北斗船用接收機(jī)電磁兼容電路設(shè)計(jì)與研究

莊新慶，鄒緒平，應(yīng)士君

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院 上海 201306）

航運(yùn)事業(yè)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)得到了迅猛發(fā)展，不僅成為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，也成為了帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，船舶也正在朝著大型化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，隨之而產(chǎn)生的問(wèn)題是船舶運(yùn)輸?shù)陌踩c高效。水上交通安全保障是關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的國(guó)家公益性領(lǐng)域，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)是重要的支撐技術(shù)。隨著我國(guó)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式運(yùn)行，北斗船用接收機(jī)的研究也正在如火如荼的進(jìn)行。而在進(jìn)行船舶電子設(shè)備研究和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一個(gè)不可忽略的問(wèn)題是電子設(shè)備的電磁兼容性(EMC)問(wèn)題[1]。近年來(lái)，隨著造船工業(yè)和電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代船舶上裝備的各種電氣、電子設(shè)備也越來(lái)越多，并且越來(lái)越向著智能化復(fù)雜化的方向發(fā)展。印制電路板(Pr1ntedCireuitBoard,PCB)所處的空間相對(duì)狹小使得這些設(shè)備相互之間引起電磁干擾[2]，而這種干擾不但會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行的性能，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起故障，造成事故。所以，使安裝在船舶上的電子通信導(dǎo)航設(shè)備具有優(yōu)良的電磁兼容性能和抗干擾性能的研究在設(shè)備的整個(gè)研制過(guò)程中就顯得尤為重要。

1 接收機(jī)抗電磁干擾電路原理設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航接收機(jī)主要由射頻前端、A/D 轉(zhuǎn)換器、基帶信號(hào)處理和導(dǎo)航解算部分組成。本文主要采用外部屏蔽和內(nèi)部屏蔽措施來(lái)提高接收機(jī)的抗電磁干擾能力。射頻前端接收衛(wèi)星的射頻信號(hào)，在整個(gè)系統(tǒng)中受電磁干擾影響最突出的部位，在設(shè)計(jì)中采取外部屏蔽的措施；電路采用模塊化的設(shè)計(jì)[3-4]，有利與減少印制電路板中導(dǎo)線(xiàn)直接形成的耦合干擾，系統(tǒng)電路原理設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

2 接收機(jī)電磁兼容性研究

圖1 系統(tǒng)電路原理框圖Fig. 1 System diagram of hardware circuit

電磁兼容(EMC)一般是指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的各個(gè)設(shè)備都能正常工作而又不互相干擾，達(dá)到“兼容”的狀態(tài)。也就是說(shuō)EMC包括兩方面的含義：第一，電子設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)元件、部件和子系統(tǒng)，在它們所處的內(nèi)部和外部電磁環(huán)境中，能按原設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行。第二，該設(shè)備或系統(tǒng)自己產(chǎn)生的電磁噪聲必須限制在一定的水平內(nèi)，不造成嚴(yán)重電磁污染而影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

電磁兼容所包含的上面兩個(gè)方面都涉及電磁環(huán)境這一概念，實(shí)際上電磁環(huán)境是由空間、時(shí)間和頻譜3個(gè)要素組成，所有需要解決的電磁兼容問(wèn)題都脫離不開(kāi)這3個(gè)要素。因此，控制電磁干擾源的輻射能量、切斷電磁干擾的耦合通道、提高被干擾設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力是電磁兼容性研究的主要內(nèi)容[5]。

可見(jiàn),為了使設(shè)計(jì)的北斗船載接收機(jī)終端系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的工作，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)時(shí)全面考慮EMC設(shè)計(jì)是十分必要的。否則設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品EMC試驗(yàn)通不過(guò)，不但影響產(chǎn)品的安全性和可靠性，而且重新設(shè)計(jì)也要增加系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和成本，從而帶來(lái)諸多不利的問(wèn)題。EMC設(shè)計(jì)所采用的抑制元器件和重新設(shè)計(jì)所帶來(lái)的附加成本最??；確保產(chǎn)品在其使用環(huán)境中存在不可避免的外部噪聲時(shí)能夠正常工作。可以說(shuō)，EMC設(shè)計(jì)與整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)或者功能性設(shè)計(jì)一樣重要。

