中波歸航機(jī)的電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)＊

夏 敏 王玉龍

（海軍駐嘉興地區(qū)通信軍事代表室 嘉興 314033）

1 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和信息化的發(fā)展，艦艇上裝備了大量的電子設(shè)備，使得艦艇的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁干擾（Electromagnetic Interference—EMI）問題越來越嚴(yán)重。為了保證各種電子設(shè)備能夠相互兼容地工作，GJB151A-97對設(shè)備和分系統(tǒng)的傳導(dǎo)、輻射、敏感性和抗干擾性均提出嚴(yán)格的界限要求。以下針對某型中波歸航機(jī)設(shè)備電磁兼容測試未達(dá)標(biāo)的項(xiàng)目，簡要分析了產(chǎn)生電磁干擾的原因，重點(diǎn)探討相關(guān)電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

2 EMC設(shè)計(jì)特點(diǎn)和原則

產(chǎn)品的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility—EMC）包含兩個方面的含義［1］：一是產(chǎn)品在自己所產(chǎn)生的電磁環(huán)境及它所處的外部電磁環(huán)境中，能夠可靠、正常地工作，也就是說它對電磁干擾具有一定的抗擾度。二是產(chǎn)品本身所產(chǎn)生的電磁噪聲必須限定在一定的電平下，使它不至于對它周圍的電磁環(huán)境造成嚴(yán)重污染和影響其他設(shè)備的正常工作。

EMC設(shè)計(jì)與常規(guī)電路設(shè)計(jì)不同，它是針對EMI來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。眾所周知，電子電路設(shè)計(jì)通常是按電路圖進(jìn)行的，在電路設(shè)計(jì)過程中我們往往只關(guān)注電路本身信號的處理，而忽略了電路中的寄生參數(shù)以及元器件之間的相互耦合等因素造成的影響，也就遺留了產(chǎn)生EMI的隱患。

根據(jù)EMC理論知識可知，只有當(dāng)干擾源、耦合途徑、敏感源三者同時(shí)存在時(shí)，才會產(chǎn)生EMI問題，三者缺了任何一個就不會出現(xiàn)EMI問題。通常電子設(shè)備既是干擾源又是敏感源。EMI的耦合途徑可分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩類。傳導(dǎo)耦合是指電磁噪聲的能量在電路中以電壓或電流的形式，通過金屬導(dǎo)線或其他元件（如電容器、電感、變壓器等）耦合到被干擾設(shè)備；輻射耦合是指電磁噪聲的能量以電磁場能量的形式，通過空間輻射傳播，耦合到被干擾設(shè)備。

EMC的設(shè)計(jì)原則就是針對干擾源、耦合途徑、敏感源中的一個或幾個，采取某些技術(shù)手段來消除或抑制其影響，從而使產(chǎn)品獲得較好的電磁兼容性。一般來說，EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是找出干擾源和敏感源，然后采取適當(dāng)?shù)母蓴_抑制措施來消除干擾。

3 EMC問題分析與對策

按國軍標(biāo)GJB151A-97的要求，中波歸航機(jī)一般進(jìn)行十項(xiàng)電磁兼容性考核測試，即 CE101、CE102、CE106、CS101、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103。從某型中波歸航機(jī)屢次參加電磁兼容試驗(yàn)的情況來看，不易通過的是CE101—電源線的傳導(dǎo)發(fā)射的測量，CE106—天線端子傳導(dǎo)發(fā)射的測量，RE102—電場輻射發(fā)射的測量這三項(xiàng)。下面針對CE101、CE106和RE102來分析設(shè)備電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和相應(yīng)的抑制措施。

3.1 天線端子傳導(dǎo)發(fā)射

CE106是考核發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線端子傳導(dǎo)發(fā)射的。根據(jù)中波歸航機(jī)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，該項(xiàng)測試的試驗(yàn)頻率為10kHz～16MHz，天線端子傳導(dǎo)發(fā)射在待發(fā)狀態(tài)不應(yīng)超過34dBμV，在發(fā)射狀態(tài)除二次和三次諧波以外的所有諧波發(fā)射和亂真發(fā)射均應(yīng)至少低于基波電平80dB，二次和三次諧波應(yīng)抑制70dB［2］。從上可以看出該項(xiàng)測試主要考核中波歸航機(jī)輸出端子的諧波抑制和雜波抑制。

中波歸航機(jī)輸出信號的諧波和雜波含量與激勵器、功放、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以及調(diào)制電路的性能相關(guān)。為了提高中波歸航機(jī)的整機(jī)效率，減小的體積和重量，它采用脈寬調(diào)制方式工作，其高頻功率放大器和脈寬調(diào)制器都工作在開關(guān)狀態(tài)［3］，高頻功率放大器輸出的射頻矩形波（調(diào)制時(shí)為幅度調(diào)制的射頻矩形波）。矩形波的傅立葉級數(shù)表達(dá)式為［4］

