tǒng)模型內(nèi)的敏感閾值進(jìn)行計算；

4）根據(jù)計算的敏感閾值與系統(tǒng)模型中部件的設(shè)計指標(biāo)，綜合確定系統(tǒng)內(nèi)的敏感閾值指標(biāo)。

2 電磁敏感指標(biāo)設(shè)計模型

在瞬態(tài)電磁環(huán)境通過后門耦合的方式進(jìn)入系統(tǒng)外殼內(nèi)部時，系統(tǒng)外殼內(nèi)部的電磁環(huán)境輻射量值如下：

式中：

PE內(nèi)—系統(tǒng)內(nèi)部電磁場環(huán)境指標(biāo)，單位：dBV/m；

PE外—系統(tǒng)總體設(shè)計指標(biāo)，單位：dBV/m；

L—殼體屏蔽效能，單位：dB。

殼體內(nèi)部電磁環(huán)境在線纜上產(chǎn)生耦合效應(yīng)，通過線纜端口流入接收設(shè)備內(nèi)部，并與線纜長度、布局以及離地高度密切相關(guān)，通過線纜產(chǎn)生的干擾主要分為共模干擾和差模干擾，“共?！焙汀安钅！笔请妷夯螂娏髟趥鬏攲?dǎo)線中的兩種形式，通常是基于干擾電流在電纜上流動路徑進(jìn)行分類的。共模電流（Common Mode Current）是指在電路中同時流過兩個導(dǎo)體（通常是電纜、線路或?qū)w對）的電流，且它們方向相同。這些共模電流可能源自設(shè)備內(nèi)部因素，也可能是外部設(shè)備因素對電纜的影響所致。它不會在正常電路中產(chǎn)生有用的信號，而是可能導(dǎo)致干擾和噪音。共模電流的存在可能會影響系統(tǒng)的性能，特別是在對信號質(zhì)量要求較高的應(yīng)用中。

外界因素在電纜上產(chǎn)生的共模電流并不會對電路產(chǎn)生影響，但如果在電路不平衡的情況下，共模電流會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐份斎攵说牟钅ｋ妷?，此時，會對電路產(chǎn)生一定的影響。

為分解該線纜電磁兼容指標(biāo)，需要建立內(nèi)部場與線纜共模耦合效應(yīng)關(guān)系函數(shù)F(s) ，以及內(nèi)部場與線纜差模耦合效應(yīng)關(guān)系函數(shù)H(s) ，如圖2 所示。F（s）、H（s）可以通過仿真或試驗測試的方法獲得，在實際應(yīng)用過程中將其作為預(yù)先測定好的已知函數(shù)。

圖2 線纜共模、差模耦合效應(yīng)關(guān)系圖

再據(jù)此計算出線纜共模電流和差模電壓：

式中：

E內(nèi)—系統(tǒng)內(nèi)部場環(huán)境場強，根據(jù) PE內(nèi)=20lg E 計算得到，單位V/m。

將共模電流和差模電壓的敏感閾值轉(zhuǎn)換為dB 的形式，并留6 dB 的設(shè)計余量，得到線纜共模電流和差模電壓的敏感閾值：

在瞬態(tài)電磁環(huán)境通過后門耦合的方式進(jìn)入系統(tǒng)外殼內(nèi)部時，輻射場在與天線連接的射頻線上產(chǎn)生耦合效應(yīng)，通過射頻端口注入系統(tǒng)外殼內(nèi)部的接收機，通過建立場環(huán)境與射頻線的耦合效應(yīng)關(guān)系函數(shù)H′（s） ，H′（s）通過仿真或試驗測試的方法獲得。在實際應(yīng)用過程中將其作為預(yù)先測定好的已知函數(shù)，計算得到端口感應(yīng)電壓：

