顯控臺電場輻射發射超標診斷及整改方法

掌孝政

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 222006）

1 顯控臺電場輻射發射超標診斷及整改方法

1.1 顯控臺電場輻射發射超標診斷及整改方法思路

在顯控臺電場輻射發射超標診斷時，工程師需要結合同類產品的歷史數據、工程經驗及EMC 理論知識[1]，對電磁干擾的頻率、幅值及耦合方式進行分析，觀察所有可能引起干擾的因素——電源、接地[2]、互連電纜、屏蔽[3]、高速數字開關元件等，依次檢查設備的每一部分。顯控臺電場輻射發射超標診斷的一般思路如圖1所示。

圖1 顯控臺電場輻射發射診斷的一般思路

顯控臺電場輻射發射超標整改是一個循序漸進的過程。在電磁兼容標準中，所有測量結果均是以dB 為單位的，功率、電壓、電流的計算公式如下：

式中：

PdB—整改后設備輻射功率改善量；

P2—整改后的設備輻射功率；

P1—整改前的設備輻射功率。

式中：

UdBuV—整改后設備輻射電壓改善量；

U2—整改后的設備輻射電壓；

U1—整改前的設備輻射電壓。

式中：

IdBuV—整改后設備輻射電流改善量；

I2—整改后的設備輻射電流；

I1—整改前的設備輻射電流。

在整改過程中，測試數據顯示的整改效果是整改前與整改后的比值。顯控臺整改示例可參見文獻[4，5]中附錄A。

1.2 顯控臺電場輻射發射超標診斷方法

顯控臺電場輻射發射超標診斷方法主要有以下幾種：

1）排除法

主要用于判斷設備內某一獨立工作的電路是否存在電場輻射超標問題或判斷系統內可獨立工作的某一設備是否存在電場輻射超標問題，排除法可將電場輻射超標診斷范圍縮小至設備級或電路級。

2）替代法

替代法是將設備內的某一電路或系統內的某一設備用模擬負載或用無電場輻射超標問題的設備替代，用以確定電路或分系統是否存在電場輻射超標問題。

3）測試法

診斷測試一般利用近場探測設備，測試局部的電場場強、磁場場強或時域波形、幅度等。診斷測試可以快速確定產生電場輻射超標的主要原因，確定干擾源的位置和耦合途徑，并驗證改進措施效果，進而為快速、準確的解決電場輻射超標問題創造條件。

電磁兼容故障診斷方法一般分為設備級和系統級。設備級診斷主要關注電源上的傳導干擾、機箱泄漏、信號線和控制線等部位；系統級診斷一般采用排除法、替代法，重點關注設備間的相互干擾。在工程上，使用近場探頭進行輻射干擾定位時，將近場探頭沿被測試設備移動，尋找干擾最大處；或將探頭置于選好的檢測點，用頻譜分析儀檢測干擾的幅度、重復頻率和波形參數。針對測得的干擾，一般從以下幾方面考慮：

①測得的干擾是否與電源開關頻率及諧波有關；

②測得的干擾是否與顯示器產生的電場輻射干擾有關；

③測得的干擾是否與互連電纜、連接器的電場輻射干擾有關；

④測得的干擾是否與設備接地有關；

⑤測得的干擾是否與時鐘頻率的諧波有關；

⑥測得的干擾是否與晶振頻率及諧波有關；

⑦測得的干擾是否由于有源器件的非線性和無源器件銹蝕等非線性特性影響導致組合干擾。

在解決電場輻射超標問題時，最重要的一個問題是判斷干擾的來源。只有準確將干擾源定位后，才能夠提出解決超標的措施。根據信號的頻率來確定干擾源是最簡單的方法，因為在信號的所有特征中，頻率特征是最穩定的，并且電路設計人員往往對電路中各個部位的信號頻率都十分清楚。因此，只要知道了干擾信號的頻率，就能夠推測出干擾是哪個部位產生的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄，因此能夠將與干擾信號頻率不同的信號濾除掉，精確地測量出干擾信號頻率，從而判斷產生干擾信號的電路[6]。對于電場輻射干擾信號，用頻譜分析儀做這種測量是十分簡單有效的。

1.3 顯控臺電場輻射發射超標整改方法

影響顯控臺電場輻射干擾的主要因素有：電源線及互連電纜、機箱屏蔽、顯示單元、操控模塊等。顯控臺輻射超標整改方法的一般流程如圖2 所示。

顯控臺電場輻射發射測試[7]應滿足GJB 151B-2013[8]中5.20 章節“ RE10210 k～18 GHz 電場輻射發射”的相關規定。當顯控臺存在電場輻射超標時，首先應考慮的是電纜輻射，其次是顯示屏、操控模塊、機箱等。電纜輻射超標的診斷最常用的方法是排除法，即先將顯控臺的外接電纜全部拆除，判斷顯控臺電場輻射超標是否由信號電纜導致。如果拆除信號電纜后，顯控臺電場輻射滿足標準要求，則將信號電纜逐根接上，記錄每根電纜接上后輻射干擾數據，直到輻射干擾再次超標，則最后接上的電纜為輻射干擾源，可采取響應的屏蔽或濾波措施，信號電纜屏蔽層通常采用360 °環接方式。重復該過程，直到所有電纜都接上為止。如果在接上斷開電纜過程中，每次輻射干擾電平僅僅變化很少（3 dB ～6 dB），則意味著所有的電纜對輻射干擾均有影響，采取進一步措施確定顯控臺內部的輻射干擾源，或對所有信號電纜采取措施。顯控臺電纜輻射超標整改方法如圖3 所示。