2.1 船載終端電磁干擾的產(chǎn)生

電磁干擾是由電磁干擾源發(fā)射電磁能量,經(jīng)過(guò)耦合途徑傳輸?shù)奖桓蓴_設(shè)備。在船上系統(tǒng)的干擾源主要有：

1)各種電源電路的斷開(kāi)和接通，使電壓或者電流驟變而成為干擾源；

2)遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)電干擾源，通過(guò)電磁輻射干擾北斗接收機(jī)模塊，將干擾直接耦合到終端系統(tǒng)；

3)雷達(dá)天線(xiàn)發(fā)射的電磁波對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾；

4)GPRS通信模塊在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的瞬間電流；5)操作人員自身的靜電荷，直接接觸系統(tǒng)時(shí)也會(huì)有放電現(xiàn)象，直接干擾系統(tǒng)。

以上電磁干擾源主要通過(guò)電源線(xiàn)、地線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)將干擾以傳導(dǎo)耦合的方式引入敏感單元；以公共阻抗耦合的方式傳播，這主要是不良的接地方式引起的；以輻射耦合的方式，載荷導(dǎo)線(xiàn)或元器件會(huì)輻射電磁場(chǎng)，因而元器件之間、導(dǎo)線(xiàn)之間、導(dǎo)線(xiàn)與元器件之間會(huì)通過(guò)分布電容或互感產(chǎn)生感應(yīng)電壓；以導(dǎo)線(xiàn)間感應(yīng)耦合方式，若線(xiàn)間距離較小、信號(hào)強(qiáng)、頻率高時(shí)會(huì)產(chǎn)生線(xiàn)間耦合[5]。電磁干擾對(duì)北斗接收機(jī)的影響及傳播示意圖如圖2所示。

圖2 電磁干擾傳播示意圖Fig. 2 diagram of EMI

2.2 電磁干擾抑制措施

船用電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)必須達(dá)到兩個(gè)目的，一是通過(guò)優(yōu)化電路和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，將干擾源本身產(chǎn)生的電磁噪聲強(qiáng)度降低到能接受的水平；二是通過(guò)各種干擾抑制技術(shù)將干擾源與被干擾電路之間的耦合減弱到能接受的程度[6]。控制系統(tǒng)及設(shè)備通常采用屏蔽技術(shù)切斷干擾的傳輸途徑，采用接地技術(shù)來(lái)抑制強(qiáng)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)干擾源的發(fā)射，采用濾波技術(shù)和合理布線(xiàn)等提高敏感設(shè)備的抗干擾能力，在硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等方面采取抗干擾措施[7]，并且有良好的PCB布局。本文主要從硬件電路設(shè)計(jì)（這部分將在3.3節(jié)做詳細(xì)的講解）來(lái)探討北斗船用接收機(jī)的抗電磁干擾和兼容性能。

2.2.1 屏蔽設(shè)計(jì)原理

屏蔽技術(shù)用來(lái)抑制電磁干擾沿著空間傳播，即切斷電磁干擾的傳輸途徑。通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區(qū)域包圍起來(lái)，將電磁輻射屏蔽在系統(tǒng)外面，同時(shí)將系統(tǒng)的電磁輻射封閉在系統(tǒng)內(nèi)部。由于交變電磁場(chǎng)通過(guò)金屬材料表面或由金屬材料表面包圍的孔眼時(shí)，金屬材料因感應(yīng)電勢(shì)形成渦流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好與原來(lái)的磁場(chǎng)方向相反，可以抵消部分原磁場(chǎng)從而起到屏蔽作用。因此船舶電氣設(shè)備機(jī)柜盡量為鋼結(jié)構(gòu)金屬屏蔽外殼，船用接收機(jī)的關(guān)鍵部位（接收機(jī)的設(shè)備射頻前端部分）應(yīng)該采用金屬屏蔽殼?？梢杂行У胤乐蛊帘误w外面電磁場(chǎng)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，也防止或削弱設(shè)備向外發(fā)射電磁干擾[7]。

2.2.2 接地和濾波技術(shù)

