一、為何系統級電磁環境效應試驗設計很重要

首先說明電磁兼容性和電磁兼容性試驗。電磁兼容性是基于對電磁發射的控制和電磁敏感的防護，實現軍用裝備的正常工作。通常電磁兼容性要求包括電磁發射要求和敏感要求，其中電磁發射應不超過極限值要求，電磁敏感應不低于極限值要求。電磁兼容問題非常復雜，混合了非常多的因素，即便是直流情況下，也有電場和磁場。隨著系統復雜程度的增加，問題復雜性將呈指數形式上升。電磁發射和電磁敏感以場和波的形式存在于軍用裝備中，如同經絡，所以隨著系統復雜程度的增加，電磁兼容性問題的復雜性呈指數上升。一個產品的電磁兼容性是否達到要求，將通過測試進行驗證。電磁兼容的問題和散射問題、隱身問題、天線問題的最大區別是它是近場和準近場問題，電磁兼容性試驗是一種近場和準近場測試，測試傳感器主要為探頭和天線。如圖是典型的電磁兼容性測試屏蔽室。

系統級是相對設備而言。我們知道設備電磁兼容性測試中被試品是單一設備或分系統，其設備構成、線纜數量、耦合關系相對簡單。而系統級則包括了單實體系統和多實體系統，也包括無人機系統這類分布在地面和空中的系統。系統級層面電磁兼容性試驗還需面對相對設備級復雜得多的線纜測試問題。更進一步，系統級電磁兼容性試驗還要考慮對使用環境的適應性，包括艦面環境和編隊環境等。為什么系統級電磁兼容性試驗要考慮艦面適應性和編隊及戰場電磁環境適應性呢？因為研制總要求對裝備提出的功能性能要求是適用于裝備使用工況，所以對有艦載和編隊使用要求的裝備，在系統級電磁兼容性試驗中就應考核此性能。不言而喻，如此復雜的試驗，必須進行周密的設計。那么系統級電磁兼容性與戰場電磁環境適應性之間是什么關系呢？為此下面介紹電磁兼容性相關基本概念。尤其是說明電磁發射和電磁敏感是被試品的固有屬性。并因此電磁環境適應性、電磁環境效應、電磁兼容性、電磁干擾之間的五大關系。

二、與系統級電磁兼容性相關的基本概念

系統級電磁兼容性在GJB 72A中定義為：執行或保障某項工作任務的若干設備、分系統、專職人員及技術的組合。一個完整的系統除包括有關的設施、設備、分系統、器材和輔助設備外，還包括操作人員。GJB 1389是對系統級電磁兼容性的要求，而GJB 1389源自美軍標的MIL-STD 464，即系統級電磁環境效應要求。2002年美軍頒布的系統級電磁環境效應要求GJB1389A中，共有14項相關要求，包括我們熟知的系統內電磁兼容性（即自兼容）要求，和設備分系統電磁發射和電磁敏感要求。綜上所述，嚴格講要求就是要求（第一大關系：系統級電磁兼容性與系統級電磁環境效應的關系），除常規的設備分系統電磁發射和電磁敏感要求、系統內自兼容要求外，還包括戰場電磁環境效應要求，如友方和敵方射頻電磁環境效應要求，甚至包括威脅毀傷環境效應要求，如電磁脈沖效應要求等；防信息泄漏要求；防止被過早發現的電磁發射控制要求；頻譜兼容要求等。2010年，美軍標又將MIL-STD 464更新為C版，其中有兩項變化值得關注，一是增加了高功率微波效應要求；二是將頻譜兼容升級為電磁頻譜支持要求。

這張圖反映了電磁環境效應的發展沿革：從以地面作戰為主的常規電磁頻譜管理，發展到以全球作戰為目的、考慮雷電和電磁脈沖等效應的初期電磁環境效應，到將電磁作為具有殺傷力武器，考慮射頻輻射對軍械、燃油、人員傷害，以及對電磁易損性和電子戰進行充分防護的新電磁環境效應。可以看出，電磁環境效應已成為制電磁權的重要手段。

