某型光電跟蹤儀電磁兼容性改進設計

祝劉坡，王威,2*

（1.成都新欣神風電子科技有限公司，成都 611731；2.西南交通大學 電氣工程學院，成都 610000）

引言

光電跟蹤儀是安裝在驅逐艦、護衛艦及航母等平臺的一種光電偵察系統，可以完成在海上惡劣條件下對特定目標的實時偵察及測距功能，是目前現代化武器裝備系統中很重要的構成部分[1]。設備內部由電視、紅外熱像儀、激光器等主要器件組成。為保證光電跟蹤儀在復雜的電磁環境下有穩定的性能體現，所以必須優化設備的電磁兼容性能，使其滿足GJB 151B-2013標準的電磁發射和電磁抗擾度要求[2]。

1 設備簡介

某型光電跟蹤儀設備由控制機柜、接線箱、激光電源、光電指向器和模擬操縱臺幾部分組成，設備連接框圖如圖1所示。

圖1 設備連接框圖

光電跟蹤儀是由外部220 VAC/50 Hz供電，經控制機柜內部AC/DC模塊轉換為300 VDC后，再經DC/DC模塊轉換成28 VDC、80 VDC等分別給激光電源和光電指向器供電。控制機柜內部的風機直接由外部220 VAC/50 Hz供電。

2 電磁兼容性要求

該光電跟蹤儀屬于海軍水面艦船平臺，其內部所有分系統或單體設備應滿足GJB 151B-2013標準[2]的電磁發射和電磁抗擾度相關要求，具體試驗項目見表1所示。

表1 系統單體設備/分系統電磁兼容性要求

3 電磁兼容存在的問題及原因分析

3.1 存在的主要問題

在電磁兼容實驗室按照圖1連接設備，光電跟蹤儀處于正常工作狀態，模擬操縱臺上電視和熱像圖像輸出正常。正常工作狀態下設備的CE102電源線傳導發射和RE102電場輻射發射這兩項出現超標，測試曲線分別如圖2和圖3所示；其他9個項目均滿足GJB 151B-2013標準的電磁發射和電磁抗擾度要求。

圖2 整改前光電跟蹤儀CE102測試曲線

圖3 整改前光電跟蹤儀RE102測試曲線

圖2為設備電源線線傳導發射CE102的測試曲線，可以看出在300 kHz～4 MHz頻段內出現寬帶超標現象；電源線零線和火線的測試結果基本一致。圖3為設備電場輻射發射RE102的測試曲線，可以看出，設備在200 kHz～200 MHz頻段范圍內超標，超標頻率范圍較寬，是典型的寬帶輻射發射超標問題，200 MHz～1 GHz頻段范圍內還有少量頻點出現超標現象。

3.2 CE102超標原因分析

光電跟蹤儀CE102在（1～3）MHz頻段超標最嚴重，超過限值20 dB/uV以上，這個頻段的干擾主要是共模噪聲引起的，其可能原因是設備在工作過程中，電磁干擾通過電源線傳導至設備供電輸入端，引起了設備電源零線和火線上的電源傳導干擾超標；而光電跟蹤儀電源輸入端的濾波器對于共模干擾抑制效果較差，高頻的電磁干擾無法得到抑制，所以導致CE102測試超標。經分析輸入濾波器的內部電路發現，其僅有一級共模濾波，用于繞制共模電感的磁環為鐵氧體材質，且電感量較小，僅有570 uH。此濾波電路對于AC/DC電源的傳導干擾抑制功能較弱，不能滿足測試要求。

3.3 RE102超標原因分析

針對RE102超標問題，分析是由于光電跟蹤儀在工作過程中，AC/DC電源模塊和驅動模塊在發射頻點上的諧波分量和雜散分量，會通過整個空間和設備之間的互聯線纜耦合到各個模塊的供電電源線、控制機柜與光電指向器之間的信號線、控制機柜到模擬操縱臺的網線和視頻線上，產生天線效應[3]，引起RE102在200 kHz～200 MHz整個寬頻段范圍內都出現超標現象。200 MHz～1 GHz頻段范圍內少量頻點出現超標主要是因為設備機箱的屏蔽效果不佳，以及電視、熱像和激光光學鏡頭處存在電磁泄漏的風險。

