機動大功率甚低頻發(fā)射機的電磁兼容設計與工程實現

陸 晨 陸艷艷

（北京圣非凡電子系統技術開發(fā)有限公司，北京 100141）

1 引言

機動大功率甚低頻發(fā)射機與機動天饋系統及配屬輔助設備一起，構成甚低頻機動通信系統，可在固定臺站出現問題時接替其工作，快速、機動地完成發(fā)信任務。 為了實現機動的目的，發(fā)射機集成在便于公路機動的方艙內，空間狹小，設備集成密度很高。 同時，由于發(fā)射機輸出功率達到幾百千瓦 （天線調諧電路末端輸出電壓在100kV以上，輸出電流在200A 以上），其自身會產生很大的電磁能量，而且發(fā)射機在工作時與天線距離很近，發(fā)射機周邊的電磁場場強很大。 如果發(fā)射機沒有良好的電磁兼容性，會造成采集、 傳輸數據錯誤， 從而引起對設備的控制失誤，嚴重時甚至會造成設備損壞和人員傷亡。 因此，控制電磁干擾影響， 實現機動大功率甚低頻發(fā)射機整體電磁兼容性，成為發(fā)射機穩(wěn)定可靠工作的決定因素之一。

2 機動大功率甚低頻發(fā)射機組成介紹

機動大功率甚低頻發(fā)射機由功放方艙和調諧方艙構成。 功放方艙內包括綜合顯示控制子系統、功放子系統、電控子系統、現場總線子系統、電源分配子系統、隨車假負載和發(fā)信控制終端等。 調諧方艙內包括調諧電路子系統、調諧控制子系統及視頻監(jiān)控裝置等。 兩個方艙通過現場總線子系統進行數據交換。

3 機動大功率甚低頻發(fā)射機電磁干擾特點

電磁干擾（EMI）實際上就是電子設備產生的連續(xù)、隨機和周期性的電噪聲。 為了進行電磁兼容設計，必須對機動大功率甚低頻發(fā)射機電磁干擾產生的機理和干擾路徑進行科學的分析，找出特點和重點，以確定合理的方法和手段并設計出電磁兼容的系統[1]。

3.1 電磁干擾路徑

典型的電磁干擾路徑必須具備三個要素：噪聲源、對噪聲敏感的接收器和將噪聲從源頭傳送到接收器的耦合路徑。 只有這三個要素全部具備， 才會產生電磁干擾問題。 若能夠實現以下三項中的任何一項或多項，就可以有效切斷電磁干擾路徑，包括：①在噪聲源頭對噪聲進行抑制；②降低敏感電路對噪聲的敏感程度；③減少通過耦合路徑傳輸的噪聲大小。

3.2 機動大功率甚低頻發(fā)射機電磁干擾產生的機理

機動大功率甚低頻發(fā)射機主要功能是將外部電網提供的電能轉化為射頻電磁能量，與輻射體（天線）阻抗匹配后，將射頻電磁能量以電磁波形式傳輸到自由空間中。主要的噪聲源包括： ①發(fā)射機本身產生的大功率射頻電磁能量；②大功率整流設備在電網中產生的諧波；③天線輻射出的近場電磁波能量。

發(fā)射機中有大量低電壓模擬、 數字信號電路和小信號數據傳輸線路，這些電路和線路對電磁干擾都很敏感。發(fā)射機中的敏感電路主要是各種小功率電子設備、 數據采樣裝置、模擬弱信號取樣裝置、高速小信號數據傳輸線路等。

通過電場（容性）或磁場（感性），發(fā)射機中的干擾源將能量傳送到其它電路中。 發(fā)射機中從源頭傳送到接收器的耦合路徑主要有磁場耦合路徑、 電場耦合路徑和共阻抗耦合路徑。 其中，由于發(fā)射機工作頻率較低、電流較大，特別需要注意磁場耦合。