那么電磁環境效應與電磁環境適應性之間是什么關系呢（第二大關系：系統級電磁環境效應與電磁環境適應性的關系）？美軍標將電磁環境效應、頻譜支持作為裝備對自然環境和非對抗戰場敵我電磁環境適應能力，視其為生存的前提和作戰的基礎。將對抗作為裝備對電子對抗環境適應的能力，視其電子攻防的手段。我認為，電磁環境適應性應由兩部分組成：一是自然環境和非對抗戰場敵我電磁環境適應性，這是裝備生存前提和作戰基礎；二是電子對抗環境適應性，這是電子攻防手段。如下圖所示：

我認為，電磁環境效應和電磁頻譜支持確保裝備具有“強健的體魄”，電子/光電對抗等使裝備具有“過人的技能”。可以用如下比喻說明兩者的相互支撐作用：當A、B兩人對抗博弈時，如果A具有強健的體魄，B相對A十分弱小，則A與B博弈時強健的A將具有明顯的優勢，但如果弱小的B具有A不具備的的過人技能，B也可以取勝。但是，如果A既有強健的體魄又有過人的技能，即便B由過人的技能，A與B的博弈中，A將具有更大的優勢。

隨著GJB 8848-2015國軍標的頒布，GJB 1389A的試驗考核將逐步實施。這里有必要分析GJB 1389A中15項要求電磁環境效應中的內涵以及相互之間的關系。經過長期的研究，我認為可以將GJB 1389A中的15項要求分為五大類：1）自兼容要求；2）抗預期電磁環境干擾要求；3）適應自然環境要求；4）實戰及毀傷環境要求；5）實戰能力和持續實戰能力要求。下面依次進行分析：

對于集偵察、探測、通信、導航、干擾、打擊于一體的信息化裝備，首先由于高靈敏度接收設備、大功率發射設備共處同一平臺，其自身的電磁干擾特性和電磁兼容性要求是面臨的首要問題，分別對應GJB 1389A-2005中設備分系統級EMI和系統內EMC兩項要求；

其次，由于偵察、探測、通信、導航設備均要求應在預期電磁環境下具備偵察、探測、通信、導航戰技術指標要求的功能性能，因此其抗預期電磁環境干擾的能力是第二個需要面對的問題，分別對應GJB 1389A-2005中安全裕度、外部射頻電磁環境、電磁輻射危害三項要求；

第三，作為直接暴露在實際環境中的裝備，應對雷電、靜電等自然環境是不可忽視的問題，分別對應GJB 1389A-2005中雷電、電搭接、外部接地、靜電電荷控制等四項要求；

第四，作為以軍事應用為主要用途的裝備，確保對抗環境下的生存力是裝備具備實戰能力的關鍵，分別對應GJB 1389A-2005中電磁脈沖、防信息泄漏、發射控制、高功率微波四項要求 ；

第五，對于具備實戰能力和持續實戰能力的裝備，GJB 1389A-2005中進一步提出了全壽命期電磁環境效應控制和電磁頻譜支持要求，其目的是控制使用區域中電子設備的電磁發射即對電磁頻譜的非正常占用，確保有更多的電磁頻譜資源可以被主動調控。

我們認真的分析了美軍標為什么認為通過這15項電磁環境效應試驗就可以達到戰場電磁環境適應性，結論是從裝備效應出發。通過對戰場電磁環境的特征進行研究，戰場電磁環境是可以分為這15個基本的要素，而且這種分解是從物理屬性上的分解，無論是發射信號，還是接收信號，都是可標定、可重復的，我們得到這個結論，是基于我們對151和461的研究。不論是美軍標461還是國軍標151，都是希望實現設備分系統的電磁兼容性，但兩類標準中都是從物理屬性上對電磁發射和電磁敏感即EMI提出了限值要求。并且是從物理屬性上對被試品進行考核，不論是施加的信號還是檢測的信號，都強調具有可標定、可重復性。

