在人类尚未发明发电机和使用电能之前,地球上就已经存在自然界的电磁现象。自从1866年世界上第一台发电机发电以来,利用电磁效应工作的电气设备越来越广泛,同时产生了越来越多的有害的电磁干扰,造成了电磁环境污染。
电磁干扰是人们早就发现的电磁现象,它几乎和电磁效应现象同时被发现。
早在19世纪,电磁干扰随着电磁学的产生开始萌芽和发展。
1822年,安培发表了电流产生磁力的基本定律。
1831年,法拉第发现了电磁感应现象,总结出电磁感应定律,揭示了变化的磁场在导线中产生感应电动势的规律。
1864年,麦克斯韦综合了电磁感应定律和安培全电流定律总结出麦克斯韦方程,提出了位移电流的理论,全面地论述了电和磁的相互作用并预言电磁波的存在。麦克斯韦的电磁场理论为人们认识和研究电磁干扰现象奠定了理论基础。
1881年,英国科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章,标志着研究电磁干扰问题的开端。
1887年,原柏林电气协会成立了“全部干扰问题委员会”,成员包括赫姆霍兹、西门子等人。
1888年,德国物理学家赫兹首创了天线,第一次把电磁波辐射到自由空间,同时成功接收到电磁波,用实验证实了电磁波的存在,开始了人类对电磁干扰问题的实验研究。
1889年,英国邮电部门研究了通信中的电磁干扰问题,使电磁干扰问题研究开始走向工业化和产业化。同期美国的《电子世界》杂志刊登了电磁感应方面的论文。
20世纪以来,由于电子电气技术的发展和应用,随着通信、广播等无线电事业的发展,人们逐渐认识到需要对各种电磁干扰进行控制。特别是工业发达国家格外重视控制干扰,他们成立了国家级和国际间的组织,如德国电气工程师协会、国际电工委员会(The International Electrotechnical Commission,IEC)、国际无线电干扰特别委员会(International Special Committee on Radio Interference,CISPR)等,并投入了大量人力开始对电磁干扰问题进行世界性的有组织的研究。
民用射频干扰的研究始于无线电广播。大约从20世纪20年代开始,各国都相继开展了广播业务,由于接收质量受环境噪声的干扰,因此人们开始认识到电磁干扰是一个重要的现实问题,工程刊物上开始发表有关文章。
在美国,随着无线电广播传播的开始,人们逐渐认识到无线电干扰与电力设备制造厂商和电力营运公司有着密切的利害关系。这一关系最终严重到要由美国全国电光协会和美国电气制造商协会出面组建技术委员会,来负责研究无线电干扰的各方面,其目的是开发相应的测量技术和制定性能标准。其工作成果是在20世纪20年代为此目的出版的几种技术报告、关于测量方法的文件和测试仪表的改进,其中,系统地阐述了高架输电线近旁电场强度和无线电广播电台产生的电场强度的测量方法,测量无线电噪声和场强的仪表研发,以及确定无线电噪声容限的信息基础。
与此同时,欧洲的一些国家开始出现讨论无线电干扰各方面的技术文献。这些文献不仅涉及无线电发射产生的干扰,而且涉及对无线电信号接收的干扰。在欧洲,人们普遍认识到对无线电干扰领域应进行国际层次的技术研究,无线电干扰问题的国际合作势在必行,因为无线电发射可不理会什么地理边界或国界。此外,使用电动机之类的各种仪器和设备除生产国外,还有可能在其他国家销售和使用,因此这些设备必须符合各有关国家执行的标准。
1933年,有关国际组织在巴黎举行了一次特别会议,研究如何处理国际性无线电干扰问题。与会者普遍认为,为避免人们在商品贸易和无线电业务中出现障碍,需要在无线电干扰测试方法和限值方面有一定的统一性并制定国际标准。会议建议由IEC和国际广播联盟(The International Union of broadcasting,UIR)的国家委员会,并邀请有关国际组织共同组织一个联合委员会,国际无线电干扰特别委员会(CISPR)由此成立。1934年6月28日~30日在巴黎举行了CISPR第一次正式会议,从此开始对电磁干扰及其控制技术进行世界性的有组织的研究。
第一次正式会议后,CISPR首先做的两项重要工作是确定无线电干扰的可接受上限和测量这种干扰的方法。在接下来的两三年里,关于测量无线电干扰的方法和频率范围为160kHz~1605kHz的测量仪器逐步成为大家普遍接受的电磁兼容测量基础。在当时CISPR的首批协议中,规定干扰容限:以调幅深度为20%的1mV/m的场强作为参考,信噪比达到40dB。