船用電子設(shè)備選擇合理接地方式，信號(hào)采用隔離傳輸方式，與其他系統(tǒng)設(shè)備不共地。地線(xiàn)是信號(hào)流回源的低阻抗路徑，地線(xiàn)的阻抗不為零，當(dāng)電流流過(guò)阻抗不為零的地線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生壓降，形成干擾?？朔鼐€(xiàn)干擾的關(guān)鍵是處理好各回路的接地設(shè)計(jì)。例如接收機(jī)或者其他設(shè)備電源板上DC-DC 變換源的開(kāi)關(guān)線(xiàn)圈與射頻前端混頻地回路空間距離太近，前者漏磁場(chǎng)通過(guò)地回路在混頻輸入端產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)調(diào)制信號(hào)，致使接收機(jī)機(jī)信噪比下降。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)調(diào)整布局、系統(tǒng)設(shè)備接地、減小地回路面積、阻隔地環(huán)流。

濾波主要用于電源干擾和信號(hào)線(xiàn)干擾。常用的濾波裝置是濾波器。濾波器是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構(gòu)成的頻率選擇性網(wǎng)絡(luò)，可以串聯(lián)到傳輸線(xiàn)中，對(duì)不需要的頻率進(jìn)行抑制。濾波器設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是盡可能減小電源頻率的損耗，在其他頻率上則要盡可能地失配，利用濾波器的反射和吸收損耗性能達(dá)到抑制干擾傳播的目的。電源干擾濾波器通常采用低通形式，有時(shí)也采用有源選通形式。本文在電源輸入端均應(yīng)加裝抗電磁干擾的電源濾波器并可用串聯(lián)和并聯(lián)RLC組合的形式。濾波器安裝時(shí)接地電阻的大小將直接影響到干擾抑制性能，只有正確安裝濾波器，才能達(dá)到預(yù)期效果[7]。

2.3 電磁兼容電路設(shè)計(jì)

2.3.1 射頻前端電路設(shè)計(jì)

接收機(jī)依賴(lài)于外部的RF信號(hào)，因而很容易受到RF干擾影響。由于天線(xiàn)視野范圍內(nèi)所有衛(wèi)星的GNSS信號(hào)都低于熱噪聲電平，若在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮RF干擾對(duì)接收機(jī)硬件的影響，則接收機(jī)前端（模擬的）硬件需要相當(dāng)大的增益和很小的動(dòng)態(tài)范圍。接收機(jī)前端硬件有一定的動(dòng)態(tài)范圍是很重要的，這將容許由元器件容差、老化以及溫度變化而引起的前端增益變化[8]。

射頻前端是北斗船用接收機(jī)最易受電磁脈沖影響的部位，為了降低或限制耦合到接收機(jī)系統(tǒng)的電磁脈沖能量，在射頻前端可采取限制天線(xiàn)的耦合、限制耦合能量傳播的系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)量等方法。這個(gè)方法可采取各種形式的濾波器和限幅器來(lái)實(shí)現(xiàn),本文采取模塊化設(shè)計(jì)，將濾波器及限幅器封裝在金屬殼內(nèi)。從而有效地降低了射頻前端給接收機(jī)帶來(lái)的干擾，射頻前端電路如圖3所示。

圖3 射頻前端電路Fig. 3 RF front-end circuit

2.3.2 接口電路設(shè)計(jì)

目前船舶駕駛臺(tái)導(dǎo)航設(shè)備均采用RS-422接口進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比RS-232更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，允許在相同傳輸線(xiàn)上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，所以RS-422支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信，采用全雙工通信模式，抗干擾能力強(qiáng)，能給ECDIS和雷達(dá)等導(dǎo)航設(shè)備提供實(shí)時(shí)北斗導(dǎo)航定位信息[9]。電路如圖4所示。

2.3.3 電源端口電路設(shè)計(jì)

船上電壓的變化（如過(guò)壓、欠壓、浪涌和瞬變電壓等）、持續(xù)噪聲或雜波以及瞬變所形成的電源干擾，主要是通過(guò)電源端口線(xiàn)傳入接收機(jī)終端的，干擾其正常工作。因此，電源端口的干擾抑制成為電磁兼容設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航船用接收機(jī)終端的電源采用+5V供電，在電源端口處串接如圖5所示的前級(jí)抑制干擾濾波器。

