基于電子對(duì)抗設(shè)備的風(fēng)機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)方法

韓海周 盧宏超 胥全春 文富忠 張琪

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所 四川省成都市 610036）

（2.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐成都地區(qū)第二軍事代表室 四川省成都市 610036）

1 引言

隨著電磁頻譜在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用和地位日益重要和突出，用戶對(duì)電子對(duì)抗裝備的性能功能要求越來(lái)越高。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子對(duì)抗裝備越來(lái)越趨向?qū)掝l段、高靈敏度、高功率、高傳輸速率、微小型化和高度集成化，系統(tǒng)采用的電子元器件數(shù)量及種類大幅增加，這都將為系統(tǒng)電磁兼容性帶來(lái)更大挑戰(zhàn)。如何在項(xiàng)目初期通過方案設(shè)計(jì)解決電磁兼容問題已經(jīng)成為設(shè)計(jì)師的考慮重點(diǎn)。

電子對(duì)抗裝備的電磁兼容設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要包括：電源端口濾波電路設(shè)計(jì)、數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計(jì)、PCB 的信號(hào)EMC 設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)、開關(guān)電源設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)等。本文實(shí)際工程應(yīng)用角度出發(fā)，研究電子對(duì)抗裝備中風(fēng)機(jī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)方法。

2 風(fēng)機(jī)電磁兼容分析

形成電磁干擾必須具備的三個(gè)基本要素為：電磁干擾源，耦合路徑和敏感設(shè)備。要抑制電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，必須從干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備等方面入手。

電子對(duì)抗設(shè)備中使用的風(fēng)機(jī)一般是外購(gòu)產(chǎn)品，直接裝配后使用，因此在系統(tǒng)級(jí)，很難從干擾源和敏感設(shè)備兩方面減小風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容影響，主要從耦合路徑抑制其電磁干擾。

由于電子對(duì)抗設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求（防潮防腐蝕等）高，故通常采用獨(dú)立風(fēng)道進(jìn)行散熱。獨(dú)立風(fēng)道指風(fēng)機(jī)風(fēng)道與分機(jī)內(nèi)模塊所處空間是隔離分開的，如圖1 所示。

圖1 ：典型設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)獨(dú)立風(fēng)道的特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)的電磁兼容問題可分為以下兩種情況：

（1）風(fēng)機(jī)的電磁干擾通過風(fēng)機(jī)供電線傳導(dǎo)到設(shè)備內(nèi)部；

（2）風(fēng)機(jī)的電磁干擾通過空間輻射到外部環(huán)境。

因此，風(fēng)機(jī)的電磁兼容問題可分為以下兩種類型：

（1）風(fēng)機(jī)的電磁干擾通過風(fēng)機(jī)供電線傳導(dǎo)到設(shè)備內(nèi)部；

（2）風(fēng)機(jī)的電磁干擾通過空間輻射。

3 風(fēng)機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，風(fēng)機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)主要從電磁干擾的耦合路徑入手，風(fēng)機(jī)與外部環(huán)境的耦合路徑包括：電磁干擾通過風(fēng)機(jī)供電線傳導(dǎo)和空間輻射。

電子對(duì)抗設(shè)備的風(fēng)機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)主要就是要解決上述2 種電磁干擾途徑：第1 種電磁干擾途徑是通過風(fēng)機(jī)供電線傳導(dǎo)的，可在風(fēng)機(jī)電源線上增加濾波電路達(dá)到抑制傳導(dǎo)電磁干擾的目的；第2 種電磁干擾途徑是通過風(fēng)機(jī)周圍的空間對(duì)外輻射的，可通過設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)罩和風(fēng)道達(dá)到抑制輻射電磁干擾的目的。

風(fēng)機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 ：風(fēng)機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)流程圖

（1）首先對(duì)分機(jī)進(jìn)行熱仿真，確定滿足散熱要求的風(fēng)量風(fēng)壓，篩選出滿足風(fēng)量、尺寸、功耗和環(huán)境適應(yīng)性等要求的風(fēng)機(jī)清單；

（2）若風(fēng)機(jī)清單中有滿足EMC 要求的型號(hào)，則選用該型號(hào)，并在風(fēng)機(jī)電源輸入端增加穿心電容（風(fēng)機(jī)供電線線會(huì)耦合分機(jī)內(nèi)部線纜及電路的干擾，通常在風(fēng)道與模塊間加穿心電容進(jìn)行濾波），隔離分機(jī)內(nèi)部的干擾，若沒有滿足EMC 要求的風(fēng)機(jī)，則按照（3）步驟；