1934年,在英国有1000多件关于无线电干扰的投诉得到了详细的分析检验。人们发现这些干扰是由使用电动机开关和发动机点火器的各种设备运转时产生的,还发现干扰来源于电力牵引及电源线。
在这段时期内,具有里程碑性质的重要进展如下。
(1)(在美国)出版了1940年度关于无线电噪声测量方法的专题报告。
(2)IEC出版了CISPR会议记录汇编和1934—1939年技术资料报告RI 1~8,内容包括测量用接收机、人工电源网络、场强测量等的设计。
(3)0.15MHz~18MHz频段无线电噪声和场强测量仪的技术规定。
(4)架空输电线近旁的无线电广播场强和无线电噪声场强的实际测量。
(5)形成了在160kHz~1605kHz频段测量来自电气设备的传导无线电噪声和用于这种测量的人工电源网络的操作规程。
(6)设计和特别制造了测量用接收机、无线电噪声场强测量仪,以及用于上述测量的其他仪器。
虽然电磁干扰问题由来已久,但电磁兼容这个新兴的综合性学科却是近代形成的。为了解决电磁干扰问题,保证设备和系统的高可靠性,20世纪40年代初有人提出了电磁兼容的概念。电磁干扰问题由单纯的排除干扰逐步发展成从理论上、技术上全面保证用电设备在其电磁环境中正常工作的系统工程。电磁兼容学科在认识电磁干扰、研究电磁干扰和控制电磁干扰的过程中得到发展。它深入阐述了电磁干扰产生的原因,分清了干扰的性质,深刻研究了干扰传输及耦合的机理,系统地提出了抑制干扰的技术措施,促进了电磁兼容系列标准和规范的制定,建立了电磁兼容试验和测量体系,解决了电磁兼容设计、分析和预测的一系列理论和技术问题。
第二次世界大战的到来既是一个阻力,又是了解并控制无线电噪声的新的推动力。在战争年代里CISPR属下的技术活动完全停顿下来。
在第二次世界大战期间,由于军事部门对使用电信和雷达设备有巨大兴趣,无线电干扰在军事上的影响变得非常重要。军事部门还对高于常规无线电广播频率的波段感兴趣。这种军用兴趣促使可靠测量电磁干扰的仪器和军用标准迅速发展,在20世纪40年代涉及的频率达到20MHz,20世纪50年代进展到30MHz,20世纪60年代更高,达到1GHz。从开始,军用性能标准就是必须严格遵守和切实执行的文件。在航空航天系统和卫星技术中,电磁干扰的概念和采取有效措施消除这种干扰也是头等大事,由此技术人员开展了大量的实际技术工作。但是,这种技术工作的成果都要被保密较长一段时间,才会被公开发布。
第二次世界大战后,CISPR会议又恢复运行。美国、加拿大和澳大利亚此时参加了CISPR的商议。CISPR会议成为在无线电干扰测量方法论和用于这种测量的仪器等方面达成一致的技术集会。随着更高频率的逐步开发利用,这种频率延伸必将研发出用于更高频率的测量方法、标准概要和测量仪表。此后,有越来越多的亚洲国家和世界其他地区的国家,以及国际无线电咨询委员会(Consultative Committee of International Radio,CCIR)等对无线电科学感兴趣的国际组织也开始参加CISPR会议。随着国际参加者的增多和所从事的技术领域的增长,CISPR会议逐渐成为就电磁干扰问题进行国际交流与合作的重要载体。因此,在CISPR会议上逐步发展出了用于更高频率的测量技术和详细的实施纲要。在CISPR会议上,参加者还讨论了涉及频率高达1GHz测量方法的精确细节,并取得了一致意见。
在第二次世界大战的战后时期,随着无线电通信在非军事领域应用的日益增长,电磁干扰问题和与此相关的在制造各类电信产品时实施某些设计科目的需要就突显出来。于是,几种主要的技术研究包括干扰机制及其效应测量技术和使电磁干扰减至最小的设计方法等,就成了包括美国和欧洲在内的世界上许多地区重点研究的主题。在此期间,为了评估由几类电气电子设备与系统发射出的电磁噪声,相关研究人员做了很多实际测量。其成果作为供CISPR审议的技术基础的一部分,详细地测量了由广播、电视、输电线路、家用电器、电动汽车和工业/科学/医疗(Industrial Scientific Medical,ISM)设备等发射出的电磁噪声,并在CISPR会议上做报告和进行广泛的讨论。最初重点是在测量方法和测量仪器的细节上取得一致,而将容许的性能限值之类更困难的课题留待以后去解决。与这些进展分开进行的,且紧随其后的是国家性的管理机构,如美国联邦通信委员会(The Federal Communications Commission,FCC)、英国工业标准化协会(The British Standards Institution,BSI)开始颁布适用于各自国家的干扰控制限值。
