系统级电磁兼容量化设计技术_上课讲解

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1、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：13911503998，01082317224 Email：sdl 网址： 1 提纲 n关于电磁兼容的一些认识 n自顶向下电磁兼容量化技术 2 电磁兼容定义 l Joint Pub 1-02, DoD Dictionary Military And Associated Terms With JMTGM Changes, 23 MARCH 1994 defines EMC as: 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

2、未预知的性能降级。 The ability of systems, equipment, and devices that utilize the electromagnetic spectrum to operate in their intended operational environments without suffering unacceptable degradation or causing unintentional degradation because of electromagnetic radiation or response. 3 电磁兼容问题 器件 电路 设备

3、 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 4 系统内电磁兼容问题日趋复杂 n系统级问题是产品最关键的问题； n系统内问题是最基础、最根本的问题； n顶层设计是最核心的问题； n顶层量化设计是最困难的问题； n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 5 6 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”

4、 “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”。 6 7 自由空间麦克斯韦方程组 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 1 2 3 4 5 7 8 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 8 9 静态场问题：频率=0 结论：电场与磁场之间不存

5、在相互耦合 0 0 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 9 10 时变场问题：频率0 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 10 R V 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！ 11 提纲 n关于电磁兼容的一些认识 n自顶向下电磁兼容量化技术 系统工程 顶层设计 量化控制 12 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

6、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

7、制 ， 成 功 率 高 1 2 3 4 5，6 7，8 自顶向下量化控制方法 13 量化控制 14 电磁兼容尚需努力的方向 n良好电磁兼容性是设计出来！ l 电磁兼容设计 n标准目前主要是“把出口”！ l 电磁兼容设计标准 n电磁兼容指标直接应用于电子系统设计！ l 电磁兼容设计指标 15 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

8、分系统性能 8、全机电磁兼容试验检测系统性能 16 制定及分配顶层指标的三个核心 技术 n全平台频谱关系分析 n全平台电磁干扰关联矩阵 n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。 17 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 18 系统电磁兼容设计软件：BHEMCD 功能：指标论证、预测、设计、分配 19 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

9、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。 20 制定及分配顶层指标的三个核心技 术 n全平台频谱关系分析 n全平台电磁干扰关联矩阵 n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

10、扰关联关 系，建立各分系统的特征分析模型。 21 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 n 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 22 非预期信号：电磁环境 n系统电磁兼容性的 要求 l规定了系统电磁兼 容性的总要求，包 括14项目内容； l符合性应由试验、 分析或其组合来验 证。 23 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

11、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 23 对复杂电磁环境要求的理解 n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 n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 2424 系统对环境要求 n 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。 n 系统允许环境的无意

12、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。 n 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。 25 外部射频电磁环境 n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 l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 l当无相应数据时可采用标准推荐数据 26 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 1 10 100 1000 10000 1 10 100 1000 10000 在舰船上发射机主波束下工作时的外部电磁环境 1 10 100 1000 10000 陆

13、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 1 10 100 1000 10000 27 对分系统性能的符合性检测 n不同于标准规定的电磁兼容检测方法 n制定与电磁兼容设计紧密相关的检测指标 28 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 29 符合性检测数据表发

14、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 30 其他要求及注意事项 n 设备原理框图、射频辐射部分各子模块的性能指标 n 请在各子模块旁标出动态、静态性能指标，例如： n 功率、输入/输出阻抗； n 电源种类、电压、频率、滤波方式； n 电机的工作方式、转速； n 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

15、； n 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； n 数字信号波形、幅度、脉宽、频率、带宽、占空比、重复频率； n 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； n 画出原理框图，描述工作原理、可能出现辐射的原因。 31 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 ），

16、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 、环境电平测试 、相互干扰检查 等系统 级试验 ）内容，测试单 位，测试 日期、时间 ，环境温度、湿度 RE102电场辐 射发射(10kHz18GHz)测试 指标、测试 条件、测试 方法 CE102电源线传导发 射（10kHz10MHz）测试 指标、测试 条件、测试 方 法 电磁泄漏测试 (10kHz1GHz)测试 指标、测试 条件、测试 方法 相互干扰检查 测试 指标、测试 条件、测试 方法32 结束语 n电磁兼容是有规律可循的 n重视电磁兼容的顶层设计 n重视电磁兼容的全过程量化控制 n电磁兼容重在把好入口关 n电磁兼容设计可以实现一次性成功 33 34