3.3 機動大功率甚低頻發(fā)射機電磁干擾特點

綜合來看，與一般電子系統在電磁干擾方面相比，機動大功率甚低頻發(fā)射機有以下一些特點： ①在工作時必然產生較大的射頻電磁能量， 造成對自身設備的電磁干擾；②工作頻率較低、電流較大，需要特別注意低頻磁場耦合造成的影響；③由于只有唯一的供電輸入，大功率設備工作時產生的電網波動和諧波對發(fā)射機中所有用電設備均會產生影響；④設備集成密度高，大功率設備與小功率設備、強信號傳輸線纜與弱信號傳輸線纜混雜在一起，信號串擾嚴重； ⑤發(fā)射機控制及操作地點位于大功率設備方艙中，要注意對人員的電磁安全防護；⑥由于配接的天線高度較高、體積較大，從天線引入雷電放電電流可能性較一般系統高， 且引入的電流強度較大； ⑦為便于機動，無法配備良好的接地設施。

4 機動大功率甚低頻發(fā)射機電磁兼容設計

為了抑制各種電磁干擾對發(fā)射機中設備的影響，電磁兼容設計工作主要在方艙、供電、信號連接線纜、防浪涌、濾波、接地等設計方面開展。 設計的原則是：①盡可能抑制干擾源產生的能量；②盡量降低敏感電路的敏感度；③隔離切斷耦合傳輸路徑。

4.1 機動方艙電磁兼容設計

發(fā)射機工作時自身產生的大功率射頻電磁能量和天線輻射出的電磁波都會對周邊電子設備造成干擾。 為了降低這兩方面的干擾影響， 最有效的方法是對發(fā)射機進行屏蔽， 這既可抑制發(fā)射機自身產生的干擾又可抑制天線輻射對發(fā)射機內設備的干擾。

由于本發(fā)射機工作頻率較低， 發(fā)射機內部和天線附件的電、磁場均為近場，在考慮屏蔽措施時需將電場和磁場分開考慮。 而且發(fā)射機工作時電流較大，近場的波阻抗較小，所以對低頻磁場的屏蔽成為設計重點。 對于低頻磁場，一般使用鐵磁材料（如鐵或導磁率高的合金），但由于發(fā)射機工作頻率比較特殊， 在此處使用鐵作為屏蔽材料會因為渦流效應使鐵加熱，引入很大損耗。 若只使用鋁作為屏蔽材料，則需要屏蔽層厚度較厚，這樣會明顯增加發(fā)射機的重量。 因此在本發(fā)射機的屏蔽方式上不能采用傳統高頻系統的屏蔽方式， 而是需要采用較為特殊方式才能達到較好的屏蔽效果。 在此，我們設計了1mm 厚的銅板為內屏蔽體，2.5mm 厚的鋁材為外屏蔽體的雙層屏蔽結構。

屏蔽體對磁場或電場的總屏蔽效能約為：

其中A 為吸收損耗，R 為反射損耗，B 為薄屏蔽體中多次反射的校正因數。 1mm 厚的銅板，相對磁導率為1，相對電導率為0.35，在15kHz 時吸收損耗為：

假設發(fā)射機內部的干擾源與屏蔽體相距30cm 以上，則磁場反射損耗為：

因為吸收損耗大于9dB， 多次反射的校正因數可以忽略不計， 所以銅屏蔽體對發(fā)射機內部磁場總屏蔽效果為：

外層2.5mm 厚的鋁屏蔽體對磁場的總屏蔽效能按計算約為75dB。在具體設計時由于孔洞的存在，屏蔽效能將有一定程度的下降。 但即使如此，雙層屏蔽方艙對磁場的總屏蔽效能也可以達到60dB 以上，這樣可以有效抑制發(fā)射機內部磁場對外部設備的干擾， 同時抑制天線輻射磁場（近場）對方艙內部設備的電磁干擾。

由于使用了銅、鋁這樣的良好導體材料作屏蔽體，所以對電場干擾的反射損耗很大。 以銅導體為例，相對磁導率為1， 相對電導率為0.35， 與屏蔽體相距30cm，在15kHz 時反射損耗為：