在这段时间内,具有里程碑性质的重要进展如下。
(1)1944年,德国电气工程师协会制定了世界上第一个电磁兼容规范VDE 0878。
(2)1945年,美国发布首份陆海军共同技术规范SAN-J-225,涵盖陆海空三军测量无线电干扰(频率高达20MHz)的方法,在1946年改为C63.1,1963年修订标准,测量频率高达30MHz,称为C63.2;1964年版标准C63.3覆盖频带高达1GHz。
(3)1967年,美国出版了军用标准MIL-STD-462“电磁干扰特性的测量方法”,1968年出版了STD-MIL-461“用于控制电磁干扰的电磁发射和敏感度要求”。
(4)由CISPR制定且逐步改进的测量技术和仪器(特别对于非军事应用)标准,在1958年覆盖频带高达30MHz,1961年达300MHz,1968年达1GHz。
(5)相关研究人员发明了测量频率范围为30MHz~300MHz的家用电器电磁发射的铁氧体干扰吸收钳测量方法。
(6)1967年,CISPR出版了CISPR 4“用于频率范围300MHz~1000MHz的测量规范”和CISPR 5“具有非准峰值检波方法检波器的无线电干扰测量仪器”。
(7)按照格式编制了技术资料,内容包括测量方法理论,以及涵盖ISM设备、输电线路、汽车、无线电/电视接收机和家用电器的干扰源。
(8)美国联邦通信委员会出版了关于电磁干扰测量进行国家管理的出版物,如1968年出版的《美国联邦通信委员会规章与条例》第二卷第18篇。
自20世纪60年代以来,电气和电子工程领域飞速前进,主要进展包括数字计算机、信息技术、仪器仪表、电信和半导体技术等领域的发展。在这些领域里,电磁噪声和解决由电磁干扰造成的问题都很重要。这给电磁噪声领域带来大量的国际技术交流活动。电磁兼容技术逐渐成为非常活跃的学科领域之一,每年都会召开几次较大规模的国际性电磁兼容学术会议。美国最有影响的电子电气工程师协会“IEEE”的权威杂志,专门设有EMC分册。美国学者B.E.凯瑟撰写了系统性的论著《电磁兼容原理》,美国国防部编辑出版了各种电磁兼容性手册,广泛应用于工程设计。美国IEEE学报 Transactions RFI 分册于1964年改名为 IEEE Transactions EMC 分册,可以此作为电磁兼容学科形成的标志,虽然电磁干扰问题由来已久,但电磁兼容这个新兴的综合性边缘学科却由此正式宣告成形。
CISPR审议产生了CISPR 16号出版物,该出版物汇集了这个领域的各种测量方法、电磁干扰的推荐限值,进而成为一种完备的出版物。CISPR审议还产生了一些出版物,其内容涵盖了无线电和电视接收机、工业/科学/医疗(ISM)设备、汽车和荧光灯的电磁噪声及其测量。
到20世纪80年代,美国、德国、日本、法国等经济发达国家在电磁兼容研究和应用方面达到了很高的水平,主要研究和应用的内容包括电磁兼容标准和规范、分析设计和预测、试验测量和开发屏蔽导电材料、培训教育和管理等。在工程应用方面研制出高精度的电磁干扰及电磁敏感度自动测量系统,开发出多种系统内和系统间电磁兼容计算机分析和预测软件,形成了一套完整的设计体系,还开发研制成功了多种抑制电磁干扰的新材料和新工艺。电磁兼容设计成为民用电子设备和军用武器装备研制中必须严格遵循的原则和步骤。在产品设计、加工、检测、试验和使用的各个阶段都要考虑电磁兼容技术和管理。电磁兼容成为产品可靠性保证中的重要组成部分。
与信息技术和数字电子产品这类20世纪80年代新出现的重要技术的快速发展相配合,CISPR还出版了涵盖信息技术设备的CISPR 22号出版物。
电磁噪声领域的军用研究在电磁干扰及其测量和控制技术领域产出了许多成果。在领会EMI和实现电磁兼容的技术规程方面,几项重大进展都是美国军队在此领域所做工作的直接成果。出于军事和商业理由,各种专业产品的很多技术活动都是保密的。此阶段出版的重要军用文件包括涵盖EMI技术定义和测量单位的MIL-STD-463,以及MIL-STD-461和MIL-STD-462的修订版。另外,有几个国家的武装部队用大量文献资料出版了他们自己的限制电磁干扰的标准。但是,美国军队做的工作和出版的标准仍然在这个领域起了引导作用。除了基本的军用标准MIL-STD-461/462/463,美国军队还出版了几种其他标准,其内容涵盖了系统的电磁兼容及各种设备,如雷达、飞机电源、空间系统、海军平台、移动通信等的设计和性能要求。
