軍用計(jì)算機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)達(dá)標(biāo)技術(shù)研究

王永戰(zhàn)

（合肥恒研智能科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

1 概述

隨著信息化的發(fā)展，軍用計(jì)算機(jī)對(duì)于電磁工作環(huán)境的兼容性能備受重視。在檢驗(yàn)軍用計(jì)算機(jī)的電磁兼容性時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注考核設(shè)備的兼容能力，還要重點(diǎn)關(guān)注在設(shè)備出現(xiàn)后，其他設(shè)備運(yùn)行時(shí)保持的電磁環(huán)境是不是滿足正常運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。電磁兼容性試驗(yàn)具有較強(qiáng)的雙向性，接受檢測(cè)設(shè)備EUT 在滿足不對(duì)外產(chǎn)生電磁干擾和能夠承受電磁干擾的兩個(gè)條件時(shí)，才能將其認(rèn)定為是測(cè)試合格。電磁信號(hào)產(chǎn)生效應(yīng)主要表現(xiàn)為兩種途徑，分別是空間輻射和電路傳導(dǎo)，通過(guò)對(duì)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子電氣的高效協(xié)調(diào)，使軍用計(jì)算機(jī)在電磁兼容性試驗(yàn)的過(guò)程中滿足設(shè)計(jì)的要求。

2 軍用計(jì)算機(jī)的EMC特點(diǎn)和設(shè)計(jì)對(duì)策

2.1 軍用計(jì)算機(jī)的EMC特點(diǎn)

軍用計(jì)算機(jī)相對(duì)于一般的非軍工類計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，其電磁兼容性具有以下特點(diǎn)：

（1）安裝密集度高。

（2）強(qiáng)弱信號(hào)共存。

（3）頻譜分布廣。

（4）共用電源和地線。

（5）設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的回旋余地小。

2.2 軍用計(jì)算機(jī)的EMC設(shè)計(jì)對(duì)策

由于以上這些特點(diǎn)，軍用計(jì)算機(jī)的EMC 設(shè)計(jì)更為復(fù)雜和困難，電磁兼容性試驗(yàn)很難達(dá)標(biāo)。要設(shè)計(jì)符合GJB151B-2013 標(biāo)準(zhǔn)的軍用計(jì)算機(jī)，要以通用的EMC 設(shè)計(jì)原則為基礎(chǔ)，并以此為基礎(chǔ)來(lái)升級(jí)EMC 措施，對(duì)接地質(zhì)量、電路設(shè)計(jì)、機(jī)箱屏蔽以及電源等問(wèn)題予以高度的關(guān)注。

2.2.1 電源與EMC 之間的關(guān)系

在GJB151B-2013 標(biāo)準(zhǔn)里，與電源有直接關(guān)系的內(nèi)容包括CE101、CE102、CE107、CS101 和CS106 等，電源電纜與CS114、CS115、CS116 之間存在著直接的關(guān)系，電源與其它敏感度、輻射發(fā)射的項(xiàng)目與電源保持著間接的關(guān)系。在設(shè)計(jì)軍用計(jì)算機(jī)EMC 時(shí)，要將電源的EMC 設(shè)計(jì)工作放在首要位置上。

電源EMC 設(shè)計(jì)策略包括的內(nèi)容有：

（1）電源濾波器。電源線在連入到機(jī)箱以前，要先與濾波器連接，濾波器金屬外殼與地面要保持大面積的接觸，濾波器輸入線與輸出線保持一定的距離，嚴(yán)禁輸入輸出線捆扎在一起，濾波器輸出端再串聯(lián)電源。

（2）隔離變壓器。如果采用交流電源，就要使用隔離變壓器，該變壓器的初次級(jí)間設(shè)置的電源變壓器要有屏蔽隔離層存在，其發(fā)揮的主要作用為提高共模干擾抑制能力、隔離地線環(huán)流、變壓以及安全防護(hù)等，電源濾波器與隔離變壓器的濾波特性之間實(shí)現(xiàn)了互相補(bǔ)充。

（3）二次電源。二次電源主要包括兩種類型，分別為線性電源和開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源能夠抑制外來(lái)的干擾，然而開(kāi)關(guān)電源的外部輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射比較明顯，在開(kāi)展EMC 試驗(yàn)時(shí)，敏感度試驗(yàn)項(xiàng)目能夠得到高效的實(shí)現(xiàn)，而發(fā)射項(xiàng)目卻很難得到滿足。對(duì)于低功耗電路而言，盡量不要使用開(kāi)關(guān)電源，使用線性穩(wěn)壓器可以將外部干擾降到最低。

（4）電源整體屏蔽。在軍用計(jì)算機(jī)EMC 性能層面上，電源發(fā)揮著積極的促進(jìn)作用，在屏蔽箱內(nèi)部將部分電源設(shè)計(jì)成為屏蔽暗盒，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的整體屏蔽。

