北斗船用接收機電磁兼容電路設計與研究

莊新慶，鄒緒平，應士君

（上海海事大學 商船學院 上海 201306）

航運事業隨著國民經濟的增長得到了迅猛發展，不僅成為交通運輸的重要組成部分，也成為了帶動經濟發展的重要因素，船舶也正在朝著大型化、自動化的方向發展，隨之而產生的問題是船舶運輸的安全與高效。水上交通安全保障是關系到人民生命財產安全的國家公益性領域，衛星導航技術是重要的支撐技術。隨著我國北斗二代衛星導航系統的正式運行，北斗船用接收機的研究也正在如火如荼的進行。而在進行船舶電子設備研究和開發過程中，一個不可忽略的問題是電子設備的電磁兼容性(EMC)問題[1]。近年來，隨著造船工業和電子工業的迅猛發展，在現代船舶上裝備的各種電氣、電子設備也越來越多，并且越來越向著智能化復雜化的方向發展。印制電路板(Pr1ntedCireuitBoard,PCB)所處的空間相對狹小使得這些設備相互之間引起電磁干擾[2]，而這種干擾不但會影響設備運行的性能，情況嚴重時還會引起故障，造成事故。所以，使安裝在船舶上的電子通信導航設備具有優良的電磁兼容性能和抗干擾性能的研究在設備的整個研制過程中就顯得尤為重要。

1 接收機抗電磁干擾電路原理設計

北斗導航接收機主要由射頻前端、A/D 轉換器、基帶信號處理和導航解算部分組成。本文主要采用外部屏蔽和內部屏蔽措施來提高接收機的抗電磁干擾能力。射頻前端接收衛星的射頻信號，在整個系統中受電磁干擾影響最突出的部位，在設計中采取外部屏蔽的措施；電路采用模塊化的設計[3-4]，有利與減少印制電路板中導線直接形成的耦合干擾，系統電路原理設計框圖如圖1 所示。

2 接收機電磁兼容性研究

圖1 系統電路原理框圖Fig. 1 System diagram of hardware circuit

電磁兼容(EMC)一般是指電氣及電子設備在共同的電磁環境中能執行各自功能的共存狀態，即要求在同一電磁環境中的各個設備都能正常工作而又不互相干擾，達到“兼容”的狀態。也就是說EMC包括兩方面的含義：第一，電子設備或系統內部的各個元件、部件和子系統，在它們所處的內部和外部電磁環境中，能按原設計要求正常運行。第二，該設備或系統自己產生的電磁噪聲必須限制在一定的水平內，不造成嚴重電磁污染而影響其他設備或系統的正常運行。

電磁兼容所包含的上面兩個方面都涉及電磁環境這一概念，實際上電磁環境是由空間、時間和頻譜3個要素組成，所有需要解決的電磁兼容問題都脫離不開這3個要素。因此，控制電磁干擾源的輻射能量、切斷電磁干擾的耦合通道、提高被干擾設備或系統的抗干擾能力是電磁兼容性研究的主要內容[5]。

可見,為了使設計的北斗船載接收機終端系統穩定、可靠的工作，且具有較強的抗干擾能力，設計時全面考慮EMC設計是十分必要的。否則設計出的產品EMC試驗通不過，不但影響產品的安全性和可靠性，而且重新設計也要增加系統的開發周期和成本，從而帶來諸多不利的問題。EMC設計所采用的抑制元器件和重新設計所帶來的附加成本最小；確保產品在其使用環境中存在不可避免的外部噪聲時能夠正常工作。可以說，EMC設計與整個系統的技術或者功能性設計一樣重要。

2.1 船載終端電磁干擾的產生

電磁干擾是由電磁干擾源發射電磁能量,經過耦合途徑傳輸到被干擾設備。在船上系統的干擾源主要有：

1)各種電源電路的斷開和接通，使電壓或者電流驟變而成為干擾源；

2)遠距離的無線電干擾源，通過電磁輻射干擾北斗接收機模塊，將干擾直接耦合到終端系統；

3)雷達天線發射的電磁波對系統產生的干擾；

4)GPRS通信模塊在進行數據發射時產生的瞬間電流；5)操作人員自身的靜電荷，直接接觸系統時也會有放電現象，直接干擾系統。

以上電磁干擾源主要通過電源線、地線、信號線將干擾以傳導耦合的方式引入敏感單元；以公共阻抗耦合的方式傳播，這主要是不良的接地方式引起的；以輻射耦合的方式，載荷導線或元器件會輻射電磁場，因而元器件之間、導線之間、導線與元器件之間會通過分布電容或互感產生感應電壓；以導線間感應耦合方式，若線間距離較小、信號強、頻率高時會產生線間耦合[5]。電磁干擾對北斗接收機的影響及傳播示意圖如圖2所示。