式中：

E外—瞬態(tài)電磁場輻射敏感度指標(biāo)，表征系統(tǒng)外的瞬態(tài)電磁環(huán)境。

令R 為射頻線端口等效負(fù)載，即端口負(fù)載的功率為：

式中：

根據(jù)敏感閾值S端口=10 lgP端口，留有6 dB 的設(shè)計余量，由此推出天線接收機敏感閾值S：

式中：

S端口—天線端口功率，單位：dBm；

fdown—接收天線的頻率下限；

fup—接收天線的頻率下限；

felse—[fdown,fup]之外的頻帶；

φf—設(shè)備在測試頻帶ftest抑制度。

通過仿真或試驗測試的方法，可以對所提天線接收機敏感閾值S 推導(dǎo)模型進(jìn)行準(zhǔn)確度分析。在仿真或試驗測試中，天線接收機敏感閾值S 主要通過載噪比（CNR）進(jìn)行判斷，它對天線接收機系統(tǒng)內(nèi)接收信號質(zhì)量的好壞起著決定性作用。根據(jù)定義，載噪比是指載波信號中的有用信號功率Ps與噪聲（或干擾）功率Pn之比，即CNR=Ps/Pn。調(diào)制方式不同的接收機對載噪比的要求不同，但是檢波器輸入端都有一個門限值要求，即只有當(dāng)接收系統(tǒng)的實際CNR 大于此門限值時接收信號的質(zhì)量才能得到保證。

在接收機正常檢波的過程中，需要滿足一定條件：接收機的輸入端必須具備足夠的有用信號功率PSout（ωSI），使其大于檢波器所能檢測到的最小功率PSmin（ωSI）。除此之外，必須確保檢測設(shè)備所需的信噪比門限值CNRth不高于載波功率與干擾信號功率之比。這些條件是評估接收機靈敏度閾值的重要標(biāo)準(zhǔn)。

式中：

PJout（ωJI）—瞬態(tài)干擾信號在接收機進(jìn)行變頻處理后，在檢波器輸入端的功率；

N—檢波器輸入端接收機的內(nèi)部噪聲，對于某一特定接收機來說，其值相對穩(wěn)定在某一具體數(shù)值上。

若PSout（ωSI）＜PSmin（ωSI），即在受到干擾的情況下，有用信號可能會受到嚴(yán)重減弱，導(dǎo)致接收機可能會失去有用的信息。若PSout（ωSI）≥ PSmin（ωSI），即當(dāng)干擾信號的功率超過了檢波器所能檢測到的最小值時，這將導(dǎo)致產(chǎn)生虛假信號，可能導(dǎo)致接收機錯誤地觸發(fā)或誤動作。相反，若PSout（ωSI）/（PJout（ωJI）+N）＜CNRth，即當(dāng)有用信號的功率不足以進(jìn)行正確解調(diào)時，接收機將無法準(zhǔn)確解析有用信號。上述條件中任何一項不滿足，都可能導(dǎo)致接收機無法正常工作。

對于數(shù)字通信系統(tǒng)，除了CNR 作為敏感判據(jù)外，還可以利用誤碼率（BER）作為判據(jù)，具體為：

式中：

MSout（ωSd）、MJout（ωJd）—檢波器輸出端有用信號、干擾信號的幅度；

MSmin（ωSd）—檢波器所要求的最小輸出幅度；

BERth—系統(tǒng)所能接受的最大誤碼率。

同理，上式中任何一項不成立，接收機都有可能無法正常工作。

對于瞬態(tài)干擾信號與天線接收機敏感閾值之間的關(guān)系如圖3 所示，S（ωJiRF）表示瞬態(tài)干擾源作用下，接收機的敏感度閾值，ωJiRF干擾信號頻率，Pi（ωJiRF）表示干擾信號功率，PSout（ωSI）表示有用信號經(jīng)過接收機變頻等處理后敏感端口處的功率值，PJout（ωJI）表示表示敏感端口處的干擾信號功率。