通過(guò)以上的抗干擾措施，輸出的DC 3.3 V就比較干凈了，后接穩(wěn)壓塊等向電子電路供電。該電路滿(mǎn)足IEC 61000-4-2，IEC 61000-4-3，IEC 61000-4-4，IEC61000-4-5等標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過(guò)抗擾度試驗(yàn)。

2.3.4 PCB電磁兼容設(shè)計(jì)

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，PCB 設(shè)計(jì)作為電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性基礎(chǔ)設(shè)計(jì)步驟，尤其在高速電子電路設(shè)備的設(shè)計(jì)中，PCB 的電磁兼容性設(shè)計(jì)可謂是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，它的電磁兼容性的優(yōu)劣直接影響著電子設(shè)備的性能。在PCB上有許多情況可以引起電磁干擾，在PCB設(shè)計(jì)階段采取措施解決此類(lèi)電磁兼容問(wèn)題非常重要[10]。

1)PCB 分層

圖4 RS-422接口電路Fig. 4 RS-422 interface circuit

圖5 端口電源電路Fig. 5 Port power supply circuit

圖6 PCB設(shè)計(jì)圖Fig. 6 PCB Design

從抑制電磁干擾的角度分析，多層板可以減小線(xiàn)路板的電磁輻射并提高線(xiàn)路板的抗干擾能力。因?yàn)榫哂幸欢妷汉洼^高頻率的印制板邊緣場(chǎng)會(huì)向空間輻射電磁能量。印制線(xiàn)間距比較小時(shí)，兩線(xiàn)之間會(huì)發(fā)生電磁串?dāng)_，串?dāng)_會(huì)使有關(guān)電路功能失常。

2)PCB 的布局

①以每個(gè)功能單元的核心器件為中心，其它元件圍繞它進(jìn)行布局；

②盡量縮小高頻器件的連線(xiàn)；

③對(duì)于電源線(xiàn)、高頻信號(hào)線(xiàn)和一般走線(xiàn)之間要防止相互耦合；

④敏感器件布局時(shí)不能靠的太近，輸入輸出元件要遠(yuǎn)離。

3)布 線(xiàn)

電源線(xiàn)布置應(yīng)與地線(xiàn)布置結(jié)合起來(lái)考慮，以便構(gòu)成特性阻抗盡可能小的供電電路。為減小供電電路的特性阻抗，電源線(xiàn)和地線(xiàn)應(yīng)該盡可能粗，并且相互靠近，供電環(huán)路面積應(yīng)該減小到最低程度，不同電源的供電環(huán)路不要互相重疊。根據(jù)PCB 電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻，合理的地線(xiàn)設(shè)計(jì)和過(guò)孔設(shè)計(jì)也能有效的提高系統(tǒng)的抗干擾能力，PCB設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

船用電子設(shè)備電磁兼容性能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的一個(gè)很重要的指標(biāo)，文中首先從抗電磁干擾的接收機(jī)總體設(shè)計(jì)原理、船上電磁干擾源以及干擾源如何對(duì)北斗接收機(jī)造成干擾等方面進(jìn)行研究和分析。提出了船載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的抗電磁干擾相應(yīng)的優(yōu)化措施。從系統(tǒng)關(guān)鍵電路原理設(shè)計(jì)（包括射頻前端抗電磁干擾電路、信號(hào)傳輸?shù)慕涌陔娐?、電源電路等）、PCB設(shè)計(jì)（包括板層設(shè)計(jì)、元件布局、布線(xiàn)、PCB底線(xiàn)、過(guò)孔等方面設(shè)計(jì)），都采用電磁兼容理論降低各種干擾。以上的設(shè)計(jì)在理論上滿(mǎn)足了船用電子設(shè)備電磁兼容性能要求，產(chǎn)品是否能滿(mǎn)足船用標(biāo)準(zhǔn)，還需要進(jìn)行實(shí)船測(cè)試。文中主要是通過(guò)硬件以及外部條件來(lái)提高接收機(jī)的抗電磁干擾能力，也可以從軟件入手，在接收機(jī)系統(tǒng)軟件內(nèi)部設(shè)計(jì)好防電磁干擾的程序，從而提高接收機(jī)的電磁兼容性能。

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