系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性設(shè)計(jì)研究

摘要:隨著電子技術(shù)在航天飛行器、飛機(jī)、艦艇中的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)整機(jī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一個(gè)不可回避的課題，對(duì)目前整機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)提出了設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞:電磁兼容性;系統(tǒng);綜合

中圖分類號(hào):O44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)15-0340-01

隨著電子技術(shù)在航天飛行器、飛機(jī)、艦艇中的廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備在工作的同時(shí)往往要產(chǎn)生一些有用或無用的電磁能量，這些能量將影響到其它設(shè)備的工作，從而形成了電磁干擾，尤其在軍用飛機(jī)上，大量的電子設(shè)備密集在狹小的空間內(nèi)，相互間的電磁干擾非常嚴(yán)重，同時(shí)還要攜帶大量的作戰(zhàn)設(shè)備和武器系統(tǒng)，很容易就使飛機(jī)不能處于正常狀態(tài)，從而發(fā)生災(zāi)難性的后果。因此在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何減少相互間的電磁干擾，使各電氣電子系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和元件能正常工作互不干擾，達(dá)到能兼容工作的狀態(tài)，已成為當(dāng)前機(jī)載電氣電子設(shè)備設(shè)計(jì)一個(gè)不可回避的課題。而電磁兼容學(xué)正是為解決這類問題而迅速發(fā)展起來的一門科學(xué)。

眾所周知，電磁兼容學(xué)是近年來發(fā)展起來的一門新興科學(xué)。它主要研究的是如何使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電氣電子系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和元器件都能正常工作，互不干擾，達(dá)到兼容狀態(tài)。從某種程度上也可以說成是研究干擾與抗干擾的問題。而隨著電磁兼容技術(shù)不斷的發(fā)展，研究和分析電磁兼容性的方法也逐步得到提高和完善，按其發(fā)展過程，通常分為三種方法:問題解決法、規(guī)范法和系統(tǒng)綜合法。

問題解決法是解決電磁兼容問題的早期方法，首先按常規(guī)設(shè)計(jì)建立系統(tǒng)，然后再對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的電磁兼容問題予以解決。由于系統(tǒng)已安裝完工，要解決電磁兼容問題比較困難，為了解決問題可能要進(jìn)行大量的拆卸，甚至要重新設(shè)計(jì)，對(duì)于大規(guī)模集成電路要嚴(yán)重地破壞其版圖。因此問題解決法是一種非常冒險(xiǎn)的方法，而且這種頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳的方法是不可能從根本上解決電磁兼容問題的。這種方法在設(shè)計(jì)階段節(jié)省了電磁兼容設(shè)計(jì)所增加的成本，但在成品的最后階段解決電磁兼容問題不僅困難大，而且成本高。所以這種方法只適合比較簡(jiǎn)單的設(shè)備。規(guī)范法是比問題解決法較為合理的一種方法，該方法是按照現(xiàn)行電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的極限值來進(jìn)行計(jì)算，使組成系統(tǒng)的每個(gè)分系統(tǒng)均符合所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，并按標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法核實(shí)它們與標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的極限值的一致性。該方法可在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容提供一些預(yù)見性。但該方法也存在可能引起過儲(chǔ)備的設(shè)計(jì)，或謀求解決的問題不一定真實(shí)存在的問題，從而影響系統(tǒng)本身的性能指標(biāo)，又增大本身不存在的設(shè)計(jì)成本。系統(tǒng)綜合法是最近幾年興起的一種先進(jìn)的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，它集中了電磁兼容方面的研究成就，根據(jù)電磁兼容的要求給出最佳工程設(shè)計(jì)的方法。系統(tǒng)綜合法從設(shè)計(jì)開始就預(yù)測(cè)和分析電磁兼容性，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、組裝和實(shí)驗(yàn)過程中不斷對(duì)其電磁兼容性進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。由于在設(shè)計(jì)階段采取電磁兼容措施，因此可以采取電路與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的技術(shù)措施。這種方法通常在正式產(chǎn)品完成之前就解決90%的電磁兼容問題。