在20世纪80年代,数字技术的全球性增长,包括它们在工业自动化中的应用,深深地影响了电磁噪声有关问题的发展。数字仪器和设备对电磁噪声非常敏感,因为这些仪器和设备不能辨别脉冲信号与瞬态噪声。在电磁噪声的影响下,它们很容易失效。与此同时,数字仪器和设备又产生了大量电磁噪声。它们是宽带噪声,来自数字设备采用的非常短的上升时间的脉冲。数字仪器和设备所采用的时钟频率也产生电磁噪声。数字仪器和设备广泛使用固体元器件和集成电路,而集成电路和固体元器件又都很容易被瞬态电磁干扰损坏。所以需要专门的设计和工程方法以保护灵敏的半导体器件免遭电磁环境的损伤。从20世纪80年代开始,这个领域颇受重视,世界范围内对此主题发表了许多论文。对这类技术和工艺的讨论,在很多国际会议中持续占据着主要地位。
有几个国家特别关注由各种电气和电子装置发射的电磁噪声容限和这些设备销售前必须经受的抗扰度限值。所以,一些组织如美国联邦通信委员会、德国通信技术总局、英国工业标准协会、日本电磁干扰控制委员会(The Voluntary Control Council for Interference,VCCI)和其他国家的类似协会都颁布了管理电磁噪声发射和抗干扰条件的性能标准。政府的专门管理机构如美国国家航空航天局(The National Aeronautics and Space Administration,NASA)和美国国家电信与信息管理局(National Telecommunications and Information Administration,NTIA),以及其他国家的类似组织也已出版了管理电磁发射和抗扰度的性能标准,一些国际组织如国际民航组织(The International Civil Aviation Organization,ICAO)、国际海事协商组织(Intergovernmental Maritime Consultative Organization,IMCO)也很关注电磁噪声及其容限。
随着欧洲自由贸易区的出现,20世纪80年代欧洲国家特别关注制定管理电磁噪声发射和抗扰度限值的通用性能标准。他们需要一个统一的方法和统一的标准以便欧洲企业能够在全欧洲销售他们的产品。在欧洲经济共同体内部,成立于1973年的欧洲电工标准化委员会(The European Electro Technical Standardization Committee,CENELEC)负责制定设备电磁噪声和性能限值领域协调一致的欧洲标准。由其制定的各种指导书涵盖了如无线电和电视接收机、信息技术设备、工科医设备等设备。CENELEC指导书建立在CISPR出版物和IEC的其他出版物的基础上。CENELEC采用的尺度只是为取得各国对标准表示认同走出的第一步,这些标准是在CISPR建议的基础上制定的。但是,还有许多的内容留待在世界范围内特别是在欧洲以外达成共识。实际上,不同国家之间的贸易壁垒将来会建立在工艺和技术性能水平的基础上,取代迄今惯用的税率和建立在关税结构上的制度。
到了20世纪90年代,电磁兼容工程已经从事后检测处理发展到预先分析评估、预先检验、预先设计。电磁兼容工程师必须与产品设计师、制造商和各方面的专家共同合作,在方案设计阶段开展有针对性的预测分析工作,并把过去用于研制后期试验测量和处理,以及返工补救的费用安排到加强事前设计和预测检验中来。电磁兼容技术已成为现代工业生产并行工程系统的实施项目组成部分。
产品电磁兼容认证已由一个国家范围发展到一个地区或一个贸易联盟采取的统一行动。从1996年1月1日开始,欧洲共同体(欧盟前身)12个国家和欧洲自由贸易联盟的北欧6国共同宣布实行电磁兼容认证制度,使得电磁兼容认证与电工电子产品安全性认证处于同等重要地位。
我国由于过去的工业基础比较薄弱,电磁环境危害尚未充分暴露,对电磁兼容技术认识不足,因此对电磁兼容理论和技术的研究起步较晚,与国际间的差距较大。我国第一个电磁干扰标准是1966年由原第一机械工业部制定的部级标准JB-854-66《船用电气设备工业无线电干扰端子电压测量方法与允许值》。直到20世纪80年代初,才有组织、系统地研究并制定国家和行业电磁兼容标准和规范。1981年颁布了第一个航空工业部较为完整的标准HB 5662-81《飞机设备电磁兼容性要求及测试方法》。此后,在标准和规范的研究与制定方面有了较大进展。目前已制定了一百多个国家民用电磁兼容标准和国家军用电磁兼容标准。
