安全裕度与电磁兼容统计特性研究

安全裕度与电磁兼容统计特性研究 n 安全裕度与电磁兼容统计特性研究# 戴飞1，邵康1，赵龙飞1，丁浩2* (1. 北京航空航天大学电子信息学院，北京 100191; 5 10 15 20 25 2. 中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137001) 摘要:本文从电磁兼容安全裕度的定义出发，分析了当前在安全裕度理解和 使用上的误区， 指出安全裕度与电磁兼容性的统计特性。通过对电磁干扰和产品敏感特性分 布特征的研究， 给出了不同条件下产品电磁兼容性的分布规律，以及通过安全裕度控制产品 电磁兼容性的方 法。 关键词:电磁兼容;安全裕度;电磁环境;电磁干扰 中图分类号:TM93 Safety margin and the statistical properties of electromagnetic compatibility Dai Fei1, Shao Kang1, Zhao Longfei1, Ding Hao2 1. School of Electronics and Information Engineering, Beihang University, Beijing 100191; 2. China Baicheng Ordnance Test Center, Jilin Baicheng 137001 Abstract: In this paper, we correct the misunderstandings by analysising the definition of the electromagnetic compatibility safety margin, and point out the statistical properties of the safety margin and EMC. Through research on the distribution of EMI and EMS , we find out the EMC distribution rules under different conditions and how to control EMC by using the safety margin. Key words: EMC; Safety Margin; EME; EMI 0 引言 安全裕度(EMC Safety Margin)是系统级电磁兼容性的一项重要指标，征了系统的敏 感(抗扰度)特性状态[1]。安全裕度(M)与系统敏感特性门限和所受电磁干扰之间关系密 切，可用公式(1)表示[2]: M dB S dB I dB (1) 当 M 0 时，系统处于受扰状态;M 0 时，系统处于兼容状态;M 0 时，系 统处于敏感 30 35 的临界状态。GJB1389A-2005 和 MIL-STD-464C 规定安全裕度的考核指标为 6dB 和 16.5dBdB 两个级别，重要的设备和分系统需满足前者要求，火工品等适用后者[3] [4]。一般认为，安全 裕度为系统提供了额外的保护，能确保系统在复杂电磁环境下的电磁兼容性。Somech J 使 用安全裕度作为指标分配的依据,提出了一种电磁兼容性分析方法[5]。Atkins D J 和 Bisognin P 使用各种计算机辅助设计工具,包括电子表格、Spice 仿真器、TDASEMC 软件,进行航天器的 安全裕度设计[6]。高斌和唐晓斌等人用安全裕度来评估和预测飞行器的天线隔离度[7]。 1 系统电磁兼容性统计模型 对于如何评估安全裕度，目前存在两种不同的观点。一种观点认为，在已经明确规 定系统和设备敏感门限要求的前提下，安全裕度是对设备敏感特性指标的提升，即进一步提 基金项目:博士点基金(200800061074);自然科学基金(60831001);自然科学基金(61101006) 作者简介:戴飞(1978-),男，博士,讲师,目前主要研究方向为电磁兼容分析、设计、试验，射频和微波技 术等. E-mail: daphige@ -1- n 高对系统 S 的要求。另一种观点认为，考虑现有的电磁兼容试验水平，应 当采用系统的自身 40 45 50 55 工作电磁环境取代标准的规定作为对 I 的要求。两种观点本质上是对立的，在实际测试中还 经常导致截然相反的结论。第一种观点认为系统的自身工作电磁环境远小于设备分系统级试 验标准 GJB151A-1997 对电磁敏感度门限的要求，第二种方法的试验结果缺乏说服力。