下面對設備分系統EMI和系統內電磁兼容性的關系進行分析。不知大家是否注意到，在GJB1389A中，對系統內提出的是電磁兼容性要求，對分系統設備提出的是電磁干擾要求。這就需要了解什么是EMI和EMC（第三大關系：電磁干擾與電磁兼容性的關系）？

電磁干擾包括電磁發射和電磁敏感兩方面，是產品的固有屬性；在電磁敏感性中存在一個子集叫電磁易損性。電磁干擾和電磁易損性均與產品的電氣設計原理（電路設計中激勵源特性、非線性模塊特性、電路板布局及板上各部分之間的阻抗匹配特性等）、結構、布局、工藝、加載條件等相關。電磁兼容性是基于自兼容的目標對電磁干擾提出了極限值要求，只有滿足限值要求，才可以說是具有電磁兼容性的。電磁易損性特指可導致嚴重故障、性能下降、人員或產品受到安全威脅等的電磁敏感性。電磁易損性也是產品的固有屬性。與敏感性檢測一樣，采用掃頻的方法存在漏檢的風險，對于易損性而言，漏檢意味著嚴重的隱患。如圖就是電磁干擾和電磁兼容性。

為了實現設備分系統的電磁兼容性，國軍標對每項電磁發射和電磁敏感測試都提出了限值要求。但請注意，定型試驗采用的方法是檢測EMI特性的方法，所檢測出的電磁發射和電磁敏感特性，是與被試品設計原理、工藝、布局、結構對應的特性。所以，對于軍標提出的限值要求，只有通過設計，并將設計落實到原理、工藝、布局、結構中，才有可能滿足限值要求。

下面我們回答GJB 1389A-2005中為何對系統提出EMC要求，對設備分系統提出EMI要求。由于GJB 1389A是從系統級層面提出電磁兼容性要求，因此需以充分掌握組成系統的各分系統和設備的電磁發射及電磁敏感特性為基礎，才能優化得到系統內的電磁兼容性。就像班長在掌握了全班成員的特性后，才能使全班成為一個團結且有戰斗力的群體一樣。我們稱之為電磁兼容性屬性構成關系。這種“屬性構成關系”同樣可以向下推廣到分系統、設備、電路板、器件等，向上擴展到系統間、系統與環境間。即基于本層級構成單元的基本屬性，優化本層級的性能。接著說明電磁頻譜支持。電磁頻譜支持指不同產品之間能夠有效使用特定的頻率和帶寬，以確保在預期電磁環境中具備協同工作和發揮應有效能的能力。與電磁頻譜管理不同的是，電磁頻譜支持采用主動協同技術。這也充分說明了第四大關系：系統級電磁兼容性與戰場電磁環境適應性的關系。

綜上，電磁干擾和電磁環境效應是裝備的固有屬性，電磁兼容性和電磁環境適應性是對裝備提出了限值要求，通過測試可以檢測出裝備的電磁干擾和電磁環境效應，但必須通過設計方能使被試品滿足極限值要求。

三、系統級電磁兼容性試驗設計要點

首先，既然GJB 151、GJB 1389測試得到的是電磁干擾（EMI）和電磁環境效應（E3），電磁兼容性（EMC）和電磁環境適應性（EMA）只能通過設計實現，因此試驗設計的第一個要點就是要以系統、分系統、設備設計過程為基礎。其次，由于GJB 1389A系統內電磁兼容性以組成系統的各分系統和設備的電磁發射及電磁敏感特性為基礎，所以試驗設計的第二個要點就是要以設備分系統電磁發射和電磁敏感測試結果為基礎。第三，由于現在裝備的形態已發展為多實體和地面空中協同；第四，并要適應艦面電磁環境以及編隊及戰場電磁環境，所以試驗設計的第三、四個要點就是要以裝備工況和功能性能為基礎，以實際使用電磁環境為基礎。

