魚雷電磁兼容性問題分析及改進

亢 凱, 王凱國, 潘 進, 楊進候, 張 靜

魚雷電磁兼容性問題分析及改進

亢 凱, 王凱國, 潘 進, 楊進候, 張 靜

(中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

隨著武器系統平臺的電磁環境日益復雜, 對所裝載的武器電磁兼容性(EMC)要求越來越高。針對依據GJB151A-1997要求進行魚雷EMC試驗時, 測試項CE102和RE102試驗曲線均超出規定極限值的問題,為了使武器平臺與魚雷能夠更好的匹配工作, 通過分析多平臺使用條件下全雷系統的EMC改進案例, 對雷內電子組件的干擾源進行排查、定位, 得到雷內電磁輻射及傳導頻率特性, 并分別對魚雷系統內部電纜、電源、雷內電子組件和殼體結構等采取屏蔽、濾波和接地等有效改進措施, 最終順利通過該2項測試, 為后續魚雷的EMC設計提供參考。

魚雷; 電磁兼容性; 全雷系統

0 引言

在武器裝備領域, 良好的電磁兼容性(elec- tromagnetic compatibility, EMC)不僅關系到武器內電子系統能否協同匹配工作, 更關系到武器與裝載平臺的匹配性[1-2]。一旦兼容性不好, 將有可能造成武器在使用過程中發生嚴重的質量事故, 甚至安全事故。良好的EMC可以保障武器與裝載平臺在有限空間、時間和頻譜資源下正常工作而不產生性能降級[3]。

國內針對武器裝備的EMC研究工作尚處于起步階段, 主要有中國船舶七〇四所關于艦船電控設備的電磁兼容改進研究[4]、空空導彈研究院針對某型號產品的電磁干擾改進[5]、中國電波傳播所對某設備的電磁兼容測試改進[6]、中科院長春光學精密機械與物理研究所關于星載大容量固態存儲器的電磁干擾測試分析[7]、中電五十二所關于某機箱內部電纜電磁輻射的研究[8]。

但以上的研究大都針對的是功能相對單一的產品或其使用環境單一, 由于魚雷的多平臺使用環境, 導致雷內電子系統構成復雜, 對結構特性的要求也極為苛刻, 對整個魚雷的EMC設計都極具挑戰。文中將以魚雷的EMC改進案例進行分析總結, 為后續魚雷和其他武器裝備的研制積累經驗。

1 總體概述及EMC要求

魚雷內部電子系統主要由信號機、控制機、導航機、壓力傳感器和執行機構等組成, 在發射前利用外部直流電源供電, 經內部電源模塊變換成多種電源供其他電子設備使用。由于魚雷在射前工作中既是干擾源又是敏感設備, 考慮到雷內電氣特性及搭載使用平臺要求, 參考GJB151A- 1997和GJB152A-1997要求[9-10]對魚雷進行如表1所示的EMC測試項。

表1 產品EMC測試項

在標準電磁兼容實驗室按照規定對產品進行測試時, 其中測試項CE102、RE102均超出規定極限值。為保證產品與武器平臺的可靠匹配, 通過分析測試曲線, 結合雷內電氣和結構等特點, 制定了相應的EMC改進措施并加以驗證。

2 EMC試驗

2.1 電源線傳導發射試驗

電源線傳導發射試驗主要是為了測試產品工作時通過電源線以傳導的方式對外部武器平臺造成的干擾, 如果電源線上的傳導發射超標, 會導致武器平臺輸出電壓的波動, 將有可能造成武器平臺的故障, 從而影響到整個作戰系統的安全可靠性。

在標準電磁兼容實驗室按照國軍標要求進行CE102測試, 利用檢查臺供電, 電源正線上的測試曲線如圖1所示, 可以看到在1.5～8 MHz頻帶內測試曲線先整體上升后又逐漸下降, 并在相應的倍頻點處超過極限線值。