下面結(jié)合某型飛機(jī)機(jī)載通信設(shè)備的設(shè)計(jì)為例，討論一下如何用系統(tǒng)綜合法的思路進(jìn)行機(jī)載設(shè)備整機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)。

1 首先要明確電磁兼容設(shè)計(jì)的目的

對(duì)于新研制的機(jī)載通信設(shè)備，從一開始首先要明確其使用環(huán)境和將要通過的電磁兼容性指標(biāo)，這是綜合權(quán)衡電磁兼容性與功能特性設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，再此基礎(chǔ)上同時(shí)考慮研制周期和經(jīng)費(fèi)需求，確定整機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的電磁兼容性的控制等級(jí)和控制方案。一般來說，是依據(jù)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，以電磁兼容試驗(yàn)為保障，來保證電磁兼容性設(shè)計(jì)的有效性，同時(shí)在制定研制計(jì)劃時(shí)要充分意識(shí)到系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)工作將貫穿于系統(tǒng)研制的全過程。

2 整機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容分析和溝通

首先，整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)要充分理解其各分系統(tǒng)主要功能及關(guān)聯(lián)性，這樣才能對(duì)其進(jìn)行合理的電磁兼容分析，例如該新型飛機(jī)機(jī)載通信設(shè)備，其系統(tǒng)主要由供電分系統(tǒng)，信號(hào)處理與控制分系統(tǒng)，接收分系統(tǒng)和發(fā)射分系統(tǒng)組成，分析各個(gè)預(yù)期的電磁環(huán)境，根據(jù)功能和性能的要求規(guī)定安裝的位置和線纜的走向，對(duì)于可以調(diào)整位置的模塊，要充分利用空間隔離，使其遠(yuǎn)離干擾源;像高靈敏度的接受機(jī)不但要做好屏蔽工作，還要使其遠(yuǎn)離大功率發(fā)射機(jī)。另外，對(duì)于各個(gè)分系統(tǒng)安裝位置的地電位可能產(chǎn)生的干擾也要早期控制，像信號(hào)處理與控制分系統(tǒng)一般大都是數(shù)字電路，而接收機(jī)和發(fā)射機(jī)一般大都是模擬電路，所以數(shù)字電路的信號(hào)地，摸擬電路的地電位和供電模塊的安全地三者的規(guī)劃必須引起高度重視，選用適合的接地方法盡量避免因?yàn)榈仉娏鞫鸬母蓴_。

其次就是整機(jī)各個(gè)分系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)的匹配性與合理性，例如頻譜的使用率，分系統(tǒng)之間的隔離措施，接口設(shè)計(jì)，互聯(lián)電纜之間的電磁干擾以及系統(tǒng)與外部設(shè)備的連接控制等，都需要綜合考慮。這里要著重強(qiáng)調(diào)頻譜的使用率，電磁波頻譜是有限的，但不是消耗性的，因?yàn)樗诟黝l段的傳播特性是不同的，如果不充分和合理地使用，不但會(huì)造成本身利用率的下降，還會(huì)干擾和影響其他分系統(tǒng)正常工作，因此，頻譜的使用率是否合理在電磁兼容的設(shè)計(jì)中是相當(dāng)重要的一項(xiàng)內(nèi)容。

再次就是分析各種干擾源的特性和技術(shù)參數(shù)，確定干擾的源頭，干擾的路徑以及其耦合的方式，然后再確定采用的控制方案和各種抑制干擾的措施。一般來說，電源線傳導(dǎo)發(fā)射與輻射，信號(hào)線傳導(dǎo)發(fā)射與輻射，大功率發(fā)射機(jī)的諧波帶來的輻射，空間耦合，地線耦合是主要的干擾途徑。而新型設(shè)備中其使用的開關(guān)電源，高性能的DSP數(shù)字處理器，高增益的微波放大器等為干擾產(chǎn)生比較集中的地方，由于這些問題所引起的異常工作需要特別關(guān)注，設(shè)計(jì)時(shí)需要全面考慮。

