中波歸航機的電磁兼容優(yōu)化設(shè)計＊

夏 敏 王玉龍

（海軍駐嘉興地區(qū)通信軍事代表室 嘉興 314033）

1 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和信息化的發(fā)展，艦艇上裝備了大量的電子設(shè)備，使得艦艇的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁干擾（Electromagnetic Interference—EMI）問題越來越嚴(yán)重。為了保證各種電子設(shè)備能夠相互兼容地工作，GJB151A-97對設(shè)備和分系統(tǒng)的傳導(dǎo)、輻射、敏感性和抗干擾性均提出嚴(yán)格的界限要求。以下針對某型中波歸航機設(shè)備電磁兼容測試未達(dá)標(biāo)的項目，簡要分析了產(chǎn)生電磁干擾的原因，重點探討相關(guān)電磁兼容優(yōu)化設(shè)計的方法。

2 EMC設(shè)計特點和原則

產(chǎn)品的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility—EMC）包含兩個方面的含義［1］：一是產(chǎn)品在自己所產(chǎn)生的電磁環(huán)境及它所處的外部電磁環(huán)境中，能夠可靠、正常地工作，也就是說它對電磁干擾具有一定的抗擾度。二是產(chǎn)品本身所產(chǎn)生的電磁噪聲必須限定在一定的電平下，使它不至于對它周圍的電磁環(huán)境造成嚴(yán)重污染和影響其他設(shè)備的正常工作。

EMC設(shè)計與常規(guī)電路設(shè)計不同，它是針對EMI來進(jìn)行設(shè)計的。眾所周知，電子電路設(shè)計通常是按電路圖進(jìn)行的，在電路設(shè)計過程中我們往往只關(guān)注電路本身信號的處理，而忽略了電路中的寄生參數(shù)以及元器件之間的相互耦合等因素造成的影響，也就遺留了產(chǎn)生EMI的隱患。

根據(jù)EMC理論知識可知，只有當(dāng)干擾源、耦合途徑、敏感源三者同時存在時，才會產(chǎn)生EMI問題，三者缺了任何一個就不會出現(xiàn)EMI問題。通常電子設(shè)備既是干擾源又是敏感源。EMI的耦合途徑可分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩類。傳導(dǎo)耦合是指電磁噪聲的能量在電路中以電壓或電流的形式，通過金屬導(dǎo)線或其他元件（如電容器、電感、變壓器等）耦合到被干擾設(shè)備；輻射耦合是指電磁噪聲的能量以電磁場能量的形式，通過空間輻射傳播，耦合到被干擾設(shè)備。

EMC的設(shè)計原則就是針對干擾源、耦合途徑、敏感源中的一個或幾個，采取某些技術(shù)手段來消除或抑制其影響，從而使產(chǎn)品獲得較好的電磁兼容性。一般來說，EMC設(shè)計的關(guān)鍵是找出干擾源和敏感源，然后采取適當(dāng)?shù)母蓴_抑制措施來消除干擾。

3 EMC問題分析與對策

按國軍標(biāo)GJB151A-97的要求，中波歸航機一般進(jìn)行十項電磁兼容性考核測試，即 CE101、CE102、CE106、CS101、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103。從某型中波歸航機屢次參加電磁兼容試驗的情況來看，不易通過的是CE101—電源線的傳導(dǎo)發(fā)射的測量，CE106—天線端子傳導(dǎo)發(fā)射的測量，RE102—電場輻射發(fā)射的測量這三項。下面針對CE101、CE106和RE102來分析設(shè)備電磁干擾的產(chǎn)生機理和相應(yīng)的抑制措施。

3.1 天線端子傳導(dǎo)發(fā)射

CE106是考核發(fā)射機和接收機天線端子傳導(dǎo)發(fā)射的。根據(jù)中波歸航機設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，該項測試的試驗頻率為10kHz～16MHz，天線端子傳導(dǎo)發(fā)射在待發(fā)狀態(tài)不應(yīng)超過34dBμV，在發(fā)射狀態(tài)除二次和三次諧波以外的所有諧波發(fā)射和亂真發(fā)射均應(yīng)至少低于基波電平80dB，二次和三次諧波應(yīng)抑制70dB［2］。從上可以看出該項測試主要考核中波歸航機輸出端子的諧波抑制和雜波抑制。

中波歸航機輸出信號的諧波和雜波含量與激勵器、功放、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以及調(diào)制電路的性能相關(guān)。為了提高中波歸航機的整機效率，減小的體積和重量，它采用脈寬調(diào)制方式工作，其高頻功率放大器和脈寬調(diào)制器都工作在開關(guān)狀態(tài)［3］，高頻功率放大器輸出的射頻矩形波（調(diào)制時為幅度調(diào)制的射頻矩形波）。矩形波的傅立葉級數(shù)表達(dá)式為［4］

