雷達(dá)導(dǎo)引頭電磁兼容設(shè)計(jì)

楊銘懿

(上海無線電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

雷達(dá)導(dǎo)引頭是導(dǎo)彈的重要組成部分,是集微波、電子、電氣、精密機(jī)械為一體的復(fù)雜裝置[1]。由于導(dǎo)引頭的體積結(jié)構(gòu)受整彈要求限制,它的各種設(shè)備只能集中安裝于一個極小的空間內(nèi),并且還與彈上其它設(shè)備和火控系統(tǒng)有緊密的接口關(guān)系。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境下工作,將會產(chǎn)生各種感應(yīng)和干擾,嚴(yán)重時將導(dǎo)致導(dǎo)引頭性能降級甚至無法正常運(yùn)行,因此導(dǎo)引頭的電磁兼容設(shè)計(jì)不容忽視。

1 導(dǎo)引頭電磁兼容要求

電磁兼容性(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行,并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力[2]。它包括兩方面的要求:一是電磁干擾(EM I),指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值;二是電磁敏感性(EMS),指其設(shè)備對所在環(huán)境中存在電磁干擾具有一定程度的抗擾度。故在導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中不僅應(yīng)具有對內(nèi)部串?dāng)_的“自兼容性”,且應(yīng)當(dāng)具有抗產(chǎn)品間相互串?dāng)_的“互兼容性”,并應(yīng)通過GJB151A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》的相應(yīng)測試項(xiàng)目。

2 導(dǎo)引頭工作電磁環(huán)境

某雷達(dá)導(dǎo)引頭主要由二次電源組件、伺服系統(tǒng)、接收機(jī)組合三大部分組成。二次電源組件分別給伺服系統(tǒng)、接收機(jī)組合供電。其中二次電源為主要的干擾源,它的諧波、紋波通過傳導(dǎo)和輻射耦合到其它設(shè)備,可能會影響導(dǎo)引頭正常工作。伺服系統(tǒng)工作時形成的大電流波動由共用電源耦合影響到接收機(jī)的工作。接收機(jī)內(nèi)部高頻、低頻及數(shù)字電路工作時也會相互產(chǎn)生干擾。

導(dǎo)引頭在武器系統(tǒng)工作環(huán)境中將受到雷達(dá)、通訊等設(shè)備的大功率信號輻射,同時在地面測試和待發(fā)射狀態(tài)時受到由電纜網(wǎng)連接后引入的各種傳導(dǎo)干擾。

3 導(dǎo)引頭電磁兼容設(shè)計(jì)

3.1 二次電源

導(dǎo)彈的電源系統(tǒng)大都采用熱電池供電,再經(jīng)二次電源變換的方式給分系統(tǒng)供電。導(dǎo)引頭上的二次電源采用DC-DC開關(guān)電源實(shí)現(xiàn),它與傳統(tǒng)的采用燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)、交流變換器、線性電源的方式相比,具有體積小、重量輕、效率高和供電靈活的特點(diǎn),但同時存在較嚴(yán)重電磁干擾問題。結(jié)合導(dǎo)引頭實(shí)際工作情況,以下幾方面在二次電源電磁兼容設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。

(1)選擇開關(guān)電源工作方式

開關(guān)電源電路中主要有以下兩種工作方式[3]:

a)脈沖頻率調(diào)制方式,簡稱脈沖頻率調(diào)制(Pules Frequency M odu lation,簡稱 PFM),它將脈沖寬度固定,通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比。根據(jù)導(dǎo)引頭實(shí)際工作情況,隨著負(fù)載電流的變化,其開關(guān)工作頻率也發(fā)生變化,產(chǎn)生的變頻輻射信號會進(jìn)入接收機(jī)前中通道,對接收機(jī)產(chǎn)生干擾,所以在導(dǎo)引頭二次電源設(shè)計(jì)中不能采用脈沖頻率調(diào)制方式;

b)脈沖寬度調(diào)制方式,簡稱脈沖寬度調(diào)制(PulsW id th Modu lation,簡稱 PWM),其特點(diǎn)是固定開關(guān)頻率,通過改變脈沖寬帶來調(diào)節(jié)占空比,導(dǎo)引頭正常工作滿載時負(fù)載重,而用PWM在重負(fù)載情況下工作效率高,頻率特性好,電壓調(diào)整率高,線性度高,開關(guān)頻率固定,所以導(dǎo)引頭DC-DC電源模塊,采用調(diào)寬工作方式,但需對輻射的干擾信號幅度進(jìn)行控制。

(2)選擇開關(guān)頻率

開關(guān)電源采用調(diào)寬工作方式,使開關(guān)頻率相對調(diào)頻工作方式固定,通常開關(guān)電源的工作基頻在幾十千赫以上。但由于開關(guān)電源電流轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生前后沿很陡的(d i/d t可達(dá)1 A/ns,d v/d t可達(dá)3 V/ns)脈沖,導(dǎo)致輸入電流發(fā)生畸變,諧波豐富且噪聲水平提高,這些諧波噪聲經(jīng)近場和遠(yuǎn)場耦合形成傳導(dǎo)和輻射干擾,可能進(jìn)入導(dǎo)引頭工作頻段,影響接收機(jī)正常檢測,造成目標(biāo)失鎖。同時,隨著導(dǎo)引頭加電時間及工作環(huán)境不同,溫度會發(fā)生變化。從低溫到高溫狀態(tài)下,其二次電源開關(guān)頻率也會發(fā)生幾十赫茲至幾兆的變化,疊加在第n次諧波上影響導(dǎo)引頭正常工作。