3 整機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性和綜合性

電磁兼容本身就是一門綜合性科學(xué)，而用系統(tǒng)綜合法的思路從設(shè)計(jì)開始就預(yù)測(cè)和分析了整機(jī)及其各模塊的電磁

兼容性。可以這么認(rèn)為，電磁兼容是設(shè)計(jì)出來的。因?yàn)閱蝹€(gè)元件的電磁兼容控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟 ，并且被廣泛的應(yīng)用，而目前問題比較多的是缺乏系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，這樣就出現(xiàn)了單個(gè)元件滿足要求，而系統(tǒng)聯(lián)起來后不滿足要求;或者無限擴(kuò)大化的采用電磁兼容控制措施，造成成本的成倍上漲，經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)而言，只有進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的綜合設(shè)計(jì)，才有可能達(dá)到滿意效果及合理的費(fèi)效比。可以從以下方面綜合考慮。 

3.1 設(shè)計(jì)約束

電磁兼容設(shè)計(jì)約束的優(yōu)先級(jí)并不比設(shè)計(jì)中的其他方面高，然而一些電磁兼容約束必須要盡可能清晰的同設(shè)計(jì)師系統(tǒng)和設(shè)計(jì)者溝通。如電源去耦，路徑分離，襯墊使用，殼體結(jié)構(gòu)等。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從電磁兼容的觀點(diǎn)來考慮機(jī)械設(shè)計(jì)方面的事項(xiàng)是相當(dāng)重要的。

首先設(shè)計(jì)殼體結(jié)構(gòu)時(shí)就必須知道它的屏蔽效能，這樣有助于其他區(qū)域的設(shè)計(jì)，這也會(huì)在很大程度上決定電磁兼容措施的應(yīng)用等級(jí)。如果需要在各模塊接觸面使用襯墊，那么設(shè)計(jì)者需要保證在應(yīng)用中具有最佳的屏蔽效能，考慮交界面，材料，壓縮和接觸面區(qū)域等。

其次要從電磁兼容的觀點(diǎn)來考慮系統(tǒng)的分割，將噪聲較大的電纜分離出來，電纜的分離對(duì)耦合路徑和電磁干擾性能有很大的影響，電纜的選擇包括是否需要屏蔽、雙絞等;在電路設(shè)計(jì)中根據(jù)電路功能和噪聲電平的不同分離電路，例如模擬電路，數(shù)字電路，電源電路都是要盡可能在物理上分離開來。

再次要注意系統(tǒng)布局，減少空間耦合。高靈敏度設(shè)備遠(yuǎn)離產(chǎn)生大功率干擾的設(shè)備，充分利用空間衰減特性;高靈敏設(shè)備與產(chǎn)生大功率干擾的設(shè)備利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行屏蔽。 

3.3 提高電源供電質(zhì)量

必要的精化設(shè)置電網(wǎng)，實(shí)行分網(wǎng)供電，減少電源的傳導(dǎo)耦合，加強(qiáng)電網(wǎng)的控制，合理使用電源，這樣可以有效的控制電源干擾;加強(qiáng)電源濾波，控制傳導(dǎo)干擾，一般情況一個(gè)系統(tǒng)是統(tǒng)一供電的，那么在什么地方濾波，采用何種方式濾波，幾級(jí)濾波需要綜合考慮。

3.4 地線網(wǎng)絡(luò)和接地設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中要保證一致接地的方針，統(tǒng)一設(shè)計(jì)合理采用各種接地方式，考慮潛在的地環(huán)路和靜電放電路徑，有利于增加系統(tǒng)的抗干擾性;系統(tǒng)一定要進(jìn)行綜合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，盡可能設(shè)置電源地，信號(hào)地;盡可能減小地電阻，要特別注重接地點(diǎn)的防松動(dòng)，防氧化功能的設(shè)計(jì);高靈敏設(shè)備的接地點(diǎn)要遠(yuǎn)離大功率設(shè)備的接地點(diǎn)，消除地電流耦合。

3.5 可制造性

在設(shè)計(jì)之初應(yīng)該充分考慮產(chǎn)品的可制造和可控制性，必須保證設(shè)計(jì)中的電磁兼容控制措施易于操作，可制造且成本較低。

參考文獻(xiàn)

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