系统级电磁兼容量化设计技术

系统级电磁兼容量化技术报告人：苏东林（北京航空航天大学电磁兼容实验室）联系方式：13911503998，01082317224Email：[e-mail]网址：产品论证时，有没有电磁兼容的论证指标？2.将标准视为产品电磁兼容要求，是否有执行力？3.研制要求中是否需要电磁兼容量化设计要求？4.如何解决电磁兼容故障难于复现、难于定位？5.如何解决线缆造成的弥散型干扰问题？6.如何实现电磁兼容的过程控制？7.如何对产品的电磁兼容性进行量化评估？3提纲一．关于电磁兼容的一些认识二．自顶向下电磁兼容量化技术4电磁兼容定义JointPub1-02,DoDDictionaryMilitaryAndAssociatedTermsWithJMTGMChanges,23MARCH1994definesEMCas:所有使用电磁频谱工作的系统、装备和装置的一种能力。这种能力保证它们在既定的工作条件下，不会因电磁发射或响应而造成不能接受的或者未预知的性能降级。Theabilityofsystems,equipment,anddevicesthatutilizetheelectromagneticspectrumtooperateintheirintendedoperationalenvironmentswithoutsufferingunacceptabledegradationorcausingunintentionaldegradationbecauseofelectromagneticradiationorresponse.5电磁兼容问题器件→电路→设备→分系统→系统电磁兼容3要素：1)敏感体2)干扰源3)耦合通道其它系统系统自身外部环境系统间系统内系统与环境6系统内电磁兼容问题日趋复杂系统级问题是产品最关键的问题；系统内问题是最基础、最根本的问题；顶层设计是最核心的问题；顶层量化设计是最困难的问题；过程量化控制是最有效的手段；顶层预设计、过程量化控制现代电磁兼容的两大特征：系统设计+全寿命周期77系统设计特征——量化设计与控制“系统电磁兼容需求分析”→“电磁环境分析（新增）”→“系统电磁兼容性设计”→“应用环境下抗干扰设计（新增）”→“分系统电磁兼容性设计”→“设备电磁兼容性设计”→“设备电磁兼容性试验”→“设备电磁兼容性修正”→“分系统电磁兼容性试验”→“分系统电磁兼容性修正”→“系统电磁兼容性试验”→“系统电磁兼容性修正”→“应用环境下抗干扰试验（新增）”→“抗干扰性修正（新增）”→“应用环境下抗干扰试验（新增）”→“系统电磁兼容性定型试验”。电磁兼容三要素中：敏感设备最易识别；耦合通道最难检测。下面通过电磁场理论认识耦合通道，了解现代电磁兼容问题。88自由空间麦克斯韦方程组0cssdHdsJdaEdadt法拉第电磁感应定律修正的安培环路定律电场高斯定律磁场高斯定律电荷守恒定律0csdEdsHdadt0netsVEdadVQ00sHdanetsVdQdJdadVdtdt1234599场定律物理意义表示直接关系表示时变关系电荷电场电流磁场时变部分电磁波3式2式右边第一项2式右边第二项1式5式1010静态场问题：频率=0结论：电场与磁场之间不存在相互耦合0cssdHdsJdaEdadt0netsVEdadVQ00sHdanetsVdQdJdadVdtdt0csdEdsHdadt00电荷电场3式电流磁场2式右边第一项2式右边第二项1式5式时变部分电磁波1111时变场问题：频率＞＞00cssdHdsJdaEdadt0csdEdsHdadt0netsVEdadVQ00sHdanetsVdQdJdadVdtdtsadE0dtd0电场2式右边第二项1式时变部分电磁波磁场电荷3式电流2式右边第一项5式电磁场之间相互耦合电磁波12RV问题：电压源V的能量如何传递到负载R能流导线电阻电源只要有电磁场的地方，就有可能形成电磁干扰的耦合通道！