圖1 CE102測試結果

2.2 電場輻射發射試驗

電場輻射發射試驗主要是為了測試魚雷工作時通過電纜線和殼體向外輻射的電場分布情況, 如果電場輻射發射超標, 輻射干擾將會耦合到武器平臺的電纜或殼體上, 有可能導致武器平臺的使用故障。

在標準電磁兼容實驗室按照國軍標要求進行RE102測試, 魚雷分別在垂直和水平極化方向上的電場輻射曲線如圖2所示。

圖2 RE102測試結果

由圖可知, 在垂直極化方向上, 10～30 MHz頻率范圍內超出極限線, 最大處超過極限線值接近20 dBμV/m。在水平極化方向上, 20～40 MHz、80～ 100 MHz頻率范圍內超出極限線接近20 dBμV/m。

3 EMC超標原因分析

3.1 電源線傳導發射干擾原理

CE102在1～8 MHz頻率內超標的原因主要有: 內部干擾源通過傳導進入到電源線對外發射; 外界環境和雷內干擾源通過電場耦合至電源線后對外發射。由于在雷內存在開關電源、高速信號和非理想電源導線, 存在著分布電容電感, 工作時分別通過傳導和耦合進入到電源線產生共模和差模噪聲, 從而造成CE102測試項的超標。

改進流程如圖3所示, 針對電源線傳導發射超標一般可采取的措施有: 利用濾波器對干擾源進行隔離和雙絞屏蔽電源線。

圖3 CE102改進流程圖

3.2 電場輻射干擾原理

與電源線傳導發射相比, 造成電場輻射超標的原因更為復雜。對于電場輻射而言不僅僅需要對干擾源的傳輸途徑進行隔離, 還需要對雷內的干擾源進行定位改進, 具體流程如圖4所示。

3.2.1 電場輻射干擾源定位

形成電磁干擾的三要素為干擾源、傳輸途徑和敏感設備, 從干擾源處對干擾進行抑制是最為有效的方法[11]。首先對雷內干擾源進行隔離定位, 利用電池在雷內供電排除檢查臺、設定電纜等外界因素對試驗結果的影響, 具體流程如圖5所示。分別對雷內電子組件依次上電后測試, 并將所測曲線進行對比分析, 找到相應組件的超標頻率范圍。

圖4 RE102改進流程圖

圖5 魚雷內部干擾源隔離流程圖

圖6中采用電池供電, 發現僅當電源模塊上電, RE102測試項在6～10 MHz頻率范圍內已經超出規定的極限線值, 因此需要首先對電源模塊產生的電磁干擾進行改進。

在此基礎上將控制機上電, 發現在20 MHz頻率附近處明顯增高并超出極限值。將導航機和壓力傳感器上電后, 測試曲線整體保持不變, 沒有新的頻帶和頻點超標。將信號機上電后, 在0.1 MHz、20 MHz頻率附近處幅值變高, 在6～20 MHz頻率內曲線毛刺明顯變多。將執行機構上電后, 曲線在6～8 MHz頻率內增大并超出極限值, 在20 MHz頻率附近幅值變高。

圖6 組件依次上電后RE102在0.01～20MHz測試結果

通過排查定位可以得出, 雷內的電源、控制機、信號機和執行機構在不同頻點處電磁輻射較大, 導航機和壓力傳感器的電磁輻射較弱。

在20～100 MHz頻率內, 采用雙錐天線對執行機構、信號機和控制機進行排查定位, 得到如圖7所示曲線。

圖7 組件依次上電后RE102在20～100 MHz測試結果

由圖7可以看出, 對信號機進行上電后, 在50 MHz頻點處有尖峰產生, 在40～100 MHz頻率范圍內較未上電前曲線整體上移; 對控制機上電后, 在30、50、70 MHz頻率附近較未上電前曲線整體上移; 當執行機構上電后曲線整體與未上電前類似, 在20～30 MHz頻率范圍內倍頻點毛刺明顯增多, 經檢查是由執行機構中開關電源頻率引起的。