因此方艙對電場屏蔽效能很好， 可以有效抑制發(fā)射機內部電場對外部設備的干擾， 同時抑制天線輻射電場（近場）對方艙內部設備的電場干擾。

4.2 設備供電電磁兼容設計

機動大功率甚低頻發(fā)射機的供電為外部輸入的交流380V/50Hz（三相四線制），發(fā)射機中的大功率設備、控制設備、照明、排風扇、空調及采集檢測裝置都使用此交流電源[2]。 大功率整流裝置工作時，會造成交流供電線路上有很大的高次諧波電流， 會對其它小功率用電器和裝置造成很大的影響。 發(fā)射機供電電磁兼容設計時，我們將大功率設備與其它用電器的走線分隔開來，并在控制設備、采集檢測裝置等的電源輸入端安裝隔離變壓器， 使這些設備與供電輸入實現電氣隔離， 有效抑制了高次諧波電流干擾和低頻段共模干擾。

圖1 隔離變壓器示意圖

4.3 濾波設計

在設備供電隔離變壓器的輸出端， 安裝了電源濾波器，用于濾除電源中感應到的射頻干擾等。 在照明設備、排風設備上加裝高頻濾波器，濾除射頻干擾。 進出方艙的信號電纜全部在信號穿艙轉接板處進行濾波處理， 防止將干擾通過信號線帶入/帶出方艙。 所有機柜、控制臺、設備均安裝必要的電源濾波器， 并對機殼的接地統一進行規(guī)劃和要求。 這些設計措施可有效抑制通過電源、電纜傳導的電磁干擾。

4.4 信號連接線纜電磁兼容設計

由于光纖具有抗電磁干擾的先天優(yōu)勢， 所以非常適合在大功率發(fā)射機中應用。 本發(fā)射機中對功放控制、現場總線網絡的主干線路、 功放方艙與調諧方艙之間的數據鏈路都是通過光纖實現的。 對于近距離數據傳輸，使用屏蔽雙絞線，但為了避免構成地環(huán)路，一般使用單端接地方式。 在布置線纜時，全盤考慮所有供電、信號傳輸、機構控制等電纜，將其按信號電壓高低、傳輸電流大小、信號速率快慢等分為多類，各類線纜在布線時避免混在一起。

4.5 模擬采樣信號電磁兼容設計

在發(fā)射機中有許多信號采集裝置對發(fā)射機工作參數（如電流、電壓等）進行采集，這些裝置獲得的信號有很大部分是較弱的模擬信號[3]。 如果在強電磁環(huán)境下（如調諧主電路附近）傳輸這些信號，會對信號產生嚴重干擾從而造成信號嚴重失真。 因此在設計發(fā)射機模擬弱信號采集裝置電磁兼容時， 我們對需要長距離傳輸的模擬弱信號進行了V/F-F/V 轉換，并使用光纖作為傳輸線路。

4.6 執(zhí)行機構和開關量檢測裝置電磁兼容設計

發(fā)射機中有大量的電控開關等執(zhí)行機構， 這些機構若受到干擾將會引起發(fā)射機誤動作。 在進行執(zhí)行機構電磁兼容設計時，綜合考慮價格、實現難度等因素后，確定使用高控制電壓的方法。 高的控制電壓可以有效降低器件對電磁干擾的敏感度。

發(fā)射機中還有大量的狀態(tài)開關量信號， 在進行電磁兼容設計時，將開關量的檢測電路設計成電流環(huán)方式，這樣可有效降低電路對電磁干擾的敏感度。

4.7 防浪涌設計

由于發(fā)射機中的設備都裝在屏蔽方艙中， 所以浪涌主要集中在電源輸入端、 調諧輸出端及信號電纜輸入/輸出端。 在設計電源分配子系統時， 安裝了電源防雷保護器，避免電源線遭雷擊時造成設備損壞。 在調諧方艙輸出端，為防止天線引入的雷擊電流導致發(fā)射機設備損壞，安裝了放電球并且在調諧主電路中設計了雷電泄放線圈，用于對雷電電流進行泄放。 為了防止殘余的雷電電流和電壓損壞功放，在功放的輸出端安裝了氧化鋅避雷器，這樣的逐級防雷電措施可以保護發(fā)射機中設備不被雷電損壞。 信號電纜引入的浪涌主要是雷電電磁脈沖在電纜上感應產生的高壓污染， 防浪涌設計時在信號電纜輸入/輸出的穿艙轉接板處設計了瞬態(tài)抑制電路， 防止雷電感應引起的浪涌進入發(fā)射機中。