（3）根據(jù)所選分機(jī)的型號(hào)，單獨(dú)測(cè)試風(fēng)機(jī)的CE102 和RE102 曲線，確定超標(biāo)部分的頻段和超標(biāo)量；

（4）根據(jù)CE102 測(cè)試曲線進(jìn)行濾波電路設(shè)計(jì)，對(duì)CE102 超標(biāo)頻段進(jìn)行抑制；

（5）根據(jù)RE102 測(cè)試曲線進(jìn)行風(fēng)機(jī)罩設(shè)計(jì)，確定風(fēng)機(jī)罩的開孔大小，根據(jù)通風(fēng)面積確定風(fēng)機(jī)罩的開孔數(shù)量，最后確定開孔厚度。

3.1 濾波電路設(shè)計(jì)

在風(fēng)機(jī)電源線上增加濾波電路的主要作用是抑制分級(jí)內(nèi)部與風(fēng)機(jī)間的電磁干擾，及抑制分機(jī)內(nèi)的電磁干擾通過風(fēng)機(jī)電源線傳導(dǎo)到風(fēng)機(jī)，抑制風(fēng)機(jī)的電磁干擾通過風(fēng)機(jī)電源線傳導(dǎo)到分機(jī)內(nèi)部，本質(zhì)是抑制CE102 曲線超標(biāo)部分。

根據(jù)風(fēng)機(jī)CE102 的實(shí)測(cè)情況，考慮到體積、重量、濾波效果等原因，濾波電路通常采用二級(jí)濾波，典型的濾波電路原理圖如圖3 所示。

圖3 ：典型濾波電路原理圖

根據(jù)選型風(fēng)機(jī)的CE102 實(shí)測(cè)曲線確定超標(biāo)頻段及超標(biāo)量后，調(diào)整圖3 濾波電路元器件的參數(shù)，通過仿真即可確定滿足要求的濾波電路。

3.2 風(fēng)機(jī)罩設(shè)計(jì)[6]

電子對(duì)抗設(shè)備的典型風(fēng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)示意如圖4 所示。風(fēng)機(jī)罩設(shè)計(jì)為開孔，一般選直徑D×厚H 的圓孔（也可選擇其他開孔形式，本文為方便描述，以圓孔為例描述設(shè)計(jì)方法），風(fēng)機(jī)工作時(shí)，將從這些圓孔對(duì)外輻射電磁信號(hào)，最終影響電子對(duì)抗設(shè)備的RE102 曲線。

圖4 ：典型風(fēng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)機(jī)罩設(shè)計(jì)流程如下：

（1）首先確定通風(fēng)孔的形狀，可以是圓孔或方孔等（本文以圓孔為例描述設(shè)計(jì)方法）；

（2）根據(jù)RE102 曲線確定需要屏蔽的最高頻率f；

（3）確定通風(fēng)孔的截止頻率：f=5×f；

（4）根據(jù)下式確定通風(fēng)孔的直徑：

式中，f為波導(dǎo)的截止頻率，c 為光速，D 為通風(fēng)孔直徑。

（5）根據(jù)散熱要求的通風(fēng)面積及通風(fēng)孔尺寸，確定通風(fēng)孔的個(gè)數(shù)N。

（6）根據(jù)下式確定單個(gè)通風(fēng)孔的屏蔽效能。

式中，S為單個(gè)通風(fēng)孔對(duì)最高頻率的衰減，S為整個(gè)風(fēng)機(jī)罩對(duì)最高頻率的衰減，D為RE102 超標(biāo)的最大值。

（7）根據(jù)下式確定通風(fēng)孔的厚度H。

式中，S為單個(gè)通風(fēng)孔對(duì)最高頻率的衰減，H 為通風(fēng)孔的厚度，f為波導(dǎo)的截止頻率，f為RE102 超標(biāo)的最大頻點(diǎn)。

4 可行性驗(yàn)證及分析

4.1 風(fēng)機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)例

某一設(shè)備確定風(fēng)機(jī)后，在EMC 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試其CE102 曲線如圖5 所示，RE102 曲線如圖6 ～圖9 所示。

圖5 ：風(fēng)機(jī)CE102 曲線

圖6 ：風(fēng)機(jī)RE102 曲線（10kHz-30MHz）

圖7 ：風(fēng)機(jī)RE102 曲線（30MHz-200MHz）

圖8 ：風(fēng)機(jī)RE102 曲線（200MHz-1GHz）

圖9 ：風(fēng)機(jī)RE102 曲線（1GHz-18GHz）

根據(jù)圖5，f=0.5MHz，D=15dB。根據(jù)圖6 ～圖9，f=5GHz，D=60dB。

根據(jù)第3 節(jié)的方法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行EMC 設(shè)計(jì)。