4 電磁兼容性改進設計

4.1 CE102改進設計

為解決設備電源線傳導發射CE102項目超標問題，采取了以下措施：

一是在原有的一級濾波電路基礎上又增加了一級共模濾波；

二是將繞制共模電感的磁環由鐵氧體材質更換為非晶納米晶材質，其共模電感量由570 uH增加到3.8 mH；

三是將光電跟蹤儀220VAC電源濾波器的輸入端線纜與濾波后的輸出端線纜改為雙絞屏蔽線纜，并分開走線，避免交叉，相互耦合[4]；

四是電源濾波器殼體和設備機殼之間通過不銹鋼螺釘固定，使得濾波器外殼保持良好接地，盡可能降低接地阻抗。

通過以上四種措施可以有效的抑制系統內部的電磁干擾通過光電跟蹤儀的供電電源線傳輸到系統外部，從而保證光電跟蹤儀CE102項目測試能夠順利通過。同時也可以抑制系統外部的電磁干擾經過光電跟蹤儀的供電電源線傳輸到系統內部，進而提高系統的抗電磁干擾敏感度。

對原有光電跟蹤儀輸入電源濾波器改進后的電路原理圖如圖4所示。

圖4 改進后的電源濾波器電路原理圖

4.2 RE102改進設計

1）改進思路

電磁兼容性的三個基本要素分別是系統的干擾源、電磁干擾的傳輸路徑、系統的敏感設備[5,6]。分析光電跟蹤儀RE102輻射發射超標問題，主要是從干擾源和傳輸路徑著手[6]。

首先是初步定位光電跟蹤儀的干擾源。結合RE102測試曲線，分別對光電跟蹤儀內的每個設備單獨上電，一一進行排查，測試每個設備的電磁干擾狀況；根據測試情況，初步定位干擾源所處的設備，然后通過快捷有效的改進措施來抑制電磁干擾，使其滿足RE102限值要求。

其次是借助近場探頭精準定位干擾源在某設備的具體部位或泄漏位置[7]。

使用近場探頭定位時，需要根據暗室測得的RE102曲線，針對超標頻點一一進行定位。首先使用近場探頭探測設備接口縫隙、互聯線纜、連接器、光學鏡頭等電磁干擾泄漏風險較大的位置；然后根據探測結果，記錄下具體的電磁輻射泄漏位置。在使用近場探頭找到干擾源頭后根據設備的實際情況采取不同的改進措施，以通過RE102測試。

2）改進措施

通過分析RE102測試曲線圖并結合近場探頭探測結果，發現設備互聯線纜、機箱蓋板接縫處、連接器與殼體接縫處、光學窗口、控制機柜風機通風孔、光電指向器方位和俯仰軸隙等均存在不同程度的電磁泄漏。具體的改進措施如下。

①控制機柜及光電指向器的接觸面已黑色氧化，且部分位置有硅橡膠存在，導致了設備殼體接觸面之間導電不連續，整體屏蔽效果不佳。

將控制機柜和光電指向器的接觸面使用砂紙將黑色氧化層打磨掉，然后用蘸有無水乙醇的棉球進行清洗，保持系統整個接觸面導電連續性，在設備殼體的凹槽內加裝尺寸合適的導電橡膠條，防止電磁干擾通過控制機柜和光電指向器的縫隙向外輻射。

②激光電源、控制機柜等連接器與機箱接觸面加裝的是黑色絕緣襯墊，且機箱接觸面有絕緣漆，呈不導電狀態，破環了導電連續性。

對安裝面進行去漆處理,并加裝導電襯墊以增強兩個面的貼合及導電性；在連接器處安裝導電襯墊，有效增強了連接器法蘭盤與殼體接觸面的導電連續性，避免了電磁干擾通過連接器的孔洞向外泄漏，起到電磁屏蔽作用，還具有環境密封效果，可以完美的替代連接器上不導電的橡膠密封圈。

③光電跟蹤儀整個系統相互間的互聯線纜較多，主要為電源信號、通訊信號和開關信號等。互聯線纜的連接器尾部接地和屏蔽不好，從各功能模塊帶出很強的干擾，干擾信號會隨線纜傳導和相互間耦合形成空間輻射。