1、以系統、分系統/設備設計過程為基礎

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上圖給出了系統、分系統和設備設計研制過程中與電磁兼容性相關工作，包括研制總要求、系統級設計和設備分系統級設計。以設計過程為基礎，就是要全面梳理研制過程中與所有故障現象、故障歸零情況，并作為試驗驗證的重點內容之一，寫入試驗大綱，并將與故障現象對應的功能性能作為敏感判據。

2、設備電磁發射和電磁敏感測試結果為基礎

如果對設備分系統提出的電磁發射和電磁敏感限值要求直接來自GJB151，且僅對設備單項試驗是否滿足極限值進行評估，卻未將功能性能作為判據、未將平臺是否正常工作作為判據，就會存在設備電磁兼容性與系統級電磁兼容性和系統級工況脫節的隱患。要想解決這個問題，建議首先要樹立梳理系統內各設備間干擾關聯關系，建立干擾關聯矩陣。例如對軍用飛機，將與高靈敏接收設備有關聯關系的所有設備（與高靈敏度接收設備同時工作、頻段可能相互覆蓋）的RE102綜合比對，評估是否超出接收設備抗干擾容限。將與計算機類設備有關聯關系的數據線纜屏蔽、搭接、端接阻抗等與CS114綜合比對，評估是否引發故障。

這里需要提醒一點，在對設備分系統提出電磁兼容性要求時，應針對具體需求提出針對性的極限值要求，如果直接采用GJB151中的極限值，雖然具有合理性，但由于該機限制是通用要求，我們認為它理解為類似在電路設計中對端口匹配阻抗的要求為50歐姆一樣，雖然合理，但并不是最優要求。

綜上所述，設備分系統級電磁兼容性試驗結果應是系統級電磁兼容性試驗大綱制定的重要依據之一。

3、裝備工況和功能性能為基礎

因為研制總要求對裝備提出的功能性能要求是適用于裝備使用工況，所以系統級電磁兼容性試驗中就應以裝備的公開和功能性能為基礎。何為裝備的工況和功能性能呢？例如，機載導彈與機載超短波電臺同時工作，系統級電磁兼容性試驗中應將導彈工況與機載超短波電臺工況的兼容性作為考核項。又如，保障信息互聯互通的機載數據鏈與機載大功率發射機同時工作，系統級電磁兼容性試驗中應將大功率發射時數據鏈通信距離及誤碼率作為敏感判據。

4、以實際使用電磁環境為基礎

作戰區域的常態電磁環境、艦面不同設備工作時的電磁環境、不同裝備編隊使用時面臨的電磁環境，都可能引發裝備受到干擾。為此應按照研制總要求明確提出的該裝備實際使用環境，采集環境數據，并將實際使用環境中的電磁環境數據與標準要求的信號共同作為敏感性試驗中的輸入信號（或注入信號）考核裝備適應實際電磁環境的能力，實際電磁環境應在大量實際采集數據基礎上進行統計處理后給出。應考慮不同設備（器件）對所處環境中不同性質信號的不同敏感響應，如對能量敏感的響應、對瞬態激勵敏感的響應等，應依據設備的響應特征采取不同的測試設備及測試方法采集電磁環境數據。

下面以具體實例來說明系統級電磁兼容性試驗設計。通常需進行設計的試驗應包括科研階段摸底試驗和設計定型試驗。

實例1：研制全過程電磁兼容性科研摸底試驗的設計

如下圖所示，科研摸底試驗應涵蓋從芯片到電路板、到設備級、分系統級、系統級和多系統級。

電磁兼容性科研試驗應從芯片開始，且設備級和分系統級的試驗內容豐富。電磁易損性試驗是各個環節都嚴重關切的試驗。這一點與2016年新頒布的美軍標 MIL-STD-461G十分吻合。MIL-STD-461G中還將將原來只在系統級中才要求的雷電試驗，下沉到設備分系統要求中，并提出了靜電要求。關于設備級電磁兼容性試驗，還應特別關注我國新頒布的151B中CE107、CS102和CS106三項試驗內容。