第二 种观点认为，GJB151A-1997 的电磁敏感度门限已经充分考虑了系统所受严酷的电磁干扰对 设备的影响，进一步提高门限标准必要性不充分;而在现有的技术水平下，第一种方法的试 验难度很大。显然两种观点都带有片面性，如果从统计的角度出发，则能够对电磁兼容安全 裕度有更准确的认知。 安全裕度不是对系统抗扰度要求的增加，而恰恰是承认了系统在生产、试验和使用当中 存在各种不确定性。其中，生产中的不确定性与加工人员、生产设备、加工条件、加工工艺 和原材料等因素有关，这些因素是影响系统敏感度特性变化的直接因素，同时也会间接影响 系统内部的电磁干扰。试验中的不确定性与试验人员、试验设备、试验环境、试验方法和样 本等因素有关，除样本以外的因素可通过测量不确定度综合描述。使用中的 不确定性与温度、 湿度、压力等自然环境因素有关，但主要受到外部电磁环境的制约。本文主要分析生产和外 部电磁环境对电磁兼容性的影响。 根据公式(1)，对于特定电磁环境和某一指定系统，其安全裕度和电磁兼容性唯一。 但电磁环境会随着空间和时间发生变化，指定系统的敏感度特性也只是同类产品的典型抽 样。因而，更为普遍的问题是如何在电磁环境分布和某类产品敏感度特性分布已知的前提下， 确定系统的电磁兼容性概率。根据已知条件，电磁兼容性概率可以划分为三类: 1 已知某一类产品的敏感度门限分布，求特定电磁环境下的该类产品电磁兼容 性概 率; 60 2 3 已知电磁环境分布和某一单个产品的敏感度门限，求其电磁兼容性概率; 已知电磁环境分布和某一类产品的敏感度门限分布，求该类产品电磁兼容性 概率。 下文将对这三类电磁兼容概率的意义，以及安全裕度与电磁兼容概率的关系 作深入的剖 析。 2 特定电磁环境下的某类产品电磁兼容性概率 65 假设电磁环境 I I M ，产品的敏感门限电平分布为 h x ;产品对于额定电磁干扰 I I 0 的安全裕度为 M R ，其平均值(或数学期望)可称为标准安全裕度，记为 M S 。因此， 系统的平均敏感度门限电平(如图 1 所示)为 系统电磁兼容性的概率为: S I 0 M S T I?? S H e?? I M 2 70 ? I M -2- 3 n 图 1 特定电磁环境下的某类产品电磁兼容性概率 Fig. 1 the EMC probability of a certain type of product under the specific EME 75 大多数情况下， h x 服从正态分布，x~N S , 12 ，h x 分布的方差 σ 1 基本是由生产工 艺决定的。为便于生产控制，在产品设计时，可令 M s n? 1 n 3~6 4 因而，可将公式(4)将 M S 转化为一种用于生产控制的设计指标。故 h x 的分布服从 N I 0 n?1,?12 ，公式 3 可写为 T I?? S H x?? I M 80 1 ? 5 ? I I 0 n?1 1 公式(5)说明采用相同工艺生产的同类产品，标准安全裕度设计的愈大，产品电磁兼 容性概率愈高。在额定干扰下，系统的电磁兼容性概率为1 n?。 若能确定最严酷的电磁环境电平，对于某型电子系统，使用公式(5)能够计算它们正 常工作的概率，故可称第一类概率为电磁兼容性生存概率。 85 3 特定电磁环境分布下某产品单一个体的电磁兼容性概率 假设某产品单一个体的敏感门限电平 S S0 ，额定安全裕度为 M R ，电磁环境分布为 f y 。如图 2 所示，系统电磁兼容性的概率为: T I?? S F y?? S0 S 0 ?? f y dy 6 90 图 2 特定电磁环境分布下某产品单一个体的电磁兼容性概率 Fig. 2 the EMC probability of a product under the specific distribution of EME -3- n 上式表明，这种情况下系统的电磁兼容性只与敏感门限电平有关;但系统敏感门限电平 S0 等于额定干扰 I 0 与安全裕度 M R 之和，于是上式也可以写为 T I?? S F y?? S0 95 I 0 M R ?? f y dy 7 上式表明产品的安全裕度愈大，电磁兼容性愈高。若已知防区的电磁环境分布，对于某 产品的单一个体，可以用公式(7)计算其在防区的电磁兼容性概率，故可称第二类概率为 电磁兼容性突防概率。 若电磁环境也服从正态分布，y~N I , 22 ，则突防概率也可以采用下式计算 100 105 ? 