4.1.1 設(shè)計(jì)濾波電路

根據(jù)3.1 節(jié)，仿真確定各參數(shù)如下：CY1=1nF，CY2=1nF，CY3=1nF，CY4=1nF，CX1=10nF，CX2=10nF，L1=100uH。

4.1.2 設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)罩

首先確定通風(fēng)孔的截止頻率：f=5×f=25GHz。

根據(jù)式（1）計(jì)算通風(fēng)孔的最大直徑：D=7mm。根據(jù)散熱要求，風(fēng)機(jī)罩的通風(fēng)面積為21cm，得出通風(fēng)孔個(gè)數(shù)N 為54。根據(jù)式（2）計(jì)算單個(gè)通風(fēng)孔對(duì)最高頻率的衰減S=D+20lgN=95dB。根據(jù)式（3）計(jì)算通風(fēng)孔的厚度H=21.4mm。

工程中，考慮到風(fēng)機(jī)罩的重量等因素，可以適當(dāng)減小通風(fēng)孔的直徑和厚度，根據(jù)情況，可選擇不同的通風(fēng)孔直徑D，計(jì)算與之匹配的通風(fēng)孔厚度，通風(fēng)孔的直徑與厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 ：通風(fēng)孔的直徑與厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

由表1 可知，通風(fēng)孔直徑越小，需要單個(gè)通風(fēng)孔對(duì)信號(hào)的抑制要求越高，通風(fēng)孔的厚度可以減小，但是H:D 的比值逐漸增大。

綜合考慮屏蔽效能及風(fēng)機(jī)罩加工等因素，選擇D=3mm，H=10.5mm。

4.2 整改后測(cè)試對(duì)比

4.2.1 風(fēng)機(jī)CE102

在風(fēng)機(jī)供電線加上濾波電路后，風(fēng)機(jī)CE102 測(cè)試曲線如圖10 所示。

圖10 ：風(fēng)機(jī)CE102 測(cè)試曲線（加濾波電路后）

對(duì)比圖5 和圖10，增加濾波電路后，風(fēng)機(jī)的CE102 曲線相對(duì)整改前在主要超標(biāo)頻點(diǎn)有約25dB 的抑制。

4.2.2 設(shè)備RE102

設(shè)備在斷開風(fēng)機(jī)后，RE102 滿足要求，接上風(fēng)機(jī)后，RE102 分布頻段超標(biāo)，通過采取4.1 節(jié)的整改措施后，設(shè)備RE102 滿足要求，具體對(duì)照情況見表2。

表2 ：整改前后條件對(duì)照表

未增加濾波電路、安裝普通風(fēng)機(jī)罩，設(shè)備RE102 曲線如圖11 ～圖14 所示。

圖11 ：設(shè)備RE102 曲線_整改前（10kHz-30MHz）

圖12 ：設(shè)備RE102 曲線_整改前（30MHz-200MHz）

圖13 ：設(shè)備RE102 曲線_整改前（200MHz-1GHz）

圖14 ：設(shè)備RE102 曲線_整改前（1GHz-18GHz）

增加濾波電路、安裝EMC 設(shè)計(jì)后的風(fēng)機(jī)罩，設(shè)備RE102 曲線如圖15 ～圖18 所示。

圖15 ：設(shè)備RE102 曲線_整改后（10kHz-30MHz）

圖16 ：設(shè)備RE102 曲線_整改后（30MHz-200MHz）

圖17 ：設(shè)備RE102 曲線_整改后（200MHz-1GHz）

圖18 ：設(shè)備RE102 曲線_整改后（1GHz-18GHz）

分別對(duì)比圖11 和圖15 、圖12 和圖16 、圖13 和圖17 、圖14 和圖18 可知，增加風(fēng)機(jī)電源線濾波電路、安裝EMC 設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)罩后能對(duì)設(shè)備RE102 超標(biāo)頻段進(jìn)行有效抑制，最終滿足EMC 要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了典型電子對(duì)抗設(shè)備中風(fēng)機(jī)的電磁兼容性，給出了一套風(fēng)機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)的方法，并結(jié)合某一實(shí)例，驗(yàn)證該方法可行，能為工程提供指導(dǎo)意義。

電磁兼容問題從來(lái)不是一個(gè)點(diǎn)上的問題，而是一個(gè)系統(tǒng)問題。實(shí)際工程中，對(duì)設(shè)備電磁兼容產(chǎn)生影響的因素很多，只有在設(shè)計(jì)初期充分考慮電磁兼容要求，并采取有效的設(shè)計(jì)措施，在源頭抑制干擾的產(chǎn)生，后期設(shè)備在做EMC 整改或者測(cè)試時(shí)，才能更好的通過。