機(jī)載光電成像系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計

李永剛，王 平，李志強(qiáng)

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測量重點實驗室，吉林長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

作為最直接的偵察手段之一，機(jī)載光電成像系統(tǒng)在戰(zhàn)場偵察、情報獲取及后勤保障等方面有著廣泛的應(yīng)用。它具有集成化程度高、結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜、高頻信號與低頻信號交錯、強(qiáng)信號與弱信號交叉等特點，在工作中極易作為敏感源而遭受其他設(shè)備的電磁干擾，造成系統(tǒng)性能下降甚至出現(xiàn)故障。同時也會作為干擾源產(chǎn)生電磁耦合和電磁輻射，從而對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。電磁兼容設(shè)計的目的是使所設(shè)計的設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中實現(xiàn)電磁兼容，從而使設(shè)備或系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作［1－2］。

文獻(xiàn)［3］對光電成像系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的屏蔽設(shè)計;文獻(xiàn)［4］對光學(xué)玻璃窗口進(jìn)行了電磁屏蔽設(shè)計;其他相關(guān)文獻(xiàn)［5－9］也報道了不同領(lǐng)域的電磁干擾或電磁兼容問題，對本文具有一定的參考價值。但由于機(jī)載光電成像系統(tǒng)自身的特殊性以及苛刻的電磁環(huán)境要求，所以必須有針對性的采取屏蔽、接地和濾波等技術(shù)措施對機(jī)載光電成像系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計，使機(jī)載光電成像系統(tǒng)能有效較少對外的電磁輻射，同時又能抵抗外部電磁干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2 機(jī)載光電成像系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計

2.1 屏蔽設(shè)計

2.1.1 線路板屏蔽

光電成像系統(tǒng)包含了中央控制模塊、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、圖像跟蹤模塊、伺服驅(qū)動模塊及測速、測角單元模塊等。在電磁兼容試驗中，各個模塊會同時對外界環(huán)境產(chǎn)生干擾，同時內(nèi)部之間也會相互產(chǎn)生干擾。所以就需要將各個模塊分別屏蔽，加以良好的接地、濾波，可大大減小光電成像系統(tǒng)干擾外界及相互干擾的幅度。各單元模塊均為鋁合金盒體加蓋板的形式，從屏蔽的角度來看，各功能模塊事實上也是一個屏蔽體，這樣做不僅利于裝配，便于維護(hù)，更重要的是具有雙重屏蔽的效果。圖1為圖像跟蹤模塊的屏蔽單元。

同時，對光電成像系統(tǒng)內(nèi)部空間及元器件進(jìn)行設(shè)計布局時，應(yīng)將對電磁敏感的模塊或元器件盡可能遠(yuǎn)離光學(xué)窗口等孔縫位置，同時避開電磁能量高的地方，這樣有助于提高光電成像系統(tǒng)對外界電磁輻射干擾的抵抗能力。

圖1 圖像跟蹤模塊的屏蔽單元Fig.1 Shielding of image tracking module

2.1.2 雙絞線

把兩根絕緣的金屬導(dǎo)線按一定規(guī)格互相絞織在一起，形成雙絞線對，即為雙絞線。采用這種方式能夠有效地降低信號噪聲干擾的程度，抑制電磁干擾，一方面是因為雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積;另一方面，雙絞線上相鄰兩回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向，雙絞線中的一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電磁波會被另一根線上發(fā)出的電磁波抵消。由于雙絞線傳輸質(zhì)量高，對視頻信號幅度的衰減較小，基本能保持原始圖像的亮度和色彩以及實時性，圖像信號基本無失真。雙絞線分為屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線，屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁鉑包裹，以減小輻射，屏蔽雙絞線又有兩種，一種是指每條線都有各自的屏蔽層，另一種是在整個電纜束上有屏蔽裝置，并且兩端都正確接地時才起作用。

2.1.3 其他屏蔽措施

針對機(jī)載光電成像系統(tǒng)的電磁屏蔽措施還有孔縫處屏蔽、玻璃窗口屏蔽、線纜屏蔽以及有利于屏蔽的機(jī)械結(jié)構(gòu)等，上述這些措施在文獻(xiàn)［3］中已有闡述，此處不再贅述。

2.2 濾波設(shè)計

2.2.1 電源濾波

對電源的濾波，最直接有效地方法就是在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝電源濾波器。電源濾波器是具有互易性的，所以在實際應(yīng)用中，電源濾波器既可以濾除電源端口來自于外界的干擾，也能濾除來自產(chǎn)品內(nèi)部的騷擾。為達(dá)到有效抑制干擾和騷擾信號的目的，必須根據(jù)電源濾波器兩端將要連接的干擾與騷擾信號源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇該電源濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

