淺談軍用電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)

祝劉坡，王威,2*，余冰冰

（1.成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司，成都 611731； 2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610000）

引言

隨著軍用電子、計(jì)算機(jī)、通信類設(shè)備在飛機(jī)、車輛和艦船等平臺(tái)上的大量應(yīng)用，平臺(tái)空間越來越小，集成度越來越高，設(shè)備功率越來越大，所以就造成整個(gè)系統(tǒng)的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，設(shè)備之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)自兼容問題，無法滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。目前，電子設(shè)備的電磁兼容性能已經(jīng)成為武器裝備研發(fā)的重要技術(shù)指標(biāo)。

1 電磁兼容概念

電磁兼容首先是指設(shè)備本身在特定的電磁環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)功能性能指標(biāo)，其次是指設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁干擾不會(huì)對平臺(tái)內(nèi)其他設(shè)備產(chǎn)生惡劣影響的能力，也就是電磁敏感性[1]。

2 電磁兼容相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

軍用電子設(shè)備的電磁兼容性試驗(yàn)主要可以分為設(shè)備及分系統(tǒng)級試驗(yàn)和系統(tǒng)級試驗(yàn)。GJB 151A-1997、GJB 152A-1997 和GJB 151B-2013 這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要用于設(shè)備和分系統(tǒng)級的電磁兼容性試驗(yàn)；GJB 1389A-2005、GJB 1389B-2022 和GJB 8848-2016 這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要用于系統(tǒng)級的電磁兼容性試驗(yàn)。

本文主要針對軍用電子設(shè)備單體和分系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)展開進(jìn)行研究。GJB 151B-2013 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[2]是軍用電子設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)中最常用的標(biāo)準(zhǔn)，所有電子設(shè)備單體或分系統(tǒng)均應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

3 軍用電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)

軍用電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)，必須從干擾源、敏感器件和耦合途徑入手，采取各種有效的技術(shù)手段，抑制干擾源、消除或減弱電磁干擾的耦合路徑、降低敏感器件對電磁干擾的響應(yīng)或增加電磁敏感性電平[3]。

本文對系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)主要從四個(gè)方面進(jìn)行論述，具體見圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

3.1 濾波設(shè)計(jì)

濾波設(shè)計(jì)是使用電容、電感、電阻等器件的特性，將發(fā)射的電磁干擾信號降低到一定程度，使傳導(dǎo)發(fā)射或敏感度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)。

3.1.1 電源濾波設(shè)計(jì)

電源的干擾噪聲分為共模噪聲和差模噪聲兩種。電源的共模噪聲是電磁發(fā)射的主要來源，可以通過使用共模電感和接地電容等措施來抑制；電源的差模噪聲可以使用串聯(lián)差模電感或線間電容等措施來抑制。電源濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電源濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)

圖2 中，C1、C2、C5 是線間電容，用來抑制電源的差模噪聲；C3、C4、C6、C7 是接地電容，用來抑制電源的共模噪聲；L1 和L2 是共模電感，可以使用非晶納米晶材質(zhì)或者鐵氧體材質(zhì)的磁芯進(jìn)行繞制，用來抑制電源的共模噪聲。

電源濾波器在安裝使用上也有一些原則需要特別注意。首先，電源濾波器在安裝時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)良好接地，最好能直接安裝在設(shè)備機(jī)殼上[4]。其次，電源濾波器的安裝位置要盡量靠近設(shè)備供電輸入端口，濾波器輸入線越短越好，同時(shí)雙絞屏蔽處理。最后，濾波器的輸入線與輸出線及設(shè)備內(nèi)其他所有線纜之間要實(shí)現(xiàn)隔離。

3.1.2 電機(jī)和風(fēng)機(jī)濾波設(shè)計(jì)

電機(jī)和風(fēng)機(jī)的低頻干擾噪聲是電子設(shè)備的強(qiáng)干擾源之一，這種低頻噪聲在濾波時(shí)需要很低的截止頻率，一般低頻干擾頻率范圍在（10 ～500）kHz。