20世纪80年代以来,国内电磁兼容学术组织纷纷成立,学术活动频繁开展。1984年,中国通信学会、中国电子学会、中国铁道学会和中国电机工程学会在重庆召开了第一届全国性电磁兼容学术会议,此次会议录用论文49篇。1992年5月,中国电子学会和中国通信学会在北京成功地举办了“第一届北京国际电磁兼容学术会议(EMC’92/Beijing)”。此次会议录用论文173篇,这标志着我国电磁兼容学科迅速发展并参与世界交流。
20世纪90年代以来,随着国民经济和高新科技产业的迅速发展,在航空、航天、通信、电子、军事等部门,电磁兼容技术受到格外重视,并投入了较大的财力和人力,建立了一批电磁兼容试验和测试中心,引进了许多现代化的电磁干扰、敏感度自动测试系统和试验设备。一些军种、部门、研究所及大学陆续建立了电磁兼容实验研究室,电子电气设备研究、设计及制造单位也都纷纷配备了电磁兼容设计、测试人员,电磁兼容工程设计和预测分析在实际的科研工作中得到了长足的发展。
我国在电磁兼容工程设计和预测分析方面开展研究,并逐渐开始实际应用。近年来,部分高等院校相继开设了电磁兼容原理及设计课程,翻译和编写了一批教材。1993年,由国家军用标准化中心组织编写了《电磁兼容性工程设计手册》,标志着我国军用设备的电磁兼容工程设计进入全面实施阶段。
电磁污染作为环境污染的一种,其危害性已日益引起我国政府的重视。国家环境保护局于1997年3月25日发布实施《电磁辐射环境保护管理办法》。《电磁辐射环境保护管理办法》规定的电磁辐射包括信息传递中的电磁波发射,工业、科学、医疗应用中的电磁辐射,高压输变电中产生的电磁辐射。
随着电磁兼容国家标准的制定和完善,以及电磁兼容检测和设计技术研究的深入,欧盟自1996年开始对进入欧盟的电子电气产品要求必须符合相应的EMC标准要求,我国也同步跟进,从20世纪90年代逐步开始对电子电气产品及其他相关产品的电磁兼容进行相应的管理。
我国质量管理部门当时主要通过以下几种方法来逐步展开对电磁兼容的质量管理。
对国内生产销售的产品主要通过国家或地方行业质量管理部门组织的产品质量市场监督抽查、工业产品生产许可证制度、电磁兼容认证等方式进行管理。
对进口产品,国家出入境检验检疫局的1999年国检认联〔1998〕122号文件颁布了《关于对六种进口商品实施电磁兼容强制检测的通知》,通知规定对计算机、显示器、打印机、开关电源、电视机、音响设备六种进口商品,自1999年1月1日起强制执行电磁兼容检测。上述六种进口商品自2000年1月1日起必须获得国家出入境检验检疫局签发的进口商品安全质量许可证并贴有安全认证标志后方能进口、销售,即对这六种进口商品的电磁兼容强制检验作为对进口商品实施进口商品安全质量许可证制度的检验项目。
原国家质量技术监督局负责国内生产产品实施安全认证强制性监督管理制度,原国家出入境检验检疫局负责对进口商品实施安全质量许可制度。
2001年12月,国家质检总局和认监委对外公布了新的“四个统一”的强制性产品认证制度(3C认证),发布了“四个统一”的规范性文件。这些文件的发布和实施标志着国家认证认可制度发展到了新阶段,即国家统一的认证认可制度建立和发展阶段。该制度将电磁兼容作为3C认证电子电气产品必须满足的主要内容。
新世纪是信息化、网络化、智能化蓬勃发展的世纪,也是以军事信息技术革命为核心的新军事变革世纪。在新世纪,战争的形态由机械化战争转向信息化战争。2003年年初,伊拉克战争便是初次展现这种变化趋势的一场全新的现代化陆、海、空、天、电五维立体化战争。这场战争中,美国军队以信息技术为基础,以信息环境为依托,用数字化设备将指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察、电子对抗等网络系统连为一体,实现了各军兵种信息资源共享、作战信息及时交换、部队及其武器装备统一指挥控制的联合作战态势。
新军事变革、全新作战概念、高度电子化、信息化的高新武器装备的涌现和使用,既荡涤着传统的EMC技术,又推进EMC技术不断更新和发展。武器装备EMC技术的发展目标是满足现代化战争的要求,实现所有参战设备、分系统、系统、作战平台在共同的现代化战场的电磁环境条件下能一起执行各自功能的共存状态,提升抵制和防御敌方电子进攻武器的能力。