圖2 顯控臺電場輻射干擾整改方法流程圖

圖3 顯控臺電纜輻射干擾整改方法流程圖

如果拆下所有信號電纜后，顯控臺仍存在輻射干擾超標現象，則干擾輻射源可能是電源電纜或顯控臺本身。如果干擾源為電源電纜，將電源電纜屏蔽層采用360 °環接方式，若仍然超標，可以采用傳導干擾故障診斷方法進行定位，改善電源端的接地，或在電源前端加裝濾波器等措施進行整改；如果干擾源為顯控臺本身，可采用近場探頭法進行故障定位。一般來說，低頻（＜200 MHz）輻射發射問題是與電纜物理長度相關的典型電纜線問題。當電纜或設備的物理尺寸接近1/4 或1/2波長時，電纜就會變成一個有效的輻射源。而對于高頻輻射，一般由外殼造成的，因為一般縫隙的物理尺寸接近高頻波長的1/4 或1/2 倍。

通過上述分析，可知顯控臺的各功能部件的頻帶重疊現象嚴重，因此，在產品研制或符合性測試時，針對出現的電場輻射干擾信號，需進行相關性分析或使用近場探頭，對信號源進行準確定位。

近場探頭可以有效的進行輻射源定位，一般情況下，顯控臺近場測試主要關注點包含：機箱上的縫隙、連接器、孔（通風孔等），顯示屏，操控模塊，外部電纜，內部電纜或導線接頭，電源屏蔽密封材料等。使用近場探頭時，在可能的輻射源（縫隙、連接器、電纜等）附近緩慢移動，記錄每個輻射源的干擾頻率及電壓，輻射電壓最高點可能是輻射干擾的泄漏點。

近場測試故障診斷示意圖如圖4 所示。

如果泄漏來自于顯控臺電纜，可以用電流探頭測量電纜上的干擾電流，電纜的輻射強度（E）與電流（I）的關系如下式：

當L＞l/2 或l/4 時：

式中：

E—電纜的輻射強度；

I—電纜上的共模電流；

L—電纜長度；

f—共模電流頻率；

D—天線與電纜距離。

電纜的輻射強度與電流電平成正比，如需降低電纜輻射電平，只需要采取措施降低電纜干擾電流即可。

由于電場輻射干擾大都由設備內部產生，如需進一步抑制輻射干擾，還需要對顯控臺內部電纜、印制板、元器件進行近場測試。如在印制板上直接測量到較強的輻射，則需要對印制板布局、走線進行整改或進行去耦設計[9]。

在明確顯控臺主要電場輻射干擾源及整改措施后，需從經濟性及可實現性的角度出發，對整改措施進行分類，并對每一項措施對設備電場輻射發射的影響進行驗證，在滿足顯控臺電場輻射發射指標的前提下，剔除經濟性差、不容易實現的整改措施，并根據驗證結果對顯控臺的研制、設計方案進行修改，以提高顯控臺的電場輻射發射性能。

2 顯控臺整改示例

假設某顯控臺有5 處潛在的電場輻射發射干擾源，其電場輻射發射分別占總輻射量值的50 %、30 %、15 %、4 %和1 %。

將五個干擾源全部處理完畢后，總的改善量為：65 dB。整改后效果如圖6 所示。

圖4 近場探頭故障診斷示意圖

如果將整改順序改變一下，首先整改第三大干擾源，則整改測量結果將發生較大變化：

2）解決最大干擾源，測量結果改善量為：

3）解決第二大干擾源，測量結果改善量為：

4）解決第四大干擾源，測量結果改善量為：

5）解決第五大干擾源，測量結果改善量為：

此時，總的改善量只有16.6 dB。如果再返回來考慮采取解決第三大干擾源的問題，測量結果的改善量為：，如圖7 所示。

通過該整改示例可知，電場輻射干擾源的整改順序對整改結果有著非常重要的影響，合理的選擇干擾源整改順序有助于高效、快捷地解決電場輻射干擾問題。

3 結束語

本文對海軍艦艇顯控臺的特點進行簡要闡述，從電源、接地、互連、部件等方面對電子信息裝備的電磁兼容性及影響因素進行分析。對海軍艦艇顯控臺的電磁兼容故障診斷技術進行了深入的研究，對電磁兼容故障診斷過程進行了詳細闡述，提出了電子信息裝備電磁兼容性故障診斷方法及常見電磁兼容性故障的整改辦法；采用化整為零，模塊化分析方法。針對顯控臺的加固計算機、加固液平板顯示器、觸摸屏、觸摸球、搖桿以及數字小鍵盤等各個模塊進行分析。從而找到顯控臺可能存在的電場輻射發射超標的問題。并針對各個模塊給出整改措施。

圖6 某顯控臺電場輻射發射整改效果示意圖（一）

圖7 某顯控臺電場輻射發射整改效果示意圖（二）