在信號機內部集成了多塊印制電路板(printed circuit boards, PCB), 經過排除隔離后, 圖8同時去掉信號機中模-數轉換(analog to digital, AD)和數-模轉換(digital to analog, DA)板后, 測試曲線在50～100 MHz頻率范圍內明顯下降, 在各個頻點處的尖峰也消失了。對信號機進行電磁干擾排查時發現DA板的晶振在PCB板的邊緣, 并且在DA板上的2個DA小板與DA板之間存在縫隙。

圖8 對信號機內部干擾源的定位

信號機中DA板晶振時鐘信號引腳上的電壓與魚雷殼體間存在寄生回路, 回路中的共模電流通過電纜線產生了共模輻射, 其中共模輻射電流[12]為

共模輻射公式

由式(2)可知, 電纜線上流過微安量級的共模電流足以造成輻射發射測試的超標[13]。其中的大小與晶振和殼體間的電場分布有關, 當晶振在DA板邊緣中間時, 與殼體間的電場分布如圖9所示。

圖9 晶振與殼體地間電場分布

從圖9可以看出, 當晶振在DA板中間時, 由于DA板中工作地平面的存在, 使得分布到魚雷殼體上的電場減少, 晶振與殼體間的寄生電容容值減少, 則共模電流值也相應減少, 從而導致共模干擾輻射有效降低。

3.2.2 電場輻射傳輸路徑定位

雖然從干擾源頭處理效果最為明顯, 但受制于空間體積和質量的限制, 從源頭難以進行處理, 而所有的干擾均通過一定的傳播途徑才能形成, 因此當對干擾源無法進行有效處理時, 切斷干擾源的傳播途徑成為最現實有效的方法。

利用近場探頭和頻譜分析儀對上電后魚雷的狀態進行檢測, 確定電場輻射發射的傳輸途徑和主要泄漏位置。通過檢測發現在殼體縫隙間存在電磁泄漏, 同時在檢查臺和設定電纜上存在著較大的電場輻射。

經過對干擾源與干擾源傳輸路徑的定位, 可以確認引起測試項RE102輻射超標的主要原因有: 1) 殼體結構的屏蔽效能不佳, 雖然殼體為金屬材質, 但由于艙段間及安裝蓋板上都涂有金屬保護漆, 不利于艙段間360°的電氣連續性; 2) 魚雷的設定電纜未做屏蔽處理, 裸露的電源線可等效為單極子天線; 3) 電源模塊、信號機和執行機構等本身就是很強的干擾源。

4 EMC改進及驗證

4.1 電源線傳導發射改進及驗證

通過在設定插座入口處添加濾波器, 利用共模電感和差、共模電容組成濾波電路接入設定電纜, 經過測試后發現傳導發射干擾的頻率發生了轉移, 在7 MHz頻率附近仍有大量頻點超出。排查原因后發現濾波器外殼通過一條導線連接到了魚雷外殼上, 導致在接地線上有一定的接地阻抗, 高頻噪聲經該阻抗路徑流過濾波器, 使濾波器失去效果。

重新設計濾波器結構, 將其改為面板插針式, 濾波器通過整面接觸到魚雷殼體上, 有效地減少了電源引線長度, 防止濾波前后電源線之間的互相耦合干擾。經過調整濾波器電容和電感的參數后, 重新測試后順利通過, CE102測試結果如圖10所示。

圖10 改進后的CE102測試結果

4.2 電場輻射改進及驗證

4.2.1 對干擾源的改進及驗證

通過對電場輻射干擾源的定位, 對不同輻射的組件采取相應改進措施并加以驗證。

首先是針對電源模塊的電場輻射超標, 由于在電源模塊中DC-DC模塊工作時產生較大的dd, 導致共模干擾增大, 并且由于共模電感中寄生電容的存在, 其對高頻干擾的抑制作用有限。在電源濾波模塊中加入47 nF和1 μF的共模電容, 得到新的測試曲線如圖11所示。