2.2.2 機(jī)箱電磁屏蔽

空間電磁輻射預(yù)防的關(guān)鍵性技術(shù)為機(jī)箱電磁屏蔽，GJB151B-2013 標(biāo)準(zhǔn)中明確指出，機(jī)箱屏蔽與RS101、RS103、RS105、RE101、RE102 之間存在著緊密的聯(lián)系，與電纜相關(guān)的項(xiàng)目與機(jī)箱屏蔽也存在著間接的關(guān)系，究其原因，機(jī)箱完成了電纜的進(jìn)出。

機(jī)箱設(shè)計(jì)原則有：

（1）屏蔽層導(dǎo)電的連續(xù)性。機(jī)箱的外部縫隙全部具有超強(qiáng)的導(dǎo)電接觸，且具有較好的連續(xù)性。

（2）科學(xué)管控機(jī)箱的開(kāi)口。機(jī)箱開(kāi)口的作用包括安裝指示燈、開(kāi)關(guān)、連接器等，在開(kāi)口比較大的情況下，假如屏蔽措施在安裝的器件前無(wú)法發(fā)揮作用，需要將屏蔽層設(shè)置在器件的后面，這就使后置屏蔽法采取濾波處理方法來(lái)處理穿過(guò)屏蔽層的導(dǎo)線。

（3）機(jī)箱插件的選擇與安裝。將外屏蔽層加設(shè)在連接機(jī)箱插座的外部線纜上，機(jī)箱屏蔽層與線纜的外屏蔽層保持著良好的導(dǎo)電性。機(jī)箱上安裝的所有插件，需要全部滿足軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（4）自然風(fēng)冷散熱。在機(jī)箱散熱的過(guò)程中，最好使用自然風(fēng)冷的方法，散熱孔的直徑要以比機(jī)箱壁的厚度小。在安裝散熱風(fēng)扇時(shí)，將截止波導(dǎo)式屏蔽通風(fēng)板安裝在風(fēng)扇的外面。

2.2.3 設(shè)計(jì)電路EMC

（1）在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中，最好使用多層板。插裝式元器件的等效電磁輻射面積大于表面貼裝元器件的等效電磁輻射面積，表面貼裝元器件的EMC 性能就會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。聯(lián)合使用多層電路板與表面貼裝元器件，才能使其滿足GJB151B-2013 標(biāo)準(zhǔn)的電路板設(shè)計(jì)要求，具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

（2）有源器件的高頻旁路。在RS103 項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)，要以GJB151B-2013 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，經(jīng)常遇到的問(wèn)題為：干擾信號(hào)的類型為等幅波時(shí)，輸出信號(hào)一切正常；干擾信號(hào)的類型為調(diào)幅波時(shí)，輸出信號(hào)就會(huì)受到一定的干擾。在詳細(xì)研究后，發(fā)現(xiàn)在電路中竄入調(diào)幅波干擾信號(hào)后，高頻檢波會(huì)存在于有源器件的非線性響應(yīng)中，使干擾隨之產(chǎn)生。要想使這些問(wèn)題得到有效的處理，就要出臺(tái)行之有效的方法來(lái)對(duì)有源器件的高頻旁路予以強(qiáng)化處理。

2.2.4 接地質(zhì)量

在設(shè)計(jì)電路、屏蔽和電源時(shí)，要將接地質(zhì)量和地線質(zhì)量放在第一位。接地質(zhì)量的前提條件為接地正常，接地方式與接地點(diǎn)要與設(shè)計(jì)的要求相同，接地要確保安全、可靠，接地面積、接地線路和接地螺栓要滿足設(shè)計(jì)的要求，從而使接地電阻保持在最小的范圍之內(nèi)。

3 針對(duì)各項(xiàng)軍標(biāo)EMC試驗(yàn)的達(dá)標(biāo)技術(shù)

3.1 傳導(dǎo)發(fā)射類

對(duì)于傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)而言，其包含的具體內(nèi)容有CE107、CE102和CE101，電源線常規(guī)傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)中包含后兩項(xiàng)的內(nèi)容，精確測(cè)試EUT 傳導(dǎo)發(fā)射到電源線上的信號(hào)，CE102 能夠準(zhǔn)確的測(cè)試EUT從電源線傳導(dǎo)發(fā)射出的尖峰信號(hào)。