13提纲一．关于电磁兼容的一些认识二．自顶向下电磁兼容量化技术——系统工程——顶层设计——量化控制14系统工程说明：虚拟屏蔽技术rE~rH~rE~rE~rH~rH~rE~rE~iE~iH~iE~iE~iH~iH~H~H~H~H~H~H~H~H~H~E~E~E~E~虚拟电壁15系统级顶层设计方法分系统1分系统2分系统N……设备1设备1设备3设备2设备2设备K……电路板1电路板2电路板M……器件1器件2器件M……自顶向下综合事先预测主动方法论证设计初期16①自顶向下电磁兼容量化设计顶层指标：1、电磁兼容度2、兼容概率，3、电磁稳健性。可对全机如下13项指标量化:1、频率指配2、天线布局3、设备布局4、电缆布局5、发射功率6、发射带外衰减7、接收灵敏度8、接收带外抑制9、屏蔽性能10、电磁环境分布11、舱体谐振特性12、系统分系统及设备降级状况13、设备安全性优先级等技术指标要求量化评估全系统是否兼容根据标准提出系统电磁兼容量化指标要求通过/不通过不通过通过/不通过指标调整优化通过系统联试与试验量化指标分配到分系统和设备分系统设计分系统研制及试验分系统与全系统协同设计分系统试验结果与全系统协同设计通过/不通过不通过通过不通过通过定型全过程量化控制，成功率高12345，67，8自顶向下量化控制方法17量化控制18电磁兼容尚需努力的方向良好电磁兼容性是设计出来！电磁兼容设计标准目前主要是“把出口”！电磁兼容设计标准电磁兼容指标直接应用于电子系统设计！电磁兼容设计指标19电磁兼容量化设计流程（8个步骤）8个步骤效果1、制定顶层设计指标系统性能可控2、分解顶层设计指标分系统性能可控3、量化评估分系统方案确保方案兼容4、检测分系统指标符合性排查设计缺陷5、预测分系统性能对系统影响预测系统降级6、设计系统集成方案弥补分系统设计缺陷7、分系统联调试验检测分系统性能8、全机电磁兼容试验检测系统性能20制定及分配顶层指标的三个核心技术全平台频谱关系分析全平台电磁干扰关联矩阵全平台电磁兼容数字化模型全平台频谱关系分析：分析全平台全部用频电子设备之间频率耦合关系。包括：带内、带外杂散，谐波，交互调。目的：尽量消除频率冲突。21全平台频谱关系分析软件：BHEMCF分系统3的频谱分系统2的频谱分系统1的频谱系统频谱22系统电磁兼容设计软件：BHEMCD功能：指标论证、预测、设计、分配23BHEMCD软件实例发射机参数24BHEMCD软件实例敏感设备干扰设备接收机发射机天线耦合关系指标分配设计与分配25设计检测评估平台电磁兼容指标分配与评估BHEMCS模型建模和导入BHEMCL电磁兼容设计BHEMCD性能描述平台名称北航自主研制飞机全机电磁兼容总体设计平台干扰关系分析平台频率优选平台电磁兼容评估平台综合显控平台26北航自主研发的系统级电磁兼容设计检测评估平台可对如下14项指标进行预测：电磁兼容度、频率指配、天线布局、电缆布局、设备布局、发射功率、发射带外衰减、接收灵敏度、接收带外抑制、屏蔽性能、电磁环境分布、舱体谐振特性、系统分系统及设备降级状况、设备安全性优先级等可以完成1、总体及分系统方案的电磁兼容性评估；2、总体电磁兼容性量化指标的制定；3、总体向分系统电磁兼容指标的分解；4、整机电磁兼容隐患的预测，等。27制定及分配顶层指标的三个核心技术全平台频谱关系分析全平台电磁干扰关联矩阵全平台电磁兼容数字化模型全平台电磁兼容数字化模型数字飞机是进行全机电磁兼容性量化设计评估的关键，是开展预测评估的基础平台。数字飞机的功能是能够在飞机整机系统层面分析全机各分系统间的干扰关联关系，建立各分系统的特征分析模型。