圖11 電源濾波模塊中添加共模電容后的測試結果

由圖可以發現, 在20～40 MHz頻率范圍內和80 MHz頻率處輻射強度有明顯降低, 說明魚雷內部的電場輻射干擾得到了有效抑制。

針對信號輻射超標的問題, 將信號機DA板上的晶振、2個DA小板及其之間的縫隙進行屏蔽處理, 并進行良好接地后, 在50 MHz和90 MHz頻率附近處試驗結果明顯降低。

針對執行機構出現的倍頻超標, 在電源輸入端處增加濾波器, 防止執行機構中電源開關頻率干擾反串至內部的電纜線上, 再通過殼體間的縫隙泄漏到空間中去。

4.2.2 對傳輸路徑的改進及驗證

按上一章傳輸途徑定位方式最終確認電纜是輻射發射的主要傳輸途徑。利用導電布和電磁防波套對設定電纜進行屏蔽處理, 保證屏蔽層的連續性和屏蔽阻抗的均勻分布后, 進行可靠接地。對魚雷內部所有的電纜互連線進行屏蔽處理, 并在連接器的插頭處進行360°環形包裹, 避免由于屏蔽阻抗的突變影響到屏蔽效果。定位到頭段的電場輻射超標問題, 利用屏蔽蓋板對魚雷頭段內的縫隙進行屏蔽處理并接地。

重新利用近場探頭對以上干擾源的傳輸路徑進行檢測, 發現電磁輻射已經得到了有效抑制, 對魚雷整體電場輻射的下降起到了一定作用。

對干擾源及其傳輸路徑進行有效改進后的RE102測試結果如圖12所示。

可以發現經過一系列改進措施后, 魚雷對外電場輻射強度得到了有效抑制, 不僅順利通過了RE102測試項并留有裕量。在垂直極化方向上, 10～30 MHz頻率范圍內電場輻射強度減少了約16 dBμV/m, 在其他頻率范圍內均有不同程度的下降; 在水平極化方向上, 20～40 MHz、70～90 MHz頻率范圍內電場輻射強度減少了23 dBμV/m, 在其他頻率范圍內均有不同程度的下降。

5 結束語

以往對EMC分析改進的對象為功能或使用環境單一的產品, 并且CE102和RE102測試項對大多數武器裝備而言又很難通過。文中通過分析多平臺使用條件下的全雷系統EMC的改進案例, 進行魚雷電磁干擾源及傳輸路徑的分析定位, 并分別采取相應的有效改進措施。最終試驗結果表明改進效果非常顯著, 對外的電場輻射強度得到了有效抑制。

文中的工作目前還處于對魚雷EMC的后期改進階段, 下一步將根據試驗數據和工程經驗將EMC設計融入到產品的設計周期中去。

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Analysis and Improvement of Electromagnetic Compatibility for Torpedo

KANG Kai, WANG Kai-Guo, PAN Jin, YANG Jin-hou, ZHANG Jing

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

In an electromagnetic compatibility(EMC) test of torpedo according to the standard GJB151A-1997, the test curves of CE102 and RE102 exceed the prescribed limit value. In order to solve this problem and to better match the weapon platform with torpedo, this study analyzes a case of EMC improvement of the whole torpedo system under the condition of multi-platform operation, investigates and locates the interference sources of the electronic components in the torpedo, obtains the frequency characteristics of the electromagnetic radiation and conduction in the torpedo, and separately improvements the cable, power supply, electronic components and shell structure of the torpedo by means of the measures, such as shielding, filtering and grounding. Finally, the torpedo successfully passes these two test items. This study may facilitate the EMC design of torpedo.

torpedo; electromagnetic compatibility(EMC); whole torpedo system

TJ630; O441

A

2096-3920(2021)03-0338-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.014

亢凱, 王凱國, 潘進, 等. 魚雷電磁兼容性問題分析及改進[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(4): 338-343.

2020-06-10;

2020-09-20.

亢 凱(1994-), 男, 碩士, 工程師, 主要從事魚雷電磁兼容性領域研究.

(責任編輯: 許 妍)