圖2 電磁干擾傳播示意圖Fig. 2 diagram of EMI

2.2 電磁干擾抑制措施

船用電子設備的電磁兼容性設計必須達到兩個目的，一是通過優化電路和結構方案設計，將干擾源本身產生的電磁噪聲強度降低到能接受的水平；二是通過各種干擾抑制技術將干擾源與被干擾電路之間的耦合減弱到能接受的程度[6]。控制系統及設備通常采用屏蔽技術切斷干擾的傳輸途徑，采用接地技術來抑制強電設備運行時干擾源的發射，采用濾波技術和合理布線等提高敏感設備的抗干擾能力，在硬件電路設計和軟件設計等方面采取抗干擾措施[7]，并且有良好的PCB布局。本文主要從硬件電路設計（這部分將在3.3節做詳細的講解）來探討北斗船用接收機的抗電磁干擾和兼容性能。

2.2.1 屏蔽設計原理

屏蔽技術用來抑制電磁干擾沿著空間傳播，即切斷電磁干擾的傳輸途徑。通常用金屬材料或磁性材料把所需屏蔽的區域包圍起來，將電磁輻射屏蔽在系統外面，同時將系統的電磁輻射封閉在系統內部。由于交變電磁場通過金屬材料表面或由金屬材料表面包圍的孔眼時，金屬材料因感應電勢形成渦流而產生的磁場恰好與原來的磁場方向相反，可以抵消部分原磁場從而起到屏蔽作用。因此船舶電氣設備機柜盡量為鋼結構金屬屏蔽外殼，船用接收機的關鍵部位（接收機的設備射頻前端部分）應該采用金屬屏蔽殼。可以有效地防止屏蔽體外面電磁場進入設備內部，也防止或削弱設備向外發射電磁干擾[7]。

2.2.2 接地和濾波技術

船用電子設備選擇合理接地方式，信號采用隔離傳輸方式，與其他系統設備不共地。地線是信號流回源的低阻抗路徑，地線的阻抗不為零，當電流流過阻抗不為零的地線會產生壓降，形成干擾。克服地線干擾的關鍵是處理好各回路的接地設計。例如接收機或者其他設備電源板上DC-DC 變換源的開關線圈與射頻前端混頻地回路空間距離太近，前者漏磁場通過地回路在混頻輸入端產生一個開關調制信號，致使接收機機信噪比下降。在產品設計的時候應調整布局、系統設備接地、減小地回路面積、阻隔地環流。

濾波主要用于電源干擾和信號線干擾。常用的濾波裝置是濾波器。濾波器是由電感、電容、電阻或鐵氧體器件構成的頻率選擇性網絡，可以串聯到傳輸線中，對不需要的頻率進行抑制。濾波器設計的出發點是盡可能減小電源頻率的損耗，在其他頻率上則要盡可能地失配，利用濾波器的反射和吸收損耗性能達到抑制干擾傳播的目的。電源干擾濾波器通常采用低通形式，有時也采用有源選通形式。本文在電源輸入端均應加裝抗電磁干擾的電源濾波器并可用串聯和并聯RLC組合的形式。濾波器安裝時接地電阻的大小將直接影響到干擾抑制性能，只有正確安裝濾波器，才能達到預期效果[7]。

2.3 電磁兼容電路設計

2.3.1 射頻前端電路設計

接收機依賴于外部的RF信號，因而很容易受到RF干擾影響。由于天線視野范圍內所有衛星的GNSS信號都低于熱噪聲電平，若在設計時不考慮RF干擾對接收機硬件的影響，則接收機前端（模擬的）硬件需要相當大的增益和很小的動態范圍。接收機前端硬件有一定的動態范圍是很重要的，這將容許由元器件容差、老化以及溫度變化而引起的前端增益變化[8]。