這種電機(jī)和風(fēng)機(jī)的濾波設(shè)計(jì)一般需在圖2 濾波電路的基礎(chǔ)上增加差模電感L2 和L3 來抑制低頻的電磁干擾噪聲?；镜碾娐方Y(jié)構(gòu)見圖3 所示。

圖3 電機(jī)和風(fēng)機(jī)濾波的基本電路結(jié)構(gòu)

3.1.3 信號濾波設(shè)計(jì)

信號濾波器主要用于濾除各種信號線上的無用高頻干擾，也屬于低通濾波器。由于產(chǎn)品內(nèi)部電路板上的信號源可以作為發(fā)射和接收天線，對外發(fā)射無用的電磁干擾，同時(shí)又接收外界較強(qiáng)的電磁干擾。因此，在信號線上加裝濾波器可以將高頻電磁干擾進(jìn)行抑制。

針對信號濾波一般采用C 型電路結(jié)構(gòu)，可以選用自身屏蔽效能很好的超小型饋通濾波器，饋通濾波器具有較好的高頻濾波特性，適合高頻的信號濾波，其電路圖如圖4 所示。

圖4 信號濾波的基本電路結(jié)構(gòu)

3.2 屏蔽設(shè)計(jì)

3.2.1 機(jī)箱蓋板接縫屏蔽設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁場傳播理論推算和工程實(shí)際測試，電磁泄漏的強(qiáng)度與蓋板接縫長度和深度密切相關(guān)，縫隙的屏蔽效能估算公式如下所示：

式中：

I—孔縫長度，mm；

F—頻率，MHz；

h—孔縫高度，mm；

t—孔縫深度，mm。

從縫隙的屏蔽效能估算公式可以得出增加縫隙深度和減少縫隙長度可以顯著提高蓋板縫隙的屏蔽效能。

由于金屬材料在加工過程中存在的加工誤差以及蓋板配合表面并非完全平整光滑，經(jīng)過上面的設(shè)計(jì)依然不能完全屏蔽，殼體依然會(huì)存在縫隙，在這種情況下，可以在縫隙處安裝導(dǎo)電屏蔽膠條作為兩金屬接觸面的過渡。安裝示意圖見圖5 所示。

圖5 導(dǎo)電橡膠條安裝示意圖

3.2.2 連接器縫隙屏蔽設(shè)計(jì)

針對連接器與設(shè)備殼體之間的縫隙，我們可以選擇在連接器法蘭盤和設(shè)備殼體之間加裝導(dǎo)電襯墊，見圖6所示；導(dǎo)電襯墊在起到電磁屏蔽作用的同時(shí)，還具有環(huán)境密封效果，可以完美的替代連接器上不導(dǎo)電的橡膠密封圈，且抗鹽霧性高、導(dǎo)電性能好。

3.2.3 線纜屏蔽設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各設(shè)備之間的互聯(lián)線纜應(yīng)做好屏蔽處理，防止干擾噪聲從電纜泄露。

對于射頻同軸線纜，屏蔽層無需單獨(dú)設(shè)計(jì)，只需選用屏蔽效能高的成品同軸線纜即可。對于電源線和其他信號線纜的屏蔽，需將電源線和信號線分開屏蔽，并將屏蔽層360 °環(huán)接在圓形連接器上，屏蔽層與連接器屏蔽尾附最好采用焊接方式，以保證完全電連續(xù)性及牢固性。線纜的屏蔽與連接器之間需要用360 °的搭接方式，否則將不會(huì)起到良好的屏蔽作用，示意圖如圖7 所示。

圖7 線纜屏蔽層360 °搭接示意圖

3.2.4 通風(fēng)、散熱口屏蔽設(shè)計(jì)

用小孔代替大口徑的通風(fēng)孔或使用“蜂窩式屏蔽通風(fēng)板”是提高通風(fēng)、散熱口屏蔽體屏蔽效能的有效方法[5]，蜂窩式屏蔽通風(fēng)板的安裝方式簡單可靠，電磁屏蔽效能高，不影響設(shè)備通風(fēng)散熱。設(shè)備的通風(fēng)和散熱口均可采用此種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，見圖8 所示。

圖8 蜂窩式屏蔽通風(fēng)板安裝示意圖

3.2.5 轉(zhuǎn)軸縫隙屏蔽設(shè)計(jì)