實例2：某武器系統的系統級電磁環境效應試驗設計

將該武器系統的全任務過程分解為探測-發射-測控-打擊-評估，全信息鏈路分解為雷達、導引頭、指令線、指控通信、引信。抽象地說，將整個鏈路分解為若干單元，對每個單元的電磁環境效應進行測試，對各單元的集成關系進行構建。根據研制總要求中要求的各種想定，在內場構建鏈路組成環境，實施遍歷性試驗，并在外場對內場獲取的典型剖面進行驗證。

實例3：無人機系統的系統級電磁環境效應試驗設計

由于該試驗涉及地面和空中的超視距射頻問題，所以試驗設計要點主要包括如下4個方面：定位敏感體：此處為無人機；確保超視距工況；真實傳播模型；分析空間存在的干擾。試驗設計時需考慮：

1）多個實體中誰應放置在標準測試場地上，原因是什么？

2）如何設置測控站-衛星-飛機的試驗鏈路上信號衰減，否則無法客觀測出無人機系統的電磁環境效應？

3）如何阻斷無人機與測控站間的耦合效應，否則試驗不真實？

4）如何構建無人機工作區域的電磁環境？

四、系統級電磁兼容性試驗評估重點及難點

前面提到的系統級電磁兼容性試驗設計的4個要點，在一定層面上決定了我們的試驗評估方法應關注的問題即重點和難點。首先針對系統、分系統/設備設計過程檢查，通過相互干擾檢查試驗以及敏感性試驗，檢測設計過程中出現的問題是否有效解決，評估歸零方案對功能性能是否帶來新的影響，評估在系統級實際工作環境下的歸零方案的穩健性；對于難以實施試驗的設計方案，如何實施驗證評估（如全機雷電設計、全機搭接設計等）。

接著針對設備/分系統電磁發射和電磁敏感測試結果分析，解析GJB 151規定的設備分系統級試驗方法的適用性；梳理設備分系統級電磁兼容性試驗中出現的問題。

1、GJB 151設備分系統級試驗方法存在以下幾個問題：1）電磁敏感性后門試驗。實際測試難以在空域、頻域、時域全覆蓋；軍標要求RS103測試7851頻點 （@40GHz）、6254頻點（@18GHz），CS114測試2183頻點 （@10kHz-400MHz）。敏感性是否得到全部排查，軍用飛機是否存在未知薄弱環節。2）電磁敏感性前門接收天線。設備、分系統級輻射敏感度試驗不含接收天線，實際使用時含接收天線；CS103、CS104、CS105試驗雖考核了接收機的交互調等，卻未考核通過天線進入到接收機帶內的干擾。從天線進入到接收機帶內導致的敏感性問題是否被有效排查，是否存在未知薄弱環節。3）電磁易損性是否被有效排查。單頻點測試無法有效排查易損點，對于單頻點、模擬信號形式，在充斥各種制式信號電磁環境，通過了電磁兼容性測試的系統，而在實際工作中還會出現敏感現象。4）GJB/GB規定的線纜敏感性測試信號太理想。根據NASA給出的數據，60%電磁兼容性問題都與線纜有關，GJB 151中線纜敏感性相關試驗非常理想，不能滿足實際射頻系統工作時的線纜狀態，導致許多實際裝備在運行過程中出現的電磁干擾問題，無法在地面電磁兼容性試驗中被檢測。為解決此問題，北航電磁兼容技術研究所自主研制了多頻電磁傳導敏感性測試設備，已在實際裝備電磁干擾問題檢測中發揮了重要作用，實施效果顯著。