從上式可以看出，高頻功率放大器輸出的射頻信號中奇次諧波分量非常豐富。為了保證中波歸航機(jī)的諧波和雜波衰減量在70dB以上，在高頻功率放大器和天線調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)之間加入一個由串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路組成的諧波濾波器，對射頻輸出信號的諧波進(jìn)行濾波［5］。在前級電路中應(yīng)用移相消除諧波技術(shù)，減少高頻功率放大器輸出的射頻信號中的諧波含量。此外，高頻各單元的布置按高頻信號大小順序排列，使其符合不同功率等級的高頻單元分離布置的EMC原則，各高頻單元采用鋁合金獨(dú)立屏蔽，各單元間的連接采用雙屏蔽電纜，以減少因高頻信號的交叉耦合而產(chǎn)生的雜波干擾。采用上述措施后，某型中波歸航機(jī)的CE106的測試結(jié)果如圖1（b）所示，圖1（a）為實(shí)施上述措施之前的測試結(jié)果，從圖1可看出雜波抑制約提高了21dB滿足GJB151A-97的要求。

圖1 CE106測試結(jié)果

3.2 電源線傳導(dǎo)發(fā)射

CE101、CE102是考核設(shè)備電源線傳導(dǎo)發(fā)射的，其中CE101—測量25Hz～10kHz范圍的電源線傳導(dǎo)，CE102—測量10kHz～10MHz范圍的電源線傳導(dǎo)。中波歸航機(jī)的內(nèi)部供電電源采用高頻開關(guān)電源，而開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)就是產(chǎn)生較強(qiáng)的EMI［6］。開關(guān)電源內(nèi)產(chǎn)生EMI的主要部件是高壓整流濾波、功率變換和輸出整流濾波電路。首先大多數(shù)開關(guān)電源采用橋式整流器和一個大容量濾波電容從交流220V中獲取直流電壓。由于濾波電容的存在，只有當(dāng)瞬時(shí)交流電壓超過電容電壓時(shí)，整流管才導(dǎo)通，電源從交流220V中獲得電能，此時(shí)濾波電容產(chǎn)生較大的尖峰充電電流，這些尖峰電流諧波含量豐富，因此造成供電線路的功率因數(shù)很低，一般在0.5～0.7之間，這將直接造成CE101、CE102超標(biāo)（如圖2（a）所示）。

針對上述分析，就抑制電源線傳導(dǎo)而言，最直接的方法就是在電源輸入端口加裝EMI濾波器，這里我們采用在開關(guān)電源抽屜內(nèi)側(cè)的供電輸入端口處接入一個埃德產(chǎn)的高性能EMI濾波器，該濾波器具有優(yōu)良的共模和差模插入損耗特性，可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向供電線路反傳的干擾，也可以抑制來自供電線路的噪聲對開關(guān)電源的侵害，同時(shí)對電源線上的輻射干擾也具有顯著的抑制效果。為了進(jìn)一步改善開關(guān)電源的電磁兼容性能，在電路設(shè)計(jì)中采用有源功率因數(shù)校正電路來替代橋式整流濾波電路［7］，使得線路的功率因數(shù)達(dá)到0.99，大大減少對供電線路的電磁干擾。經(jīng)測試電源線傳導(dǎo)發(fā)射滿足要求，如圖2（b）所示。

圖2 CE101測試結(jié)果

3.3 電場輻射發(fā)射

RE102是電場輻射發(fā)射的測量，主要考核設(shè)備對外的電磁輻射，對中波歸航機(jī)該項(xiàng)測試的試驗(yàn)頻率為10kHz～16MHz。中波歸航機(jī)內(nèi)部有開關(guān)電源、高頻放大電路、脈寬調(diào)制電路等，它們都不可避免地產(chǎn)生電場輻射。解決電場輻射問題的途徑一般有兩種，1）通過電路的改進(jìn)，減少輻射源的能量；2）通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)加強(qiáng)屏蔽，抑制輻射。