若要電源濾波器起到預(yù)期的作用，就一定要保證干擾信號或騷擾信號在電源濾波器電路中傳輸，若存在著高頻的干擾信號和騷擾信號越過電源濾波器的可能性，騷擾信號越過電源濾波器繼續(xù)傳播，如圖2(a)所示。如果要使電源濾波器在高頻獲得極佳的濾波性能，就必須解決高頻的輻射騷擾通過空間與電源輸入線的耦合問題。將電源濾波器安裝在屏蔽體的電源線入口處，如圖2(b)所示，可以避免騷擾通過空間與電源輸入線耦合;或者將電源濾波器前端電源線進(jìn)行屏蔽處理，如圖2(c)所示，以隔斷內(nèi)部騷擾信號與電源濾波器電源線之間的耦合。

圖2 電源濾波器安裝位置Fig.2 installation location of power filtering

2.2.2 線路板濾波

在實際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達(dá)數(shù)百MHz，甚至超過1 GHz，既有信號源，又有供電源，電路錯綜復(fù)雜，電磁干擾較大。對這樣干擾范圍很大的高頻電磁噪聲，可使用穿心電容進(jìn)行有效地濾除。穿心電容自電感比普通電容小得多，自諧振頻率很高，可達(dá)1GHz以上，并且可根據(jù)不同范圍的電磁噪聲進(jìn)行不同容值的選擇，因此可用于高頻濾波。穿心電容直接通過螺紋安裝在金屬面板上，這樣接地電感更小，基本能消除引線電感的影響;同時輸入端與輸出端被金屬面板隔離，有效地抑制了高頻信號耦合。所以穿心電容具有接近理想電容的濾波效果。

由于穿心電容是對單根導(dǎo)線進(jìn)行濾波，且輸入端和輸出端是不可逆的，所以針對復(fù)雜交錯的線路單元，可通過選用不同容值的穿心電容進(jìn)行有效濾波。比如一塊線路板，既有信號源，又有供電源，電路錯綜復(fù)雜，電磁干擾較大。一個有效地解決方法就是將線路板用金屬材料封裝起來，然后通過在面板上固定穿心電容來實現(xiàn)線路板與外界的導(dǎo)通。根據(jù)線路板上輸入或輸出信號的類型，選擇不同容值的穿心電容。比如信號類選擇1000 pF的穿心電容，而電源類要選擇4700 pF的穿心電容。

在用穿心電容對系統(tǒng)進(jìn)行濾波時，首先需要注意的問題是安裝與焊接問題。穿心電容的核心是陶瓷電容器，一般多呈多層盤狀或管狀。與其他陶瓷物品一樣，陶瓷電容器會在受到機(jī)械振動、集中應(yīng)力、溫度突變和過高電壓等情況下發(fā)生損壞。所以對穿心電容的安裝固定及焊接造成很大困難。

2.2.3 濾波電連接器

雖然各個電路單元都采用了良好的金屬腔體進(jìn)行電磁屏蔽，但是電連接器和線纜作為各電路單元信號傳輸?shù)慕涌诨蛲ǖ?，電磁干擾既能通過它們傳導(dǎo)或輻射到設(shè)備內(nèi)部，又可將電磁干擾傳導(dǎo)或輻射到設(shè)備外部。減小電連接器和線纜電磁干擾的一個有效方法，就是采用濾波電連接器。濾波電連接器主要解決電路單元與輸入、輸出信號的連接和濾波。濾波電連接器既能像普通電連接器一樣起到傳遞電子信號的作用，又因增加濾波功能而限制特定頻率段的信號通過。通過合理選擇濾波電連接器，使系統(tǒng)的工作信號以較小的衰減、甚至無衰減通過，同時將干擾信號得到有效抑制，從而減少外部環(huán)境與系統(tǒng)間的電磁干擾。

濾波電連接器的每個插孔中都安裝了插針濾波組件，如圖3所示，其濾波電路由電容、電感(電阻)等無源元件組合而成。由于濾波電連接器安裝在線纜進(jìn)出金屬腔體的端口處，因此濾波后的線纜不會再感應(yīng)上干擾信號。選用濾波電連接器時，除了在選用普通電連接器時要考慮的芯數(shù)、安裝、接地等因素外，濾波器的截止頻率也是一個重要的參數(shù)，并且要以各個芯線上傳輸頻率最高的信號為基準(zhǔn)來確定截止頻率。

圖3 矩形濾波插頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Rectangular filter plug structure diagram

2.3 接地設(shè)計

接地是抑制電路干擾的一種重要手段。系統(tǒng)中的接地通常分為安全接地和信號接地。安全接地就是采用低阻抗的導(dǎo)體將用電設(shè)備的外殼連接到大地上，使操作人員不致因為設(shè)備外殼漏電或故障放電而發(fā)生觸電危險，而信號接地的目的除了保證工作安全外，更為重要的是為設(shè)備內(nèi)部提供一個作為電位基準(zhǔn)的理想導(dǎo)體作為接地面，以保證設(shè)備的工作穩(wěn)定。信號接地可大致分為兩種:單點接地和多點接地。