開關(guān)電源的高次諧波無法徹底消除,所以導(dǎo)引頭對開關(guān)電源開關(guān)工作頻率的選擇尤為重要。首先根據(jù)導(dǎo)引頭工作頻率以及頻率變化范圍,對開關(guān)電源開關(guān)工作頻率進(jìn)行計(jì)算,使其開關(guān)工作頻率應(yīng)滿足下述關(guān)系式:

n(fk+Δfk)＜fif＜(n+1)(fk+Δfk)(1)式中:n為諧波次數(shù);fif為系統(tǒng)工作頻率;fk為電源開關(guān)頻率;Δfk為電源開關(guān)頻率變化量;n(fk+Δfk)為第n次諧波頻率。

上式說明,電源開關(guān)頻率應(yīng)選擇使任意相鄰兩次諧波不在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi),可以利用晶振等高頻率穩(wěn)定器件和脈寬調(diào)制集成電路的同步端來穩(wěn)定DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率,使其在大的工作溫度變化范圍內(nèi),開關(guān)頻率變化較小。某導(dǎo)引頭的二次電源改進(jìn)后,開關(guān)頻率在高低溫環(huán)境下頻率變化約為200 Hz,它的高次諧波不會穿越導(dǎo)引頭工作頻率帶寬。

(3)控制紋波大小

選用開關(guān)電源不可避免會產(chǎn)生紋波。由于二次電源輸出電壓種類、路數(shù)多,選用的DC-DC模塊多,采用同一開關(guān)頻率后,各路電源輸出紋波普遍變大。與系統(tǒng)聯(lián)試后,開關(guān)頻率的高次諧波幅度變大,通過地線上的傳導(dǎo)進(jìn)入導(dǎo)引頭各組合,對目標(biāo)截獲造成干擾。以+15 V電源為例,圖1為改進(jìn)前+15 V電源輸出紋波。

圖1 改進(jìn)前+15 V電源輸出紋波

減小電源紋波的方法:

a)一種是針對分列DC-DC轉(zhuǎn)換電路,在穩(wěn)頻的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的濾波,減小電源組合的輸出紋波;

b)另一種是使用輸出紋波本身就很小的DC-DC模塊代替分列的DC-DC轉(zhuǎn)換電路;并用增加屏蔽罩的方法減小其自身對周圍的空間輻射,進(jìn)一步減少其輻射對其它組合的影響。

以上方式都能較好的改善組合的輸出紋波,使二次電源組合不僅自身參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,而且也不影響該導(dǎo)引頭的正常工作。圖2為改進(jìn)后+15 V電源輸出紋波。

圖2 改進(jìn)后+15 V電源輸出紋波

由圖1和圖2對比可見,在相同測試條件下,改進(jìn)前+15 V電源輸出紋波峰峰值最大接近600mV左右;而改進(jìn)后+15 V電源輸出紋波明顯減小。

降低電源輸出紋波幅度,不僅關(guān)系到導(dǎo)引頭能否正常工作,而且還關(guān)系到GJB151A-97/CE102 10 kHz～10 MH z電源線傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)?zāi)芊裢ㄟ^。圖3為采取降低電源輸出紋波幅度措施前后CE102試驗(yàn)曲線對比圖,表明采取合適的措施后,電源線傳導(dǎo)發(fā)射整體幅度明顯降低,無超差點(diǎn),導(dǎo)引頭可以通過CE102試驗(yàn)。

(4)合理分配二次電源

圖3 采取降低電源輸出紋波幅度措施前后CE102試驗(yàn)曲線對比圖

機(jī)電伺服系統(tǒng)驅(qū)動天線大角速率運(yùn)動時,不可避免的產(chǎn)生近15 A左右的瞬態(tài)脈沖電流,導(dǎo)致一次電源電壓出現(xiàn)對應(yīng)的瞬態(tài)突變,進(jìn)而引起二次電源波紋、毛刺達(dá)到200m V～500mV,大大超過穩(wěn)態(tài)紋波值,成為電路供電的一大隱患。在導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中,最好采用單獨(dú)的一組熱電池作為伺服機(jī)構(gòu)輸入電源。

(5)采取抗電流擾動措施

有些用電設(shè)備,比如機(jī)電伺服系統(tǒng),在加電瞬間要汲取一個較大的電流,這個瞬時沖擊電流可能要比靜態(tài)工作電流大好幾倍。且隨著導(dǎo)引頭在不同工作狀態(tài)下,伺服機(jī)構(gòu)的運(yùn)動,沖擊電流大小也不同。振動時,伺服機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動電流波動會比常態(tài)工作環(huán)境下大,造成一次電源電壓的波動。圖4為導(dǎo)引頭供電方式。