28电磁兼容设计方法的特殊性电磁兼容设计=（正常信号）设计+（正常信号+非预期信号）设计将设计信号与非预期信号共同作为设计输入，分析系统的响应，预测系统的降级，设计加固方案电磁兼容模型≠正常信号设计模型电磁兼容模型=正常设计信号模型+非预期信号模型29非预期信号：电磁环境系统电磁兼容性的要求规定了系统电磁兼容性的总要求，包括14项目内容；符合性应由试验、分析或其组合来验证。29序号要求项目1安全裕度2系统内电磁兼容性3外部射频电磁环境4雷电5电磁脉冲6分系统和设备电磁干扰7静电电荷控制8电磁辐射危害9全寿命期电磁环境效益控制10电搭接11外部接地12防信息泄漏13发射控制14频谱兼容性管理30对复杂电磁环境要求的理解设计时：确保系统内是电磁兼容的，并在使用之前证明它与外部环境是电磁兼容的应考虑系统全寿命期的所有状态或阶段，包括正常的工作、检查、贮存、运输、搬运、包装、维护、加载、卸载和发射等，还要考虑实现上述各种状态（或阶段）相应的正常操作程序3031系统对环境要求首先要约定电磁环境界面。在这个界面上，系统允许环境的有意发射不超过规定值，具体数值与由环境存在的发射机功率预估，与系统接收机带外抑制相关。系统允许环境的无意发射不超过规定值。具体数值由环境存在的发射机的谐波、杂波指标推算，由系统接收灵敏度指标预估。系统和环境的界面电磁场分布和频谱应已知，这是大系统重要接口关系。32外部射频电磁环境系统应是与规定的外部射频电磁环境电磁兼容的，以满足系统的工作性能要求外部射频电磁环境应优先采用经订购方同意的实测或预测分析的数据当无相应数据时可采用标准推荐数据33典型外部射频电磁环境要求舰船甲板上工作的外部电磁环境110100100010000110100100010000在舰船上发射机主波束下工作时的外部电磁环境110100100010000陆军直升机的外部电磁环境固定机翼飞机（不包括舰船上工作）的外部电磁环境11010010001000034对分系统性能的符合性检测不同于标准规定的电磁兼容检测方法制定与电磁兼容设计紧密相关的检测指标35符合性检测数据表——接收机通信设备名称通信设备代号第一本振频率第一本振带宽第二本振频率第二本振带宽第一中频频率第一中频带宽第二中频频率第二中频带宽工作方式选择性（已使用滤波器的类型、参数指标、通带、阻带）全机系统放大器的增益和噪声系数全机系统混频的增益和噪声系数本振晶体频率接收灵敏度解调方式隔离度，带外抑制，杂波，谐波等36符合性检测数据表——发射机通信设备名称通信设备代号第一本振频率第一本振带宽第二本振频率第二本振带宽第一中频频率第一中频带宽第二中频频率第二中频带宽谐波频点及抑制比选择性（已使用滤波器的类型、参数指标、通带、阻带、）带外抑制，杂波，各次谐波衰减度等全机系统放大器的增益和噪声系数全机系统混频的增益和噪声系数37其他要求及注意事项设备原理框图、射频辐射部分各子模块的性能指标请在各子模块旁标出动态、静态性能指标，例如：功率、输入/输出阻抗；电源种类、电压、频率、滤波方式；电机的工作方式、转速；晶振频率、是否分频或倍频、稳频方式、带外抑制、杂波，各次谐波衰减度等；模拟信号类型、幅度、波形、带宽、是否调制、调制特征，传导方式，谐波特征；数字信号波形、幅度、脉宽、频率、带宽、占空比、重复频率；采取的常用电磁兼容手段：接地方式、方法；屏蔽方式、材料；搭接方法；滤波器类型、位置、方法；画出原理框图，描述工作原理、可能出现辐射的原因。38采用的电磁兼容设计、实验情况目前发现的电磁兼容问题（请详细说明干扰现象、设备受干扰时的工作性能等）目前采用的常用电磁兼容措施（屏蔽、搭接、滤波、接地、工作频率优化等）、实施位置、方法和解决问题的效果已经通过的电磁兼容试验测试项目（注明国军标、行业标准、经验），或者基本测试（EMI、EMS、静电放电、搭接电阻、接地电阻、敏感部位、电源特性的简单测试、电磁辐射危害测量、辐射安全裕度测量、传导安全裕度测量、天线隔离度测试、