2 4 特定电磁环境分布下某类产品电磁兼容性概率 第三类电磁兼容性概率是更为普遍的情况，如图 3 所示。 图 3 特定电磁环境分布下某类产品电磁兼容性概率 Fig. 3 the EMC probability of a certain type of product under the specific distribution of EME 类似于载荷―强度干涉分析，第三类电磁兼容性概率可采用下式计算: ?? ? y ? x f y dy ?? 8 9 敏感门限电平 S 的概率密度函数为 h x ，环境电平 I 的概率密度函数为 f y ， S 和 I 的 110 分布相互独立，因此可以得到 S、I 的二维概率密度函数 g x, y h x f y 10 令 Z I-S，则有 G z P?Z?? z? ? ?? h x f y dxdy y x?? z 11 ? ? 12 115 因此，也可以用公式 13 计算第三类电磁兼容性概率 T G 0 -4- 13 n 如果敏感门限 S 和电磁环境 I 都服从正态分布，即 x~N S , 12 和 y~N I , 22 时，Z 也 服从正态分布，且有 z~N I - S ,σ12+σ22 ，可以得到 T G 0 ? S I 2 2 1 / 2 ? ? M 2 2 1 / 2 ? ? M S M e 2 2 1 / 2 ? 14 120 当实际电磁环境的统计平均值等于额定干扰时，第三类电磁兼容性概率简化 为: ? M S 2 2 1 / 2 ? 15 公式 15 表明系统电磁兼容性受到设计因素的影响(标准安全裕度)、制造因素(敏感 门限方差)和使用环境因素(电磁环境方差)的共同影响;若要提高系统电磁兼容性，可行 的措施是增加额定安全裕度或减小产品的敏感门限方差。 125 130 135 140 5 结论 电磁干扰究其本质而言是随机性的，系统的敏感特性与加工人员、生产设备、加工条件、 加工工艺和原材料等因素有关，同样也具有随机性。本文利用电磁环境和敏感电平的统计特 性，从统计的角度分析系统与电磁环境的相互作用，研究给定敏感电平或者电磁环境的统计 分布的条件下的电磁兼容性概率函数，可以进一步反映产品真实的电磁环境适应能力。进一 步，通过大量的试验和统计，可以得到更准确的产品敏感特性分布模型，将有利于本文所述 方法的推广应用。 [参考文献] References [1] 陈 穷. 电磁兼容性工程设计手册 [M]，北京:国防工业出版社，1993 [2] 航空标准化研究所, GJB 72A-2002.电磁干扰和电磁兼容性术语 [S]. 北京:总装备部，2002. [3] 航空标准化研究所，GJB1389A-2005. 系统电磁兼容性要求 [S]. 北京: 总装备部，2005 [4] MIL- STD- 464C. department of defense interface standard: electromagnetic environmental effects, requirements for systems[S]. USA:2010 [5] Somech J, An EMC System Design Approach That Ensures Mil-E- 6051 Safety Margins are Incorporated [C], International Symposium on EMC, 1992: 68,71. [6] Atkins D J, Bisognin P, Design and Management of Spacecraft Conducted Safety Margin [C], Circuit Design and Tools for EMC, IEE Colloquium, 1995: 6/1,610 [7] Gao Bin, Tang Xiaobin, Prediction and Analysis for Inter system Electromagnetic Compatibility [C], Asia- Pacific Conference on Environmental Electromagnetic, 2003: 314~318 145 -5- ? h x dx ? 1 M ? I S ? ? 1 M ? ? T I?? S 0 ? I M R I ? T? f y dy? h x dx ? h x dx? g z ? h x f z x dx ? ?1 2 ? ?1 2 ? ?1 2 T ? ?1 2