1.提高系统的EMC技术和生存防护能力
目前,先进的武器装备系统通常是一个集指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察、电子对抗等网络系统于一体的C 4 ISR系统,在作战指挥体系中综合运用现代电子与信息科学技术及军事科学理论,实现作战信息收集、传递、处理自动化和决策方法科学化,保障高效指挥的人机结合系统。
未来,C 4 ISR系统的发展趋势是实现多级多维多系统综合一体化、数据传输处理实时化及提高生存防护能力等。可见,为适应C 4 ISR系统的发展趋势,充分发挥它的中枢神经作用,提高C 4 ISR系统的EMC及生存防护能力是装备设计和生产企业所关注的焦点。具体表现如下。
(1)C 4 ISR系统由指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察、电子对抗等一系列电子探测设备和电子信息设备组成,集中一起尤其是在一个有限空间的作战平台内聚集,其自身的EMC设计和加固技术是确保系统自兼容、正常运行工作的保障。
(2)C 4 ISR系统的TEMPEST技术和信息系统的安全保密是当今世界信息斗争的热点技术,其中包括信息加密保护技术、防无线窃听技术、防网络入侵技术、防病毒入侵技术、防信息被篡改技术、抗电磁干扰技术。
(3)加强无线通信的抗干扰措施,防止被敌方跟踪、截获、压制干扰和欺骗,是保证网络畅通、信息安全的重要一环。
(4)C 4 ISR系统电磁环境效应(E3)的特性和防护能力,是关系该系统能否适应现代化战争电磁战和信息战的战场电磁环境,能否发挥中枢神经作用,能否快速而正确地指挥夺取战争胜利的问题。其中,C 4 ISR系统及组成它的电子信息设备强电磁脉冲和强电磁干扰的防护技术是世界各国关注的话题,是我国装备EMC技术今后发展重点需要突破的技术。
2.预测分析法是装备EMC技术与控制的发展方向
武器装备良好的电磁兼容是通过精心的设计与控制实现的。回顾历史,武器装备EMC技术的设计与控制先后经历了问题解决法和标准控制法两个阶段后,于20世纪90年代迈入了预测分析法阶段。预测分析法是在武器装备研制设计伊始和全过程中采用数值计算方法配以适当试验,依据设备特性、天线布置、武器装备布局或元器件特性、电路布局,对系统、分系统、设备、部件、元器件的电磁特性进行分析预测,合理分配各项EMC技术指标,提出控制装置、电路、元器件的要求和指标,并随着研制进程不断进行修正补充和付诸实施,不断解决研制过程中的EMC技术问题。该方法能有目的地采用抑制措施或放宽约束,来保证EMC技术要求,且具有规定的安全裕度,从而做到恰到好处的设计,既不会过设计又不会欠设计。
预测分析法的基础是数值计算理论和数学模型,核心是数值仿真与预测分析软件。仿真机理与模型的正确性、软件的多能性、通用性、准确性等都是当今人们追求的目标,具体如下。
(1)不断地改进和完善矩量法(Method of Moment,MoM)、有限元法(Finite Element Method,FEM)、时域有限差分法(Finite-different Time-Domain,FDTD)、几何绕射理论法(Geometrical diffraction theory method,GTD)、混合电位积分方程法(Mixde Potential Integral Equation Method,MPIE)等数值计算方法,以其单一算法或混合算法为基础的计算软件,提高它们的通用性和准确性。
(2)加强数值计算理论研究,研发新的数值计算方法和计算软件。
(3)进一步开发或改进、完善元器件(如芯片)级、部件(如电路板、驱动器)级、设备级、系统(如导弹、战车、飞机、舰船)级EMC预测仿真技术。
(4)开发整套EMC仿真和优化设计软件,构建武器装备尤其是大型武器装备EMC综合仿真设计平台,实现武器装备EMC的CAD。
(5)目前,数值计算因其投资少、成本低,不求助于人的优点而吸引着越来越多的科技人员从事该项工作。他们所开展的EMC数值计算和开发的数值计算软件逐渐增多,已形成一类商品。该商品在社会上流通、销售、使用,犹如测量仪表,其量值的可用性、准确性是人们关注的极其重要的问题,应提到议事日程上。
(6)不断改进计算技术,进一步提高存储容量与计算速度,以满足复杂边界条件EMC数值计算要求。
3.电磁环境效应(E3)验证、评估和防护技术是热门技术