射頻前端是北斗船用接收機最易受電磁脈沖影響的部位，為了降低或限制耦合到接收機系統的電磁脈沖能量，在射頻前端可采取限制天線的耦合、限制耦合能量傳播的系統內部的數量等方法。這個方法可采取各種形式的濾波器和限幅器來實現,本文采取模塊化設計，將濾波器及限幅器封裝在金屬殼內。從而有效地降低了射頻前端給接收機帶來的干擾，射頻前端電路如圖3所示。

圖3 射頻前端電路Fig. 3 RF front-end circuit

2.3.2 接口電路設計

目前船舶駕駛臺導航設備均采用RS-422接口進行數據互聯，由于接收器采用高輸入阻抗和發送驅動器比RS-232更強的驅動能力，允許在相同傳輸線上連接多個接收節點，所以RS-422支持點對多的雙向通信，采用全雙工通信模式，抗干擾能力強，能給ECDIS和雷達等導航設備提供實時北斗導航定位信息[9]。電路如圖4所示。

2.3.3 電源端口電路設計

船上電壓的變化（如過壓、欠壓、浪涌和瞬變電壓等）、持續噪聲或雜波以及瞬變所形成的電源干擾，主要是通過電源端口線傳入接收機終端的，干擾其正常工作。因此，電源端口的干擾抑制成為電磁兼容設計的重點。北斗衛星導航船用接收機終端的電源采用+5V供電，在電源端口處串接如圖5所示的前級抑制干擾濾波器。

通過以上的抗干擾措施，輸出的DC 3.3 V就比較干凈了，后接穩壓塊等向電子電路供電。該電路滿足IEC 61000-4-2，IEC 61000-4-3，IEC 61000-4-4，IEC61000-4-5等標準要求，并通過抗擾度試驗。

2.3.4 PCB電磁兼容設計

在電子設備的設計中，PCB 設計作為電子設備設計中的關鍵性基礎設計步驟，尤其在高速電子電路設備的設計中，PCB 的電磁兼容性設計可謂是關鍵中的關鍵，它的電磁兼容性的優劣直接影響著電子設備的性能。在PCB上有許多情況可以引起電磁干擾，在PCB設計階段采取措施解決此類電磁兼容問題非常重要[10]。

1)PCB 分層

圖4 RS-422接口電路Fig. 4 RS-422 interface circuit

圖5 端口電源電路Fig. 5 Port power supply circuit

圖6 PCB設計圖Fig. 6 PCB Design

從抑制電磁干擾的角度分析，多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因為具有一定電壓和較高頻率的印制板邊緣場會向空間輻射電磁能量。印制線間距比較小時，兩線之間會發生電磁串擾，串擾會使有關電路功能失常。

2)PCB 的布局

①以每個功能單元的核心器件為中心，其它元件圍繞它進行布局；

②盡量縮小高頻器件的連線；

③對于電源線、高頻信號線和一般走線之間要防止相互耦合；

④敏感器件布局時不能靠的太近，輸入輸出元件要遠離。

3)布 線

電源線布置應與地線布置結合起來考慮，以便構成特性阻抗盡可能小的供電電路。為減小供電電路的特性阻抗，電源線和地線應該盡可能粗，并且相互靠近，供電環路面積應該減小到最低程度，不同電源的供電環路不要互相重疊。根據PCB 電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻，合理的地線設計和過孔設計也能有效的提高系統的抗干擾能力，PCB設計圖如圖6所示。

3 結束語

船用電子設備電磁兼容性能否滿足設計規范要求，是設計產品的一個很重要的指標，文中首先從抗電磁干擾的接收機總體設計原理、船上電磁干擾源以及干擾源如何對北斗接收機造成干擾等方面進行研究和分析。提出了船載北斗衛星導航接收機在系統設計時的抗電磁干擾相應的優化措施。從系統關鍵電路原理設計（包括射頻前端抗電磁干擾電路、信號傳輸的接口電路、電源電路等）、PCB設計（包括板層設計、元件布局、布線、PCB底線、過孔等方面設計），都采用電磁兼容理論降低各種干擾。以上的設計在理論上滿足了船用電子設備電磁兼容性能要求，產品是否能滿足船用標準，還需要進行實船測試。文中主要是通過硬件以及外部條件來提高接收機的抗電磁干擾能力，也可以從軟件入手，在接收機系統軟件內部設計好防電磁干擾的程序，從而提高接收機的電磁兼容性能。

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