某些光電觀瞄設(shè)備，自帶伺服轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于其功能需求，轉(zhuǎn)軸不能完全屏蔽，其縫隙泄露的電磁能量是RE102 項(xiàng)目不通過的主要原因之一，故需對轉(zhuǎn)軸縫隙進(jìn)行特殊處理。處理措施可包括以下幾個(gè)方面：

1）用磁流體對轉(zhuǎn)軸縫隙進(jìn)行填塞，密封轉(zhuǎn)軸滑動(dòng)縫隙；

2）在轉(zhuǎn)子或定子上設(shè)計(jì)鋼絲毛刷或采用多個(gè)凹凸結(jié)構(gòu)（如圖9 所示）進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)；

圖9 凹凸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3）對穿過匯流環(huán)的線纜進(jìn)行屏蔽處理。

3.2.6 顯示窗口屏蔽設(shè)計(jì)

由于顯示窗口有液晶屏幕顯示，因此不能使用大面積覆蓋的形式去屏蔽處理。一般我們有兩種處理方案：

1）濾波、屏蔽隔離。將顯示窗口與設(shè)備內(nèi)部電路板之間做金屬隔艙，并對設(shè)備與顯示窗口之間互聯(lián)的電源和信號線做濾波處理。

2）屏蔽玻璃。目前屏蔽玻璃有兩種，一種為在玻璃面上鍍一層導(dǎo)電漆，優(yōu)點(diǎn)是視覺效果好，缺點(diǎn)是屏蔽效能低。另外一種為兩層玻璃之間夾一層金屬絲網(wǎng)，這種工藝簡單，缺點(diǎn)就是視覺效果較差，需要通過調(diào)整絲網(wǎng)孔的角度來提高透視度。

3.3 接地設(shè)計(jì)

多點(diǎn)接地、混合接地和單點(diǎn)接地是電子設(shè)備常用的三種接地方式[6]。接地方式一般可以按照如下方式進(jìn)行選擇：

一般低于1 MHz 工作頻率的電路中采用單點(diǎn)接地，如電源電路；高于10 MHz 工作頻率的電路中，則采用多點(diǎn)接地。對工作頻率在（1～10）MHz 的電路，可以根據(jù)設(shè)備傳輸線的長度L 來決定，當(dāng)L 小于λ/20，建議使用單點(diǎn)接地，當(dāng)L 大于λ/20，建議使用多點(diǎn)接地。數(shù)字電路含有豐富的高次諧波，射頻電路工作頻率較高，均推薦采用多點(diǎn)接地方式。

3.4 電纜布線設(shè)計(jì)

電纜分為一次電源線、二次電源線、控制及通信數(shù)據(jù)線和低電平敏感線。具體見表1 所示。

表1 系統(tǒng)電纜種類

電纜布線需按照以下原則進(jìn)行：

1）一次電源線敷設(shè)遠(yuǎn)離其他幾類線束；不在系統(tǒng)強(qiáng)輻射場區(qū)域內(nèi)敷設(shè)電纜；進(jìn)入處理機(jī)箱體的線纜在進(jìn)入連接器后按分類散開敷設(shè)；線纜屏蔽層按照信號頻率特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)接地處理；屏蔽線纜的選材保證具有足夠的屏蔽效能[7]。

2）電源線、數(shù)字傳輸線、天線饋線等單獨(dú)敷設(shè)；

3） 數(shù)字傳輸線、天線饋線、低電平信號線、數(shù)傳線、低頻控制線等遠(yuǎn)離電源導(dǎo)線和殼體開孔處，防止外界輻射干擾；

4）交直流電源線、二次電源線和大于5 A 的電纜靠近殼體敷設(shè)；

5）不同類的電纜敷設(shè)在一起并穿過同一電纜孔時(shí)，在孔兩側(cè)敷設(shè)使距離盡量分開。

4 結(jié)論

軍用電子設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作的前提就是要有較好的電磁兼容設(shè)計(jì)。本文對電磁兼容的概念及相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，基于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別從濾波設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)和電纜布線設(shè)計(jì)四個(gè)方面介紹了電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)產(chǎn)品在電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，提供一些參考和幫助。