电磁环境效应是指电磁环境对电子电气系统、设备、装置的运行能力的影响。它涵盖所有的电磁学科,包括EMC、电磁干扰、电磁易损性、电磁脉冲、电子对抗、电磁辐射对武器装备和易挥发物质的危害,以及雷电和沉积静电(P-Static)等自然效应。
1997年,美国国防部颁布了MIL-STD-464《系统电磁环境效应要求》,电磁环境效应这个名词便成为人们的热门话题。该标准首次全面、系统、合理地提出了系统级E3要求,内容包含EMC安全裕度、系统内和系统间EMC、雷电放电、电磁脉冲(Electromagnetic Pulse,EMP)效应、分系统和设备电磁干扰、静电荷控制、电磁辐射危害、寿命期E3加固、电搭接、外部接地、防信息泄漏(Transient Electromagnetic Pulse Emanation Standard,TEMPEST)、电磁发射控制、电子对抗等。等效该标准的国军标GJB 1389于2023年年初发布了GJB 1389B—2022。随着该标准的制定、颁布和宣贯,电磁环境效应的验证、评估和防护技术越来越被人们重视和关注,其内容具体如下。
(1)电磁环境(含核电磁脉冲、高功率微波、雷电、静电、射频辐射等)测量、数据采集、特性及其表征方法。
(2)电磁环境效应的检测方法、验证方法、评估方法及其防护技术,包括系统内EMC验证技术,雷电、静电和电磁脉冲特性测量技术及其防护效果验证技术,电磁辐射对人员、军械和易挥发物质的危害特性检验技术,武器装备对外部射频电磁环境适应能力的验证技术,EMC安全裕度测试方法,以及典型武器装备电磁易损性分析和判断方法。
(3)高电平、高效率、超宽带、高灵敏电磁环境效应模拟试验设施和测量装置,包括强电磁脉冲源、强电磁脉冲场模型试验装置、混响室、大功率射频场发生装置、宽带吉赫兹双极化场发生装置、超宽带高灵敏度接收装置等。
4.管理和利用好无线电频谱资源是装备EMC技术工作的重要环节
无线电频谱是一种重要的、有限的、非消耗性的自然资源,凡应用电磁波实施指挥、控制、通信、警戒、探测、识别、导航、电子对抗等功能的设备,无不占用一部分频谱。随着信息技术的迅速发展,这些设备与日俱增,频谱资源在得到充分利用的同时,占用频谱日益拥挤,外加严重的电磁污染,可用频谱资源日趋贫乏。于是,如何保障信息社会对频谱的需求,如何充分利用和有效地管理好有限的频谱资源,便成为当今信息化时代面临的亟待解决的关键技术,具体体现在以下几个方面。
(1)充分发挥国家、军队和地方无线电频谱管理机构的职责,完善和改进各项规定与措施,包括制定国家频谱规划,适应信息社会对频谱的需求;制定频谱保护制度,限制有用信号的频谱带宽、限制有用信号满足信息传输所需的最低电平、限制谐波和杂波辐射、限制天线副瓣电平。
(2)不断提高、改进和开发频谱应用技术,如预测与实时选频技术、信息载体自适应技术、频率共用与频率复用技术、频分或时分复用技术、码分多址与上频下时技术、频带压缩技术。
(3)开发新技术,拓宽频谱资源:开发新频段(如毫米波、亚毫米波)应用技术,拓宽潜在的、未利用的、未被充分利用的频段;开发已被利用频段的新用途(如开发1GHz以上频段移动通信业务);开发新技术(如窄带技术、频率复用技术等),既充分有效地利用现有频段,又节省频谱。
(4)加强和更新大型武器装备的频谱管理技术和管理方法,提高其EMC。
①以频谱利用的有效性和合理性为原则,把好频率申请和频率指配关口,既充分有效地利用频谱资源,又保证所有设备之间不存在电磁干扰。
②配置自动化实时动态频谱管理系统,其由频率管理、设备工作计划、电磁干扰分析、频率选配、文件生成等模块和频率资源、无线电台(站)资料、设备参数、地形地貌等数据库,以及触发、跳频、匿影等控制装置或器件组成。可实时监测和显示频谱应用情况(预定、正在发射和接收的频率、功率、时间、天线名称或编号、天线位置、天线工作状态等),实时分析设备之间的EMC,实时管理和控制无线电电子信息设备,以保障其EMC。
5.开发和应用新技术、新材料、新器件
电磁干扰抑制技术和抗干扰加固技术是EMC控制手段的支柱技术。在充分应用屏蔽、滤波、去耦、隔离、接地等经典技术的同时,不断地开发和应用EMC新技术、新材料、新器件,是实现电路组件、设备、系统、武器装备平台良好EMC的技术基础。新技术、新材料、新器件往往是跨学科和多学科的共同研究成果,需要人们共同关注、支持和共同开发,为EMC领域提供更多更好的新技术、新材料、新器件。