2.3.1 單點接地

單點接地指的是子系統(tǒng)的地回路僅與該子系統(tǒng)內(nèi)的單點相連。一般僅適合低頻子系統(tǒng)。工作頻率小于1 MHz的低頻電路受電感影響小，受地環(huán)路電流影響大，應(yīng)采用單點接地;多個電路的單點接地方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，如圖4所示。串聯(lián)單點接地優(yōu)點是接地導(dǎo)線少，接地結(jié)構(gòu)簡單，缺點是會產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以適用于相互干擾較少的電路。因此多個單元電路組成的多級電路采用串聯(lián)單點接地的方式，接地點應(yīng)選在低電平電路的輸入端，使其最接近參考地。并聯(lián)單點接地結(jié)構(gòu)能夠徹底消除電路之間的影響，適用于相互干擾較多的低頻電路，缺點是接地導(dǎo)線過多，十分繁雜。在實際應(yīng)用中，按照工作特性將電路進(jìn)行分類，如將光電成像系統(tǒng)中的電路分為模擬信號、數(shù)字信號、弱信號、強(qiáng)信號等，它們之間不易發(fā)生或引起電磁干擾的電路放在同一類，容易發(fā)生或引起電磁干擾的電路放在不同類。根據(jù)串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地的特點，在相同類型電路內(nèi)部采用串聯(lián)單點接地，在不同類型的電路間采用并聯(lián)單點接地，避免相互之間干擾。

圖4 單點接地Fig.4 single point grounding

2.3.2 多點接地

由于高頻信號電路在接地阻抗上起主導(dǎo)作用的是電感，為了降低地線阻抗，就需在高頻端使用多點接地方式，如圖5所示。由于接地引線的感抗與頻率和長度成正比，所以工作頻率增高就意味著增加共地阻抗，而增大共地阻抗就會產(chǎn)生電磁干擾，所以地線的長度應(yīng)該盡可能短而粗，以達(dá)到降低地線阻抗的效果。接地電阻值盡可能低且一致。由于趨膚效應(yīng)，高頻電流只流經(jīng)導(dǎo)體表面，此時若要降低地線阻抗，一般會采取地線排鍍銀的方式。

圖5 多點接地Fig.5 Multi point grounding

然而多點接地會造成系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)多個地線回路，電流通過地線回路將可能會對低電平電路產(chǎn)生干擾，帶來不良影響，從而造成地環(huán)路干擾。多點接地優(yōu)于單點接地的原因是連接導(dǎo)線的長度可能較短，這樣就能有一個較近的接地點。數(shù)字電路本質(zhì)上具有抗外部噪聲的性能，但是它們對內(nèi)部噪聲相當(dāng)敏感。為了使這種共阻抗耦合最小，數(shù)字系統(tǒng)中的接地系統(tǒng)趨向于多點接地，采用大的接地平面，如在PCB內(nèi)層設(shè)置接地面或者諸如接地網(wǎng)等大量交替的接地路徑并聯(lián)放置，從而降低回路的阻抗。

3 電磁兼容實驗

3.1 電源線傳導(dǎo)發(fā)射(CE102)實驗

在標(biāo)準(zhǔn)EMC試驗室里，對沒有采取電磁兼容措施的機(jī)載光電成像系統(tǒng)進(jìn)行了10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射測試。發(fā)現(xiàn)在0.5～4 MHz區(qū)段傳導(dǎo)發(fā)射值超標(biāo)較嚴(yán)重。

當(dāng)不采用任何措施時，機(jī)載光電成像系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射值最高約為85 dBμV，如圖6(a)所示;對電源板采用金屬屏蔽體設(shè)計，電源端口用電源濾波器做了濾波處理，并且將電源濾波器移至電源線入口處，再進(jìn)行測試，機(jī)載光電成像系統(tǒng)的輻射值最高為50 dBμV，如圖6(b)所示。傳導(dǎo)發(fā)射值降低了35dBμV以上。

圖6 10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射掃描結(jié)果Fig.6 scanning result of conducted emission in 10 kHz～10 MHz

3.2 電場輻射發(fā)射(RE102)實驗

在標(biāo)準(zhǔn)EMC試驗室里，對沒有采取電磁兼容措施的機(jī)載光電成像系統(tǒng)進(jìn)行了10 kHz～18 GHz電場輻射發(fā)射測試。發(fā)現(xiàn)在80～200 MHz區(qū)段超標(biāo)比較嚴(yán)重，并且垂直極化超標(biāo)量值遠(yuǎn)大于水平極化超標(biāo)量值。其垂直極化測試試驗結(jié)果如圖7所示。當(dāng)不采用任何措施時，機(jī)載光電成像系統(tǒng)的輻射值最高約為50 dBμV/m，如圖7(a)所示;采取屏蔽、接地、濾波等措施后，機(jī)載光電成像系統(tǒng)的輻射值最高為23 dBμV/m，如圖7(b)所示。電場輻射發(fā)射的輻射值降低約27 dBμV/m。