2、梳理設備分系統級電磁兼容性試驗中出現的問題。數十個型號單項試驗合格率的統計顯示，電磁發射不合格率最高，達到49%，而大量設備超標，使全頻段噪底抬升。那么什么是導致設備電磁發生超標的主要原因呢？我們認為一是設計是否落實到設備的原理、工藝、結構、布局等，二是研制過程是否有效遵循設計方案。現有電磁兼容性國軍標GJB 1389A和GJB 151B均未對研制過程提出控制要求，從目前的現狀一般可以認為目前這兩個標準主要是在試驗測試時發揮了重要作用。對研制過程提出控制要求的國軍標是 GJB/Z 17《軍用裝備電磁兼容管理指南》，但該標準定性要求要求多，定量要求少。為了有效控制研制過程產品的電磁兼容性質量，我國新頒布了GJB/Z 170-2013《軍工產品設計定型文件編制要求》，其中第14部分為電磁兼容性評估報告。該標準從出口（設計定型）倒逼研制過程，旨在控制和規范研制過程的電磁兼容工作程序和工作內容。該標準是在長期分析我國裝備研制實際情況的基礎上編制的，其中制定了裝備研制各階段電磁兼容性的詳實評估要求。該標準中涵蓋了方案階段的要求制定、指標分解和設計建模，工程研制階段包括對系統級的8項評估要求和對設備/分系統級的7項評估要求；設計定型階段，對試驗中問題的說明、原因的分析和改進性設計等。這里還特別想介紹一下北航電磁兼容研究所提出的電磁干擾源準確定位技術。通常在產品后期出現電磁發射超標和電磁敏感問題，往往定位干擾源、排查耦合通道、剖析敏感機理、消除干擾問題十分困難，為此北航電磁兼容技術研究所在七年研究實踐基礎上，形成了一套與平臺工況結合、從平臺層面測試數據入手、分析發射特征如基頻重頻帶寬等、篩查主要干擾設備、在設備層面比較能量超差、將篩查出的主要干擾設備按干擾強弱排序等系統性技術方法和手段（含設備），為以較小的代價快速解決電磁干擾問題探索了新的途徑。該方法的基本思路已寫在由國防工業出版社出版的《系統級電磁兼容性量化設計理論與方法》專著中。下圖為該方法在某無人裝備電磁兼容性伴隨式檢測試驗中的應用實例。

3、針對裝備工況和功能性能測試，電磁兼容性試驗需干凈電磁環境，所以通常在屏蔽室內進行。但屏蔽室內無法實施系統級動態測試，因此需要解決：1）外場因環境噪聲與被試品電磁發射混為一體，影響測試數據的客觀性；2）測試系統自身電磁發射與被試品電磁發射混為一體，影響測試數據客觀性。目前我國已自主建成了開闊場-系統級電磁兼容性測試系統，可以完成大型裝備（包括多實體裝備）系統級動態電磁兼容性試驗。經第三方檢測，該開闊場-系統級電磁兼容性測試系統自身電磁噪聲極低，可以消除開闊場中緩變電磁干擾，具備了外場輻射發射測試能力。

4、針對實際使用電磁環境試驗，地面空中系統、編隊戰場環境中需要多種技術的結合，包括電磁環境采集技術、數據處理技術、模擬構建技術等。

五、結束語

最后對本報告進行總結：首先系統級電磁環境效應試驗設計很重要，電磁發射、電磁敏感及電磁環境效應是固有屬性，電磁兼容性和電磁環境適應性是設計出來的，系統級電磁環境效應試驗設計要充分考慮四大關系：電磁兼容性與戰場電磁環境適應性的關系，設備分系統電磁干擾特性與系統內電磁兼容性的關系，系統級電磁兼容性與系統級電磁環境效應的關系，系統級電磁環境效應與系統級電磁環境適應性之間的關系。

作者簡介：蘇東林 北京航空航天大學電子信息工程學院教授、博士生導師，現任北航電磁兼容技術研究所所長

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