4.8 接地設計

屏蔽方艙內覆蓋了良好電連接的銅板， 這就使方艙成為一個等勢體， 并且可為發(fā)射機中設備提供一個低阻抗的接地平面。 由于發(fā)射機中大功率射頻電流也要流過部分地平面，所以產生IR 壓降，造成發(fā)射機地平面各處之間存在地點位差。 接地設計時的重點就是有選擇性地對設備地線進行分組， 確保噪聲水平相差較大的電路不會共享同一回流區(qū)域。

5 工程實現

電磁兼容是設計出來的， 但所有設計指標轉化為實際的性能必須依靠工程實現來保證。

5.1 方艙電磁屏蔽實現

方艙由內部銅屏蔽體和外部鋁屏蔽體構成。 內部的銅屏蔽體起到對低頻電、磁場主要屏蔽作用，屏蔽體整體需保證具有良好的電連續(xù)性。 若在各銅板的接縫處采用填充導電襯墊的方式，由于板材長度較長，各處承受的壓力不均勻，無法保證接縫處的良好電連續(xù)性。 因此在制作方艙銅屏蔽體時， 我們在銅板接縫處采用了重疊層壓方式并使用高頻焊接，使各銅板完全融為一個整體。 這樣既保證了屏蔽體良好的點連續(xù)性， 又滿足了屏蔽體的結構強度要求。

在功放方艙銅屏蔽體的1/4 處制作了屏蔽隔斷，將功放方艙分隔為完全獨立的兩個屏蔽艙室。

5.2 發(fā)射機內設備的布局

發(fā)射機內設備的布局對電磁兼容有很大的影響，如將高集成密度的大功率設備與小功率設備混雜在一起，會造成設備間嚴重的電磁兼容問題， 此時能夠解決這些問題的手段極其有限且效果不佳。 解決高集成密度系統的較好方法是在設備布局上將不同功能、不同功率等級、不同電壓和電流等級的設備進行分組， 差別較大的分組盡量從空間和距離上分開布置。 這樣通過空間隔離的方法可以獲得較好的電磁兼容性能， 并且方便合理地規(guī)劃系統整體接地方式。

5.3 電纜布線及安裝

發(fā)射機中需要敷設大量的電纜， 這些電纜有供電電纜、大電流射頻電纜、設備控制信號電纜、網絡傳輸電纜、數據傳輸電纜、狀態(tài)信號采集傳輸電纜等。 這些電纜傳輸的信號電壓從幾十千伏到幾毫伏， 電流從幾百安到幾毫安，頻率從直流到幾十兆赫茲。 若在布線時不對這些線纜進行特殊規(guī)劃和處理，通過電纜間的容性或感性耦合，會在線纜間造成嚴重的信號串擾， 影響發(fā)射機工作的可靠性。

為消除信號間的串擾， 在發(fā)射機設備合理布局的基礎上，再按傳輸的電流、電壓、信號頻率等對電纜進行分組。 在線纜布置時，不同組的電纜不能混在一起，信號差別越大的電纜組越需要從空間上盡量隔離開。 以放在操作室中的設備柜的布線為例， 柜中各設備的電源電纜沿機柜左側敷設，數據傳輸電纜則右側敷設，模擬信號則沿機柜中間敷設，這樣可以有效降低線纜間的相互串擾。 在方艙中，對于電力、照明及與電網有聯系的控制電纜，盡可能靠近方艙壁敷設； 大電流射頻電纜與其它電纜盡量遠離；弱信號數據傳輸電纜均使用穿管方式敷設。

6 結語

機動大功率甚低頻發(fā)射機的設備集成密度高， 電磁環(huán)境復雜。 復雜的電磁環(huán)境可能造成發(fā)射機中設備、裝置誤動作，影響工作的可靠性。 因此研究發(fā)射機電磁干擾產生的機理，總結電磁兼容設計方法及工程實現經驗，可以提高今后在新項目的論證、研制、安裝和使用過程中解決電磁兼容問題的能力。

［1］（美）奧特（Ott，H.W.）.電子系統中噪聲的抑制與衰減技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:113-131.

［2］Henry W. Ott，Electromagnetic compatibility engineering.John Wiley&Sons Inc.，Hoboken，New Jersey，2009:492-520.

［3］Arthur D. Watt，VLF Radio engineering.Pergamon Press Ltd.，London，1967:65-100.