從上式可以看出，高頻功率放大器輸出的射頻信號中奇次諧波分量非常豐富。為了保證中波歸航機的諧波和雜波衰減量在70dB以上，在高頻功率放大器和天線調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)之間加入一個由串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路組成的諧波濾波器，對射頻輸出信號的諧波進(jìn)行濾波［5］。在前級電路中應(yīng)用移相消除諧波技術(shù)，減少高頻功率放大器輸出的射頻信號中的諧波含量。此外，高頻各單元的布置按高頻信號大小順序排列，使其符合不同功率等級的高頻單元分離布置的EMC原則，各高頻單元采用鋁合金獨立屏蔽，各單元間的連接采用雙屏蔽電纜，以減少因高頻信號的交叉耦合而產(chǎn)生的雜波干擾。采用上述措施后，某型中波歸航機的CE106的測試結(jié)果如圖1（b）所示，圖1（a）為實施上述措施之前的測試結(jié)果，從圖1可看出雜波抑制約提高了21dB滿足GJB151A-97的要求。

圖1 CE106測試結(jié)果

3.2 電源線傳導(dǎo)發(fā)射

CE101、CE102是考核設(shè)備電源線傳導(dǎo)發(fā)射的，其中CE101—測量25Hz～10kHz范圍的電源線傳導(dǎo)，CE102—測量10kHz～10MHz范圍的電源線傳導(dǎo)。中波歸航機的內(nèi)部供電電源采用高頻開關(guān)電源，而開關(guān)電源的突出缺點就是產(chǎn)生較強的EMI［6］。開關(guān)電源內(nèi)產(chǎn)生EMI的主要部件是高壓整流濾波、功率變換和輸出整流濾波電路。首先大多數(shù)開關(guān)電源采用橋式整流器和一個大容量濾波電容從交流220V中獲取直流電壓。由于濾波電容的存在，只有當(dāng)瞬時交流電壓超過電容電壓時，整流管才導(dǎo)通，電源從交流220V中獲得電能，此時濾波電容產(chǎn)生較大的尖峰充電電流，這些尖峰電流諧波含量豐富，因此造成供電線路的功率因數(shù)很低，一般在0.5～0.7之間，這將直接造成CE101、CE102超標(biāo)（如圖2（a）所示）。

針對上述分析，就抑制電源線傳導(dǎo)而言，最直接的方法就是在電源輸入端口加裝EMI濾波器，這里我們采用在開關(guān)電源抽屜內(nèi)側(cè)的供電輸入端口處接入一個埃德產(chǎn)的高性能EMI濾波器，該濾波器具有優(yōu)良的共模和差模插入損耗特性，可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向供電線路反傳的干擾，也可以抑制來自供電線路的噪聲對開關(guān)電源的侵害，同時對電源線上的輻射干擾也具有顯著的抑制效果。為了進(jìn)一步改善開關(guān)電源的電磁兼容性能，在電路設(shè)計中采用有源功率因數(shù)校正電路來替代橋式整流濾波電路［7］，使得線路的功率因數(shù)達(dá)到0.99，大大減少對供電線路的電磁干擾。經(jīng)測試電源線傳導(dǎo)發(fā)射滿足要求，如圖2（b）所示。

圖2 CE101測試結(jié)果

3.3 電場輻射發(fā)射

RE102是電場輻射發(fā)射的測量，主要考核設(shè)備對外的電磁輻射，對中波歸航機該項測試的試驗頻率為10kHz～16MHz。中波歸航機內(nèi)部有開關(guān)電源、高頻放大電路、脈寬調(diào)制電路等，它們都不可避免地產(chǎn)生電場輻射。解決電場輻射問題的途徑一般有兩種，1）通過電路的改進(jìn)，減少輻射源的能量；2）通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)加強屏蔽，抑制輻射。