EUT 的電源電路和功能電路是電源線傳導(dǎo)發(fā)射信號(hào)的主要來(lái)源，隔離和濾波能夠高效的阻斷EMI 信號(hào)的傳導(dǎo)發(fā)射。使用擁有屏蔽隔離層的電源變壓器來(lái)隔離交流供電模式的EUT，同時(shí)高效的隔離低頻段的EMI。對(duì)于直流供電情況而言，使用輸入、輸出不共地的DC/DC 變換器來(lái)完成隔離任務(wù)。脈寬調(diào)制技術(shù)是DC/DC 變換器的核心技術(shù)，具有較強(qiáng)的干擾性，所以要高度重視選型工作。

電源進(jìn)線處的濾波器發(fā)揮著重要的作用，對(duì)稱無(wú)源電路是濾波器的主要結(jié)構(gòu)類型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)濾波的雙向隔離，外來(lái)干擾很難進(jìn)入到EUT 中，內(nèi)部干擾傳向外部也非常困難。高頻段干擾使用電源濾波器來(lái)濾除，其對(duì)低頻段干擾很難起到任何的作用。

電源電路的輸出濾波占據(jù)著核心位置，軍用計(jì)算機(jī)的CPU 利用率不斷提高時(shí)，電源供電就隨之發(fā)生改變，外部線上的電源波動(dòng)也會(huì)越來(lái)越明顯。該波動(dòng)的幅度比較大，頻率大于25 Hz 時(shí)，CE101 測(cè)試很難滿足相關(guān)的要求。大容量的濾波電容器并聯(lián)于電源電路的輸出端，借助電容的儲(chǔ)能作用，使得電源波動(dòng)逐漸的實(shí)現(xiàn)了平滑化。要想將CE101 試驗(yàn)頻率下限避開(kāi)，使試驗(yàn)達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，就要將電源波動(dòng)的頻率降到25 Hz 以內(nèi)。

CE107 項(xiàng)目的主要作用表現(xiàn)為使電源線尖峰信號(hào)對(duì)外產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射干擾得以準(zhǔn)確的測(cè)試。電子設(shè)備運(yùn)行時(shí)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)尖峰干擾信號(hào)，從共用電源的影響和傳導(dǎo)功率強(qiáng)度的角度分析，尖峰干擾的主要來(lái)源為EUT 的開(kāi)關(guān)電源。CE107 測(cè)試達(dá)標(biāo)的方法非常多，比如：將尖峰干擾吸收電力并聯(lián)在開(kāi)關(guān)電源上、使用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、熱啟動(dòng)等等。

3.2 傳導(dǎo)敏感度類

傳導(dǎo)敏感度類試驗(yàn)包含的具體內(nèi)容有CSI16、CS115、CS114、CS106、CS101，CS106 和CS101 主要是針對(duì)EUT 電源線而開(kāi)展的試驗(yàn)，而CSI16、CS115 和CS114 是針對(duì)連接到EUT 的所有電纜和電源線開(kāi)展的試驗(yàn)。該試驗(yàn)測(cè)試EUT 時(shí)，核心內(nèi)容為測(cè)試電纜傳入的外來(lái)干擾的敏感度，在外來(lái)干擾傳入時(shí)，EUT 不會(huì)受到任何的影響，而保持正常的工作狀態(tài)。CS101 和CS106 的測(cè)試要求為電源線傳導(dǎo)的干擾給EUT 造成影響時(shí)，其依然能夠保持正常的工作狀態(tài)。在開(kāi)展傳導(dǎo)敏感度測(cè)試工作的過(guò)程中，EUT 抵御外部的干擾信號(hào)時(shí)，必須要在整個(gè)頻段內(nèi)完成，只依靠電源濾波器很難抵御干擾。對(duì)于低頻段而言，其對(duì)濾波電容容量的要求比較高，電容容量如此大的濾波器在普通電源濾波器上無(wú)法應(yīng)用。接地平面和電源線之間跨接著電源濾波器的濾波電容，如果濾波電容比較大，旁路的干擾電流借助公共地線就會(huì)耦合到同一接地平面的其他設(shè)備中，使新的電磁干擾出現(xiàn)，該形式在船艦上裝載的設(shè)備影響最為明顯。

不僅要將電源線的EMI 阻擋住，同時(shí)還要確保濾波電容不要過(guò)大，因此對(duì)器件的要求就比較嚴(yán)苛，器件要能夠吸收和衰耗EMI，典型的器件為磁柱和磁環(huán)。

在開(kāi)展CS114、CS115、CS116 等傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)時(shí)，干擾頻率范圍保持在10 kHz 到數(shù)百M(fèi)Hz 之間，使用三端濾波器來(lái)抵御干擾，三端濾波器主要是由低頻電磁衰耗和高頻濾波共同構(gòu)成。