圖3 瞬態(tài)干擾信號與天線接收機敏感閾值關(guān)系分析流程

瞬態(tài)干擾信號與天線接收機敏感閾值關(guān)系分析具體步驟如下：

1）建立接收機行為級模型，在射頻輸入端注入有用信號和干擾信號，將干擾信號的功率Pi（ωJiRF）和頻譜ωJiRF設(shè)為變量，有用信號的功率設(shè)為最小可接收功率；

2）將頻率ωJiRF設(shè)為某一恒定值；

3）對干擾信號功率Pi（ωJiRF）進(jìn)行調(diào)整，然后執(zhí)行仿真分析；

4）在敏感端口處，讀取有用信號功率PSout（ωSI）、干擾信號功率PJout（ωJI），計算CNR，判斷是否滿足敏感判據(jù)，若敏感判據(jù)中的任何一條的臨界等式成立，則判斷接收機敏感，進(jìn)而執(zhí)行步驟5）；否則執(zhí)行3）；

5）保存4）中令敏感判據(jù)成立的干擾信號的功率并記做S（ωJiRF），同時記錄此時干擾信號的頻率；判斷干擾信號頻率是否在感興趣的頻率范圍內(nèi)，如果不在，執(zhí)行步驟4）；否則執(zhí)行步驟3）；

仿真結(jié)束，根據(jù)5）所記錄的功率值和頻率值，得到天線接收機敏感閾值S。

對于連接系統(tǒng)外殼內(nèi)接收設(shè)備的線纜，將計算得到的共模電流和差模電壓的敏感閾值標(biāo)記為Ci，i=1，2，其中i=1 時，對應(yīng)的Ci為PI；i=2 時，對應(yīng)的Ci為PU；獲取線纜本身的敏感閾值Ki，其中i=1 時，對應(yīng)的Ki表示線纜本身的共模電流敏感閾值；i=2 時，對應(yīng)的Ki表示線纜本身的差模電壓敏感閾值；

獲取線纜本身的敏感閾值Ki的方式包括：

1）對線纜進(jìn)行試驗，直接測試線纜共模電流和差模電壓的敏感閾值；若需要進(jìn)行測試時，差模電壓的敏感閾值可以通過CS101 或CS106 測試進(jìn)行獲??；共模電流敏感閾值可以通過CS114、CS115 或CS116 試驗進(jìn)行獲??；

2）根據(jù)線纜情況，預(yù)先給定線纜共模電流和差模電壓的敏感閾值。

將Ci與Ki進(jìn)行對比，取較為嚴(yán)苛的指標(biāo)為瞬態(tài)電磁環(huán)境下系統(tǒng)的敏感設(shè)計指標(biāo)Qi：

Qi=max（Ki，Ci），i=1，2

將敏感設(shè)計指標(biāo)Qi作為最終的線纜敏感閾值指標(biāo)；

對于通過射頻線與天線連接的接收機，設(shè)接收機自身在工作頻帶內(nèi)靈敏度為L f,f∈[fdown,fup]，其中，fdown與fup分別表示設(shè)備工作頻段的下限與上限；

給定接收機天線端子帶外響應(yīng)抑制R f,f∈felse，由Lf與Rf綜合得到電子設(shè)備的接收機敏感閾值函數(shù)S′，如下式所示：

取S′和S 較為嚴(yán)苛的指標(biāo)max（S，S′）為接收機敏感設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，瞬態(tài)電磁環(huán)境越來越成為影響電子信息系統(tǒng)正常工作的潛在威脅，面向?qū)嶋H應(yīng)用場景，如何在電子信息系統(tǒng)設(shè)計研制階段進(jìn)行電磁敏感指標(biāo)設(shè)計對確保其正常使用尤為重要。本文從瞬態(tài)電磁環(huán)境作用于電子信息系統(tǒng)典型耦合通道（前門、后門）出發(fā)，提出了一種瞬態(tài)電磁環(huán)境下電子信息系統(tǒng)的敏感指標(biāo)設(shè)計方法，為電子信息系統(tǒng)抗瞬態(tài)電磁環(huán)境干擾提供了一種新的技術(shù)途徑與思路。