眾所周知，防止電子設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾的典型方法是采用金屬機(jī)殼對電磁場進(jìn)行屏蔽［8］。中波歸航機(jī)設(shè)備采用鋁合金機(jī)柜，內(nèi)部的激勵器、高頻放大單元、脈寬調(diào)制單元、諧波濾波器以及天線調(diào)諧回路均采用鋁合金盒或插箱。理想的屏蔽體應(yīng)是在空間上連續(xù)的、無孔的和無縫的，這樣外界的干擾進(jìn)不去，內(nèi)部的輻射出不來，但在實(shí)際工程中這樣的屏蔽體是不存在的，設(shè)備上至少必須有電線接孔，這樣便會造成屏蔽泄漏。在設(shè)計(jì)制造過程中，為了降低制造成本，鋁合金屏蔽盒、插箱以及機(jī)柜均采用拼板式，這就造成固定表面存在接縫，理想的狀況應(yīng)該是接縫是平整的、連續(xù)的和合適的，但在實(shí)際中固定表面會存在一定的不重合度，也就是接縫的不平整，接縫的不平整就會造成電磁泄漏。另外，設(shè)備上的接插件安裝孔、通風(fēng)孔以及顯示窗口等都會造成電磁泄漏。在中波歸航機(jī)設(shè)計(jì)制造中采用銅導(dǎo)電箔帶、銅鍍銀導(dǎo)電橡膠、鈹銅簧片、高性能屏蔽窗以及防塵屏蔽通風(fēng)板等EMI屏蔽材料來解決電磁泄漏問題。

在設(shè)備使用和維護(hù)過程中不需要拆卸的零件形成的接縫采用銅導(dǎo)電箔帶來密封接縫；對于需要拆卸的接縫采用銅鍍銀導(dǎo)電橡膠，它是一種用銅鍍銀粒子填充的硅橡膠，具有良好的導(dǎo)電性，能提供良好的屏蔽效果；對于接插件安裝孔采用銅鍍銀導(dǎo)電橡膠制成的連接器襯墊，這些襯墊能同時(shí)起到屏蔽和環(huán)境密封的作用；對于插箱之間接縫的屏蔽采用鈹銅簧片，它是耐用的金屬條，具有極高的舒張阻力—完全消除了壓縮永久形變；顯示窗口的屏蔽采用高性能屏蔽窗［9］，它是一種在兩層玻璃之間嵌入低阻抗的金屬絲網(wǎng)，能在干擾惡劣的環(huán)境中提供最佳的透光和EMI屏蔽；設(shè)備底部通風(fēng)口采用防塵屏蔽通風(fēng)板進(jìn)行屏蔽，它由鋁合金拉制網(wǎng)屏、電磁干擾襯墊和鋁合金金屬絲纖維網(wǎng)屏三層壓制而成，具有良好的通風(fēng)性和屏蔽效能。

中波歸航機(jī)的工作在中長波段，工作射頻頻率低，且射頻通道工作在開關(guān)狀態(tài)；另外，所采用的開關(guān)電源工作頻率在100kHz～120kHz之間，產(chǎn)生的雜波也集中在低頻段。因而中波歸航機(jī)在低頻段產(chǎn)生的電磁干擾比一般通信設(shè)備要豐富的多，干擾能量也大的多。由于屏蔽材料在低頻段，屏蔽效能以反射損耗為主，而在高頻段則以反射損耗和吸收損耗相疊，這樣屏蔽材料的屏蔽效能在低頻段比高頻段要差很多。因此對于中波歸航機(jī)來說，只采用屏蔽措施RE102是很難達(dá)標(biāo)的，要使RE102能達(dá)標(biāo)還必須從電路采取措施減少輻射源的能量。在中波歸航機(jī)電路設(shè)計(jì)中采取的主要措施有：

1）對射頻功率放大電路采用過驅(qū)動，減少功放管開通時(shí)間，在功放管反向并接快恢復(fù)二極管，縮短功放管關(guān)斷時(shí)間，從而減少了射頻功率放大電路開、關(guān)產(chǎn)生的雜波能量。

2）開關(guān)電源采用移相諧振軟開關(guān)技術(shù)，極大降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。

3）改進(jìn)射頻變壓器和開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換變壓器的繞制工藝，減少變壓器的漏感和分布電容。

4）在電路關(guān)鍵部位嵌入RC或LC吸收回路［10］，減少開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾。

5）優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)：減小大電流回路所包圍的面積，特別是射頻輸出功率變壓器與功放管、開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換變壓器與開關(guān)管等；注意相鄰線間的信號性質(zhì)和間距，以避免產(chǎn)生串?dāng)_；采用加錫方式來加寬大電流走線，以減小線阻和地線阻抗。

采用上述措施設(shè)計(jì)的中波歸航機(jī)，RE102的測試結(jié)果如圖3（b）所示，達(dá)到了GJB151A要求。而應(yīng)用上述措施之前設(shè)計(jì)的中波歸航機(jī)RE102測試結(jié)果如圖3（a）所示，最大超標(biāo)約為17dB。

圖3 RE102測試結(jié)果

4 結(jié)語

通過落實(shí)上述措施，使得中波歸航機(jī)最終通過了相關(guān)電磁兼容性測試?？梢娨鉀Q設(shè)備的EMC問題，不能簡單依靠事后補(bǔ)救，而應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，從產(chǎn)品的電氣性能著手分析，綜合運(yùn)用EMC的設(shè)計(jì)理論并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)靈活處置，才能使產(chǎn)品的EMC性能得以改善。

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