3.3 輻射發(fā)射類

磁場(chǎng)輻射發(fā)射項(xiàng)目RE101 與電場(chǎng)輻射發(fā)射項(xiàng)目RE102 是輻射發(fā)射類試驗(yàn)的主要構(gòu)成部分，電場(chǎng)輻射發(fā)射RE102 的測(cè)試頻率范圍保持在10 kHz ～18 GHz 之間，在該頻段中的所有頻點(diǎn)上，EUT輻射發(fā)射信號(hào)與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，會(huì)略低一些，表明最終的測(cè)試結(jié)果滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

有些受測(cè)設(shè)備的輻射發(fā)射頻率很難達(dá)到上述的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，輻射發(fā)射能量通常會(huì)在某一頻段或者是某一頻點(diǎn)上集中。EUT 低頻端輻射發(fā)射的核心組成部分為開(kāi)關(guān)電源，電路振蕩器的高次諧波和基波是高頻端輻射發(fā)射的主要來(lái)源。

對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，會(huì)存在直接發(fā)射輻射的情況，電路的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)會(huì)給高頻電路帶來(lái)一定的影響，會(huì)出現(xiàn)調(diào)制的作用，導(dǎo)致輻射干擾出現(xiàn)在與開(kāi)關(guān)電源工作頻率距離比較遠(yuǎn)的頻點(diǎn)位置處。這樣的干擾很難被及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，即便干擾出現(xiàn)以后，在最短的時(shí)間之內(nèi)也無(wú)法判斷其根源。

EUT 電路里的晶體振蕩器也是輻射發(fā)射的主要根源，通常情況下，在對(duì)輻射發(fā)射來(lái)源進(jìn)行判斷時(shí)非常的容易，晶振頻率是已經(jīng)掌握的，且精確度比較高，假如RE102 項(xiàng)目測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)的輻射頻率與晶振頻率一致或者是其倍數(shù)為整數(shù)，則表明屬于諧波干擾或者是振蕩基波干擾。但是也會(huì)出現(xiàn)例外的情況，假如將多個(gè)不同頻率的晶振放置在EUT 里，晶振頻率會(huì)出現(xiàn)交叉調(diào)制的情況，導(dǎo)致輻射頻譜出現(xiàn)比較復(fù)雜的情況，頻點(diǎn)位置就會(huì)有輻射干擾的情況發(fā)生。

3.4 輻射敏感度類

電場(chǎng)輻射敏感度項(xiàng)目RS103 與磁場(chǎng)輻射敏感度項(xiàng)目RS101 共同組成了輻射敏感度類試驗(yàn)內(nèi)容。軍用計(jì)算機(jī)需要檢測(cè)和接收比較微弱的信號(hào)，核心檢測(cè)項(xiàng)目為電場(chǎng)輻射敏感度，這也是EMC 試驗(yàn)中難度系數(shù)最大的測(cè)試內(nèi)容。

從屏蔽和電源等層面著手，使RS103 測(cè)試達(dá)標(biāo)得以快速的實(shí)現(xiàn)。機(jī)箱屏蔽盡量要使整個(gè)機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性得以滿足，采取行之有效的措施處理機(jī)箱的開(kāi)口和接縫位置。焊接是機(jī)箱接縫處理的最佳方法，假如后續(xù)會(huì)存在維修拆卸的情況，一定要壓實(shí)接縫，使用以銀鋁填料為主要材質(zhì)的導(dǎo)電橡膠襯墊處理接縫位置。

外來(lái)電場(chǎng)干擾穿入機(jī)箱的薄弱點(diǎn)包含機(jī)箱的電纜孔在內(nèi)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何處理的電纜從屏蔽體中穿過(guò)時(shí)，屏蔽效能被降到了30dB以內(nèi)。將專用的屏蔽電纜附件安裝到軍品接插件上，使電纜外屏蔽層導(dǎo)電的連續(xù)性得以滿足。值得注意的是，假如設(shè)備中包含的器件具有超強(qiáng)的磁場(chǎng)輻射敏感度，其RS101 測(cè)試很難滿足相關(guān)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

以國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB151B-2013 的相關(guān)規(guī)定為基礎(chǔ)，從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)軍用計(jì)算機(jī)EMC 設(shè)計(jì)、測(cè)試達(dá)標(biāo)等相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)和歸納。電磁兼容具有超強(qiáng)的實(shí)踐性和理論性，在設(shè)計(jì)軍用計(jì)算機(jī)時(shí)，如能夠依據(jù)理論和實(shí)踐準(zhǔn)確預(yù)估到EMI 產(chǎn)生的問(wèn)題，積極采取有效措施來(lái)處理EMC，就會(huì)不斷地提升整個(gè)設(shè)計(jì)工程的實(shí)效性，完成電磁兼容性試驗(yàn)以后，出現(xiàn)的反復(fù)的情況比較少，使整個(gè)過(guò)程中的進(jìn)度和質(zhì)量與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)保持高度的統(tǒng)一。