首先，光電跟蹤儀的電源線等互聯線纜選擇一種編制密度大于90 %的防波套進行屏蔽，盡量避免屏蔽線纜的屏蔽層松動，屏蔽線纜有過小半徑彎曲；線纜內部的屏蔽線與連接器尾部保證360 °環接處理，避免一些線纜使用“豬尾巴”方式進行搭接[8]；其次，屏蔽線纜的屏蔽層盡量放置于連接器尾附里，切忌裸漏較長的導線，金屬屏蔽層與連接器尾附使用金屬屏蔽纏帶填充其中的空隙，保持整個系統的導電連續性；最后，將光電跟蹤儀內控制機柜和光電指向器之間的電源線和信號線分開進行屏蔽，所有屏蔽線纜的屏蔽層與金屬尾附之間使用屏蔽熱縮管，使用熱吹槍進行熱縮，這樣可以保證整個系統是一個完整的屏蔽體，減少電磁干擾對外泄漏。

④控制機柜風機，由于設計要滿足通風散熱的要求，所以為開放式結構，存在很強的電磁泄漏。

在風機安裝面與控制機柜機箱安裝面上選用尺寸合適的蜂巢式屏蔽通風板，這樣整個機柜形成了一個完整的屏蔽結構，不僅滿足了通風散熱的要求，還滿足了電磁屏蔽的要求。

⑤欲將電磁干擾噪聲通過大地進行泄放，必須良好的接地，且接地阻抗越低越好。

增大光電跟蹤儀各機箱外殼接地面積，接觸面進行導電氧化處理，再用螺釘緊固，以保證良好的導電接觸。各個設備與實驗室銅板之間通過采用扁平狀、低電阻率的金屬搭接條進行搭接，并確保搭接安裝面平整、光滑、無油污和粉塵等污染物。

⑥將光電指向器電視、熱像和激光的光學玻璃窗口與箱體接觸面之間上加一層柔性透明導電膜，型號為DDM-17。該柔性導電膜片是一種用于光學玻璃窗口或顯示窗口等場景的一種柔性透明電磁密封材料，一般透光率可以達到89 %以上，可以滿足大部分使用要求。

⑦光電跟蹤儀系統中的光電指向器帶伺服轉動機構，由于其功能需求，光電指向器方位轉軸和俯仰轉軸不能完全屏蔽，其縫隙泄漏的電磁能量是RE102項目不通過的主要原因之一，故需對轉軸縫隙進行特殊處理。

對穿過方位轉軸和俯仰轉軸匯流環的線纜使用防波套進行屏蔽處理。在后續的產品設計過程中，可以使用磁流體對轉軸縫隙進行電磁密封處理或者在轉子或定子上設計凹凸結構的方式進行屏蔽處理。

5 改進設計后測試結果

按照以上提出的改進措施對光電跟蹤儀進行了優化整改，然后在暗室進行了CE102電源線傳導發射和RE102電場輻射測試，測試曲線分別如圖5和圖6所示。從測試結果可以看出，光電跟蹤儀的CE102電源線傳導發射順利通過，在標準的限值要求以下，并且余量較大，有30 dB的余量；光電跟蹤儀的RE102電場輻射發射也順利通過，在標準的限值要求以下，并且有10 dB/uV的余量。

圖5 整改后光電跟蹤儀CE102測試曲線

圖6 整改后光電跟蹤儀RE102測試曲線

6 結論

以某型光電跟蹤儀為載體，通過在電磁兼容暗室測試過程中CE102和RE102兩個超標項目進行了分析定位，并根據系統電氣及結構特點，提出了一些改進方案。將改進方案落實后重新進行了測試驗證，CE102和RE102這兩個項目均順利通過，滿足了GJB 151B-2013標準規定的電磁發射和電磁抗擾度要求。本文針對光電跟蹤儀提出的問題分析策略和改進方案可以應用到其他軍工產品的新產品研發設計過程中，優化軍工裝備的電磁兼容性能，提高設備在復雜的電磁環境下的性能指標[9]。