在振動狀態(tài)下,一次電源傳輸線上的電流為

設(shè)一次電源傳輸線的線阻為R線,則二次電源組合供電端輸入電壓為

圖4 導(dǎo)引頭供電方式

當(dāng)一次電源傳輸線線阻達(dá)0.5Ω,在振動狀態(tài)下,電流波動達(dá)到5 A～15 A,檢測二次電源組合供電端輸入電壓,波動最大峰峰值可達(dá)7.5 V,若DC-DC電壓調(diào)整模塊的調(diào)整能力不足使導(dǎo)致二次電源輸出電壓的品質(zhì)將受影響,可能導(dǎo)致導(dǎo)引頭其它設(shè)備供電異常。

可以通過加粗一次電源傳輸線、增加傳輸線數(shù)量或減短傳輸線長度來降低線阻。更重要的是提高二次電源DC-DC模塊的抗波動能力。以上改進(jìn)措施可通過GJB151A-97/CS101方法進(jìn)行檢測。

3.2 接收機(jī)

導(dǎo)引頭接收機(jī)為敏感設(shè)備,內(nèi)部工作頻率種類多,且由結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定其電纜走線復(fù)雜。在實(shí)際工作環(huán)境或在進(jìn)行GJB151A-97/RS103電場輻射敏感度試驗(yàn)時,接收機(jī)受到較強(qiáng)的電場輻射干擾,其組件間的信號連線,將感應(yīng)電場輻射干擾信號,并進(jìn)入接收機(jī)通道,使接收機(jī)不能正常工作。保證接收機(jī)通道內(nèi)干凈,不受各種干擾譜線影響,是接收機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

(1)合理安排電纜走線

將電源線與信號線分開走線,如須交叉的地方成90°角,這樣有助于減小交叉干擾現(xiàn)象,還應(yīng)將頻率高的信號線用屏蔽導(dǎo)線連接,以防高頻信號受干擾或干擾其它信號。

(2)采取屏蔽措施

將中頻放大電路板增加鐵磁屏蔽蓋板,可以減少雜散譜線輻射干擾。

(3)正確選用濾波器

根據(jù)干擾幅度和持續(xù)寬度,選擇合適的濾波時常數(shù)及濾波器。查找敏感部位,在信號輸入端增加抑制共模干擾和差模干擾效果好的EM I濾波器,提高抗干擾能力,解決了RS103試驗(yàn)時導(dǎo)引頭工作異?，F(xiàn)象。

3.3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)主要包含兩個方面:

a)一是對外干擾,伺服系統(tǒng)對外電磁干擾主要來自于它的二次電源譜線輻射,其對外干擾生產(chǎn)的影響及采取的措施參見3.1二次電源電磁兼容設(shè)計(jì);

b)二是敏感程度,伺服系統(tǒng)主要易受干擾的設(shè)備是陀螺,表現(xiàn)形式為陀螺輸出產(chǎn)生波動。

陀螺由陀螺表頭和陀螺信號解調(diào)電路組成,陀螺信號是由陀螺表頭敏感視線角速度運(yùn)動后輸出的微弱信號。在通過解調(diào)電路放大后提取角速度信息時,易將微弱信號與電場輻射干擾信號一起放大,使陀螺信號輸出產(chǎn)生波動。電場輻射干擾信號主要由不合理的印制板布線對高精度小信號的放大器產(chǎn)生影響,且與有用的微弱信號在頻譜上混疊在一起,無法通過濾波方式消除干擾。在PCB布線設(shè)計(jì)時,通過增加布線層降低分布源阻抗,合理分配走線,減少寄生分布參數(shù),避免有害干擾引入陀螺解調(diào)電路。

圖5為PCB布線更改前后,陀螺輸出信號對比圖。由圖可知,布線更改前陀螺輸出信號幅度波動達(dá)80mV,超出正常工作范圍;布線更改后,陀螺輸出幅度幾乎不變。

圖5 PCB布線更改前后,陀螺輸出信號對比圖

4 結(jié)束語

導(dǎo)引頭經(jīng)過各項(xiàng)電磁兼容設(shè)計(jì),試驗(yàn)證明這些措施和方法能滿足導(dǎo)引頭內(nèi)部自兼容和外部互兼容要求,使產(chǎn)品具有較完善的電磁兼容性,同時滿足國軍標(biāo)GJB151 A/152 A軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求。隨著電磁兼容學(xué)及各種技術(shù)不斷發(fā)展,在今后的導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中,應(yīng)由研制后期暴露出問題而采取補(bǔ)救措施轉(zhuǎn)變成在設(shè)備設(shè)計(jì)初始階段就開展電磁兼容設(shè)計(jì),設(shè)備的可靠性將得到更大的提高。

[1] 穆虹.防空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)[M].北京:宇航出版社,1996.

[2] 沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,1999.

[3] 歐陽振華.峰值電流控制 PWM升壓開關(guān)電源IC設(shè)計(jì)[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008.