圖7 30 MHz～200 MHz垂直極化掃描結(jié)果Fig.7 scanning result of vertical polarization test in 30 MHz～200 MHz

另外，在進(jìn)行 CS101、CS114、CS115、CS116、RS103等項目的測試中，經(jīng)過電磁兼容設(shè)計的系統(tǒng)的測試結(jié)果均取得了較好的效果。

4 結(jié)論

機(jī)載光電成像系統(tǒng)是一個復(fù)雜的光－機(jī)－電一體化集成系統(tǒng)，采取屏蔽、濾波、接地等多種技術(shù)措施，對敏感單元部件進(jìn)行電磁兼容設(shè)計，并對電源線傳導(dǎo)發(fā)射和電場輻射發(fā)射進(jìn)行了測試實驗。其電源線傳導(dǎo)發(fā)射值降低了35 dBμV以上，電場輻射發(fā)射的輻射值降低了約27 dBμV/m。當(dāng)然，解決好各個子系統(tǒng)的電磁兼容性并不能完全解決機(jī)載光電成像系統(tǒng)的電磁兼容性。因為各個子系統(tǒng)在相互交聯(lián)的過程中也難免會出現(xiàn)電磁干擾。但采取先分割后整合的解決思路，可有效地將電磁干擾控制到系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容性。

［1］ Clayton R Paul.Introduction to electromagnetic compatibility［M］.WEN Yinghong，translate.Beijing:China Machine Press，2005:471－476.(in Chinese)Clayton R Paul.電磁兼容導(dǎo)論［M］.聞映紅，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:471－476.

［2］ TIAN Jianxue，WEI Jungan，ZHAO Bo.Introduction to electromagnetic compatibility［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2010:26－46.(in Chinese)田建學(xué)，魏俊淦，趙波.機(jī)載設(shè)備電磁兼容設(shè)計與實施［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010:26－46.

［3］ LI Yonggang，SUN Lina，ZHANG Bo，et al.Design of electromagnetic shielding for electro－optic reconnaissance platform［J］.Infrared and Laser Engineering，2013，42(8):2045－2049.(in Chinese)李永剛，孫麗娜，張葆，等.光電成像系統(tǒng)電磁屏蔽設(shè)計［J］.紅外與激光工程，2013，42(8):2045 ～2049.

［4］ LIU Xiaohan，ZHAO Jingli，F(xiàn)ENG Xiaoguo，et al.Electromagnetic shielding of highly transparent inductive mesh［J］.Optics and Precision Engneering，2012，20(1):80－87.(in Chinese)劉小涵，趙晶麗，馮曉國，等.高透光率感性網(wǎng)柵膜的電磁屏蔽［J］.光學(xué) 精密工程，2012，20(1):80－87.

［5］ ZHANG Lanyong，LIU Fanming，LI Bing.Equivalent dipole modeling and predicting of electromagnetic emissions of printed circuit boards［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2013，34(4):943－947.(in Chinese)張?zhí)m勇，劉繁明，李冰.印制電路板電磁輻射等效偶極子建模與預(yù)測［J］.儀器儀表學(xué)報，2013，34(4):943－947.

［6］ MA Yunshuang，WEN Yinghong，ZHANG Dan，et al.Research and experiment verification on rhe crosstalk characteristics of shielded cables in EMU［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2013，34(5):1188－1193.(in Chinese)馬云雙，聞映紅，張丹，等.動車組屏蔽線纜間串?dāng)_特性及其試驗驗證研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2013，34(5):1188－1193.

［7］ YANG Yang，JING Lei.Impact of the metal permittivity on radar target scattering cross section［J］.Laser ＆ Infrared，2013，43(2):155－158.(in Chinese)楊洋，景磊.金屬介電常數(shù)對雷達(dá)目標(biāo)散射截面的影響［J］.激光與紅外，2013，43(2):155－158.

［8］ GE Xinhong，GUO Lihong，MENG Fanjiang，et al.Electromagnetic radiation test of high power TEA CO2laser and shielding cabin design［J］.Optics and Precision Engineering，2011，19(5):983－991.(in Chinese)葛欣宏，郭立紅，孟范江，等.大功率TEA CO2激光器的電磁輻射測試及屏蔽方艙設(shè)計［J］.光學(xué)精密工程，2011，19(5):983－991.

［9］ Armenta R B，Sarris C D.Modeling the terminal response of a bundle of twisted－wire pairs excited by a plane wave［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2007，49(4):901－913.