低頻低噪聲前放模塊的電磁兼容設計

涂永萍

（中船重工第七二二研究所，湖北武漢 430079）

低頻低噪聲前放模塊的電磁兼容設計

涂永萍

（中船重工第七二二研究所，湖北武漢 430079）

針對某前放模塊工作特點和環境，從屏蔽、接地和濾波目的和干擾產生的機理出發進行了電磁兼容性設計，分析了該設計在抑制噪聲中的應用和使用條件，證明了該設計對前放模塊的作用，為優化設計低噪聲模塊提供了有力依據。

電磁兼容；電磁干擾；屏蔽；接地

為了保證安裝在潛艇底層的前放模塊能正常工作，使其接收的微弱信號（n V級）不被淹沒，不僅需要其具有靈敏度高、低噪聲信號放大處理功能，更要有抵御外界電磁干擾的措施。

1 前置放大模塊電磁兼容性問題分析

1.1 環境特點

前置放大模塊（簡稱前放模塊）安裝在潛艇底層的傳感器根部，周圍存在著大量的干擾和噪聲。

1）收、放傳感器有很強的機械振動，潛艇的其他機械噪聲、螺旋槳噪聲、水動力噪聲等。

2）該頻段的大氣噪聲、工頻干擾。

3）雷達發射或電源的開關火花干擾等。

1.2 電氣特點

該前放模塊置于接收系統最前端，接收的信號特點如下：

1）接收的信號是低頻段、微弱信號（n V級）；

2）該頻段的電子元器件存在著1／f噪聲、熱噪聲、散離噪聲等［1］。

2 前放模塊電磁兼容設計

實現EMC是一個綜合性的設計，筆者從屏蔽、接地和濾波3方面考慮。

前放模塊包括匹配變壓器低噪聲放大器、低通濾波器和將它們罩起來的屏蔽盒（見圖1）。根據傳感器噪聲和阻抗特性，設計好前放，是信號通道低噪聲處理關鍵，也是抵御電磁干擾的有效措施。電磁干擾有兩種：輻射和傳導，通過屏蔽、接地和濾波處理，可以大大地減小這兩種電磁干擾，降低噪聲耦合。

2.1 屏蔽設計

2.1.1 設計原理

因為低頻電磁波的能量主要由磁場能量構成，須磁場屏蔽。磁場屏蔽的目的是消除或抑制直流或低頻交流磁場噪聲源與被干擾回路的磁耦合。本文設計的屏蔽盒主要是消除或抑制有用信號頻段的低頻噪聲（不能被濾波器濾掉噪聲），其有以下特點。

圖1 前置放大模塊

1）屏蔽材料的選擇。對屏蔽體而言，所選擇材料的類型對其需屏蔽的效能影響極大，要根據各自的頻段特點來選擇。對于頻率低的磁屏蔽，主要考察材料磁導率、磁飽和的性能。坡莫合金是Fe-Ni合金，具有很高磁導率、飽和磁化強度和低電阻率。屏蔽低頻，如50 Hz工頻最好用坡莫合金，純鐵次之。在低頻段由坡莫合金制備的屏蔽盒，利用其高磁導率、低電阻率構成磁力線使大部分磁場“包封”屏蔽體內。空腔的磁阻比鐵磁材料磁阻大很多，外磁場的磁感應線的絕大部分沿著鐵磁材料壁內通過，而進入空腔的磁通量極少。這樣，對保護前放模塊起到磁隔離作用，具有優異磁屏蔽效果。低磁阻通路示意圖，見圖2。

圖2 低磁阻通路示意圖

2）采用多層屏蔽。開始設計前要正確估算。其次，要正確評價能承受干擾場的大小。屏蔽很強的磁場時，僅用單層屏蔽材料，不足達到屏蔽要求，會產生飽和，增加厚度、組合屏蔽會達到更高的屏蔽效能［2］。采用多層屏蔽結構時，兩層屏蔽體間保留間隙。用高導磁率材料來提供磁旁路通道以降低屏蔽體內部磁通密度，并借用并聯分流電路分析方法，推導磁路并聯旁路的計算屏蔽體厚度公式［3］。如圖3所示屏蔽外磁路示意圖。圖中涉及物理量如下（個別量未標示）：H0為外磁場強度；Hi為屏蔽內空間的磁場強度；Hs為屏蔽體內磁場強度；ф0為空氣導磁率；R0為屏蔽內空間磁阻；фs為屏蔽材料導磁率；Rs為屏蔽材料磁阻；L為屏蔽體長度；W 為屏蔽體寬度；b為屏蔽體厚度；h為屏蔽體高度；A為磁力線穿過屏蔽體面積，A＝L×W。

μ在3.2～4之間取值。屏蔽體體積小、工藝水平高可取小值，反之取較大值。屏蔽體厚度與磁場強度關系見表1，μ取3.4。

圖3 屏蔽外磁路示意圖

表1 屏蔽體厚度與內磁場強度關系

3）屏蔽盒結構設計。大部分屏蔽體采用球形或圓柱體幾何形狀。在實際應用中，所給定的屏蔽體大小只要滿足需要，空間盡可能小；其次，屏蔽體的圓角要比尖角好，使磁力線旋轉90°是困難的，保持可提供低磁路或“最低磁阻路徑”是很重要的，每兩層屏蔽間留一點間隙，這樣可以提高屏蔽效能；再次，整個屏蔽體表面必須是導電連續的。有許多導電不連續，主要的是縫隙，會產生電磁泄露。解決的辦法：在結合面加入導電襯墊，在縫隙充入導電彈性材料。