眾所周知，防止電子設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾的典型方法是采用金屬機殼對電磁場進(jìn)行屏蔽［8］。中波歸航機設(shè)備采用鋁合金機柜，內(nèi)部的激勵器、高頻放大單元、脈寬調(diào)制單元、諧波濾波器以及天線調(diào)諧回路均采用鋁合金盒或插箱。理想的屏蔽體應(yīng)是在空間上連續(xù)的、無孔的和無縫的，這樣外界的干擾進(jìn)不去，內(nèi)部的輻射出不來，但在實際工程中這樣的屏蔽體是不存在的，設(shè)備上至少必須有電線接孔，這樣便會造成屏蔽泄漏。在設(shè)計制造過程中，為了降低制造成本，鋁合金屏蔽盒、插箱以及機柜均采用拼板式，這就造成固定表面存在接縫，理想的狀況應(yīng)該是接縫是平整的、連續(xù)的和合適的，但在實際中固定表面會存在一定的不重合度，也就是接縫的不平整，接縫的不平整就會造成電磁泄漏。另外，設(shè)備上的接插件安裝孔、通風(fēng)孔以及顯示窗口等都會造成電磁泄漏。在中波歸航機設(shè)計制造中采用銅導(dǎo)電箔帶、銅鍍銀導(dǎo)電橡膠、鈹銅簧片、高性能屏蔽窗以及防塵屏蔽通風(fēng)板等EMI屏蔽材料來解決電磁泄漏問題。

在設(shè)備使用和維護(hù)過程中不需要拆卸的零件形成的接縫采用銅導(dǎo)電箔帶來密封接縫；對于需要拆卸的接縫采用銅鍍銀導(dǎo)電橡膠，它是一種用銅鍍銀粒子填充的硅橡膠，具有良好的導(dǎo)電性，能提供良好的屏蔽效果；對于接插件安裝孔采用銅鍍銀導(dǎo)電橡膠制成的連接器襯墊，這些襯墊能同時起到屏蔽和環(huán)境密封的作用；對于插箱之間接縫的屏蔽采用鈹銅簧片，它是耐用的金屬條，具有極高的舒張阻力—完全消除了壓縮永久形變；顯示窗口的屏蔽采用高性能屏蔽窗［9］，它是一種在兩層玻璃之間嵌入低阻抗的金屬絲網(wǎng)，能在干擾惡劣的環(huán)境中提供最佳的透光和EMI屏蔽；設(shè)備底部通風(fēng)口采用防塵屏蔽通風(fēng)板進(jìn)行屏蔽，它由鋁合金拉制網(wǎng)屏、電磁干擾襯墊和鋁合金金屬絲纖維網(wǎng)屏三層壓制而成，具有良好的通風(fēng)性和屏蔽效能。

中波歸航機的工作在中長波段，工作射頻頻率低，且射頻通道工作在開關(guān)狀態(tài)；另外，所采用的開關(guān)電源工作頻率在100kHz～120kHz之間，產(chǎn)生的雜波也集中在低頻段。因而中波歸航機在低頻段產(chǎn)生的電磁干擾比一般通信設(shè)備要豐富的多，干擾能量也大的多。由于屏蔽材料在低頻段，屏蔽效能以反射損耗為主，而在高頻段則以反射損耗和吸收損耗相疊，這樣屏蔽材料的屏蔽效能在低頻段比高頻段要差很多。因此對于中波歸航機來說，只采用屏蔽措施RE102是很難達(dá)標(biāo)的，要使RE102能達(dá)標(biāo)還必須從電路采取措施減少輻射源的能量。在中波歸航機電路設(shè)計中采取的主要措施有：

1）對射頻功率放大電路采用過驅(qū)動，減少功放管開通時間，在功放管反向并接快恢復(fù)二極管，縮短功放管關(guān)斷時間，從而減少了射頻功率放大電路開、關(guān)產(chǎn)生的雜波能量。

2）開關(guān)電源采用移相諧振軟開關(guān)技術(shù)，極大降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁干擾。

3）改進(jìn)射頻變壓器和開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換變壓器的繞制工藝，減少變壓器的漏感和分布電容。

4）在電路關(guān)鍵部位嵌入RC或LC吸收回路［10］，減少開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾。

5）優(yōu)化PCB設(shè)計：減小大電流回路所包圍的面積，特別是射頻輸出功率變壓器與功放管、開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換變壓器與開關(guān)管等；注意相鄰線間的信號性質(zhì)和間距，以避免產(chǎn)生串?dāng)_；采用加錫方式來加寬大電流走線，以減小線阻和地線阻抗。

采用上述措施設(shè)計的中波歸航機，RE102的測試結(jié)果如圖3（b）所示，達(dá)到了GJB151A要求。而應(yīng)用上述措施之前設(shè)計的中波歸航機RE102測試結(jié)果如圖3（a）所示，最大超標(biāo)約為17dB。

圖3 RE102測試結(jié)果

4 結(jié)語

通過落實上述措施，使得中波歸航機最終通過了相關(guān)電磁兼容性測試。可見要解決設(shè)備的EMC問題，不能簡單依靠事后補救，而應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計階段，從產(chǎn)品的電氣性能著手分析，綜合運用EMC的設(shè)計理論并結(jié)合工程經(jīng)驗靈活處置，才能使產(chǎn)品的EMC性能得以改善。

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