(1)开发多功能射频系统,减少武器装备尤其是舰船的天线数量,解决射频设备之间的电磁干扰,同时提高雷达的隐蔽性。多功能射频系统是将雷达、电子战、通信等波束同时经一个公用射频口径发射的射频系统。该系统集通信、雷达、电子战天线于一个具有低雷达截面积(Radar Cross Section,RCS)特性的组合天线中,如美国洛克希德·马丁公司的高频段多功能接收天线阵、雷通公司的低频段多功能接收天线阵、诺思厄普·格鲁曼公司的高频段多功能发射天线阵。这种系统的雷达因其高信号密度和多参数,使敌方难以从这种复杂波束中分辨出雷达的发射信号。
(2)应用干扰对消技术,提高设备的抗扰性。该技术是在受扰设备(或电路)中,人为建立一个与干扰信号等幅反相的信号,并使它与干扰信号叠加对消,达到消除干扰信号目的的一种干扰抑制技术。据报道,通信、GPS等设备采用该技术后的抗干扰性极好。
(3)利用旁瓣匿影技术消除同场地其他雷达副瓣干扰。该技术利用一个低增益的各向同性天线与主天线同时配合工作,二天线收到的信号分别反馈至分开的各自接收机,然后比较二者的输出电平幅值,当低增益信道的功率电平较大时,停止输出,反之,输出。
(4)利用旁瓣减小技术,降低旁瓣电平,减小旁瓣对同场地其他设备的照射电平。该技术采用附加挡板或吸波材料降低雷达天线的旁瓣和后瓣电平,减小对其他设备的影响,提高同场地设备之间的EMC。
(5)大力推广已成熟的EMC新技术、新材料。例如,采用光纤替代敏感设备的信号电缆,以提高其抗干扰能力;广泛使用电磁干扰衬垫材料,解决电磁密封问题,提高屏蔽性能。
(6)研制频率窗选材料,为开发低RCS封闭式集成天线桅杆解决关键材料。该材料具有带通特性,选通频段传输损耗应不大于0.5dB,抑制频段传输损耗应不小于20dB。
6.电磁兼容设计技术的未来发展
积极主动地预防电磁干扰和电磁兼容的设计方法,是现阶段电磁兼容研究的重要方法,是电磁兼容未来发展的主要方向。电磁兼容数字仿真以计算机技术为基础进行数学建模和仿真计算。20世纪80年代后期,已研制开发了多种电磁设计工具,用于分析处理总体设计中的电磁干扰问题。20世纪90年代,着重于电磁工程设计中计算机图形技术、三维显像技术和电磁计算方法研究。电磁兼容设计和电磁干扰控制技术从单设备、单任务转向系统综合考虑电磁兼容设计,不断优化改进。电磁干扰控制技术也出现了一些新进展,提供了硬件解决办法。
采用的干扰抑制装置包括时间和频率匿隐器、陷波器、干扰消除器等。另外,一项重要技术是使用雷达吸波材料以减少电磁干扰的影响。雷达吸波材料接收射频能量的独特能力,使它特别适用于对邻近电磁系统的去耦和减少从结构物反射的电磁能量。当前,还急需在电磁干扰的屏蔽滤波新材料、新工艺上获得突破。
7.电磁兼容试验和评估技术的未来发展
电磁兼容技术发展离不开试验技术。系统级安全裕量及电磁场对人员、武器装备、燃油的危害效应和抗核电磁脉冲效应试验等方面尤为关注。新型测量仪表、仪器设备的开发研制和新技术在电磁兼容标准中的应用,试验设备和设施体现出宽频带、高场强的特点。电磁兼容试验技术逐渐向高速自动化、集成化、便携式方向发展。当前,军用装备尤其是电子设备的工作频段不断拓宽,为满足军用装备发展的需求,必须建立相应的检测手段。
8.电磁辐射危害及其防护技术的未来发展
电磁辐射对人员、军械和燃油的危害,在武器系统中有其独特性。美国国防部尤其是海军在20世纪60年代就开始进行全面研究,目前已形成一系列标准规范、设计准则、作业规程等。由于无线电技术的发展,电磁波的广泛应用,电磁波辐射对生物特别是对人体的影响也成了社会公众关注的热点。近年来,在这一领域获得很大进展,形成了电磁辐射的标准。但目前对人员危害的场强限值、军械抗电磁辐射的安全系统评定方法、燃油安全距离等技术问题还有待突破。
9.电磁脉冲效应及其防护技术的未来发展
雷电及核爆炸都会产生电磁脉冲,尤其高空核爆炸产生的电磁能量可大量损坏敌方的指挥、控制、通信、情报系统,在军事上有很大价值,各国仍在大力加强核电磁脉冲的研究。因此,必须加强武器系统抗电磁脉冲技术的研究,以提高武器系统在电磁武器、高空核爆炸打击下的生存能力。
总之,高技术战争是处在复杂多变的电磁环境中的。电磁兼容是直接影响装备作战效能的重要因素,也是制约装备作战力发挥的关键技术。因此,开展战场电磁环境效应研究,加强装备电磁危害的防护,提高装备在未来战场的生命力,是装备电磁兼容技术未来发展的需求和方向。