2.1.2 屏蔽盒設計

1）雙層長方體套裝結構，分內層和外層，全用鐵鍛造，四周角邊為無縫鍛造成圓弧狀，僅一面為活動雙層蓋板。

2）內層長方體與外層長方體間距4 mm，每層長方體的鐵壁厚度都為4 mm。

3）在兩個長方體縫隙內，四周圍圈插入2～3層坡莫合金片（坡莫合金成品為帶狀，寬度極小，而且薄，易碎），接縫重疊。

4）長方體的活動雙層蓋板一面與長方體接合面加入導電襯墊，在接縫處涂上導電涂料，縮小螺釘間距離，保證接縫處金屬對金屬的接觸，以防電磁能的泄漏和輻射。

2.2 EMC接地設計

2.2.1 EMC接地干擾［4］

1）地電位差噪聲

因地線不是等位體，若系統或設備的不同部件采用不同接地點，則這些接地點之間往往存在或大或小的電位差，在一個沒有良好接地設施的試驗地，不同接地點之間電位差可達幾伏，即使在同一電路板不同接地點之間電位差也可達幾毫伏。

前放模塊工作頻率低，采用并聯單點接地式（即把整個電路系統中的一個結構點看作接地參考點，所有對地連接都接到這點上，并設置一個安全接地螺栓），低噪聲放大器和濾波器都接模擬地，屏蔽盒、低放和濾波器匯接一點接地。

式中：L為地線的長度，m；S為地線的截面積，mm2。

2）公共阻抗耦合干擾

當2個電路共用1段地線時，由于地線阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調制，這樣一個電路會耦合進另一個電路中，會產生公共阻抗耦合干擾。消除途徑：a）減小公共地線部分的阻抗，這樣，公共地線上電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合；b）通過適當接地方式，避免相互干擾電路共用地線，強、弱電電路和數、模電路地線分開使用；使用扁平導體做地線；并聯單點接地等。

如上所述，前放模塊采用并聯單點接地式，較好地解決避免了公共阻抗耦合干擾問題。

3）地環路干擾

地環路干擾是接地帶來的又一個電磁兼容問題。干擾現象常常發生在相距較遠的模塊、設備之間，模塊、設備通過較長的電纜相連。其產生的內在原因是地環路電流的存在。當將一個設備的安全地線斷開時，干擾現象消失。這是因為地線斷開時，切斷了地環路。這種現象常常發生在干擾頻率較低的場合。如圖4地環路干擾形成的示意圖。

解決的思路：a）減小地線阻抗，從而減小干擾電壓；b）增加地環路阻抗，從而減小地環路電流。

當阻抗無限大時，最簡單方法是將地環路斷開，如將一端設備浮地，或將線路板與機箱斷開。但出于靜電防護或安全考慮，這種方法實際上是不允許的。應采用隔離變壓器、光耦合、共模扼流圈等，采用高共模抑制比的差分前置放大器，對抑制地環路電流干擾是很有效的。

圖4 地環路干擾形成的示意圖

2.2.2 接地設計

前放模塊安裝在潛艇底層，它的主機在通信倉中，相距20多米。前置放大器采用高共模抑制比的低噪聲集成運算放大器制作，在主機設備中，還設計安裝了匹配隔離變壓器，它有2個作用：低頻信號匹配和隔離。實測中，有效地抑制了地環路干擾。用信號隔離變壓器隔離地環路如圖5所示。

2.3 濾波設計

信道的輸出噪聲帶寬越窄，信噪比改善越有效。為了提高信噪比，在保證有用信號必要的通頻帶的情況下，帶寬越窄越好。據此，設計安裝了一個低通濾波器。

前放模塊的濾波設計采用無源七階LC低通濾波器，為了保證信號的不失真傳輸，使無源濾波器工作在阻抗匹配狀態。設計的無源七階LC低通濾波器具有的優缺點如下。

圖5 隔離變壓器隔離地環路圖

優點：噪聲很小，無電源干擾，帶內平坦，衰減小于1 d B，帶外衰減大于50 d B／10倍頻。

缺點：電感、電容體積大，電感制作工藝繁瑣。

3 結 語

通過以上較全面的電磁兼容性設計，經測試，前放模塊有關電磁兼容性指標全部合格，達到中國對于軍用設備的干擾防護及兼容標準；而且獲得了高靈敏度、低噪聲系數的良好特性。本模塊已安裝于某通信收信系統中，較好地完成高背景噪聲下，極微弱通信信號的放大，對收信效果起到了重要作用。

［1］ 曾慶勇 .微弱信號檢測［M］.杭州：浙江大學出版社，1994.

［2］ 錢照明，程肇基.電磁兼容性設計基礎及干擾抑制技術［M］.杭州：浙江大學出版社，2000.

［3］ （美）佛雷德里卡·M·特奇，（瑞士）米歇爾·V·艾諾茨，（瑞典）托比杰恩·卡爾松.EMC分析方法與計算模型［M］.呂英華，王旭瑩譯.北京：北京郵電大學出版社，2009.

TN911.4

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1008-1542（2011）07-0025-03

2011-06-26；責任編輯:馮 民

涂永萍（1967-），女，湖北武漢人，工程師，主要從事模擬電路方面的研究。