魚雷專用保障設備電磁兼容性整改分析與驗證

張溢文 ,孫開鋒 ,翟鋒濤 ,陳 靜

(1.中國船舶集團有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077;2.陜西海泰電子有限責任公司,陜西 西安,710075)

0 引言

魚雷專用保障設備可以完成對魚雷武器全雷、艙段及組件的技術準備、測試及故障診斷工作。專用保障設備使用場合多樣,包含工房、技術陣地、洞庫、方艙及魚雷裝載平臺等,面臨著復雜的電磁環境。設備與被測產品、其他設備之間若存在電磁不兼容的問題,輕則影響設備正常使用,重則可能導致安全問題。因此使用方和研制方都對專用保障設備的電磁兼容性提出了更高的要求。

某魚雷專用保障設備在研制階段后期增加了電磁兼容性考核要求,經過摸底測試,設備的傳導發射和輻射發射出現超標現象,需要進行整改。由于魚雷專用保障設備基于開放式體系架構進行設計,大量使用貨架化電子產品[1],導致難以對成熟產品進行改動以滿足電磁兼容性要求,必須從整機角度系統性地解決設備的電磁兼容問題。

1 專用保障設備組成及電磁特性分析

專用保障設備的系統組成如圖1 所示,主要包括機箱、電源、人機界面、測試資源及線纜等。下面針對各組成部分的電磁特性進行分析。

1.1 機箱

機箱包含設備的外殼及內部安裝框架,其主要功能是保護及固定設備的功能模塊。機箱本身不產生電磁輻射,但封閉的導通機箱可以作為屏蔽體有效抑制輻射發射的傳遞[2]。

為了便于設備移動和攜帶,專用保障設備機箱使用了輕量化的非金屬材料,不具備屏蔽能力,機箱內部功能模塊產生的電磁波直接向外發射,導致輻射發射超標。因此需要對機箱進行屏蔽處理以抑制整機輻射發射。

1.2 電源

專用保障設備的電源構成如圖2 所示,包含了AC/DC 一次電源及DC/DC 二次電源。一次電源將220 V 交流市電轉換為直流供電,二次電源將一次電源的輸出轉換為不同電壓等級的直流電供給各用電設備使用。

圖2 電源構成示意圖Fig.2 Composition of power supply system

無論是AC/DC 電源還是DC/DC 電源,其內部轉換電路中的金屬—氧化物—半導體(metal-oxidesemiconductor,MOS)場效應晶體管開關動作都會產生高頻開關信號,信號的基頻與倍頻可以通過線纜傳導及空間輻射的傳遞路徑向外發射,產生電磁干擾[3]。

1.3 人機界面

人機界面是操作人員與設備的信息交互接口,主要包括顯示屏和按鍵開關等。其電磁發射源包括液晶顯示屏驅動電路中控制屏幕刷新的高頻時鐘信號,開關接通和斷開瞬時產生的脈沖信號等。此外,顯示屏和開關如果沒有采取屏蔽措施也會成為電磁泄漏窗口[4]。

1.4 測試資源

測試資源是完成測試信號采集和處理的硬件資源,主要包含主控板卡及功能板卡等。板卡上的時鐘信號是最主要的電磁發射源[5],另外通信和開關等信號也會向外產生電磁發射。

1.5 線纜

線纜可以連接各功能模塊及被測產品,提供電源及信號傳輸通路。電纜線束由多股不同定義的導線組成,緊密相依的導線之間存在容性耦合和感性耦合關系,其容性耦合的強度大小和頻率特性與導線之間的分布電容有關;感性耦合的強度大小與導線間距、干擾電流大小和回路面積等均相關[6]。設備內部線纜的干擾信號會發射至相鄰導線,產生串擾干擾;設備外部線纜由于天線效應,將干擾信號向空間發射,引起輻射發射超標。

2 專用保障設備電磁兼容性整改方案

根據前文分析得出了專用保障設備的電磁發射源及傳遞路徑,有針對性地開展電磁兼容性整改工作。設備選用的測試資源為貨架化產品,難以進行適應性整改,因此通過整機采取的其他措施進行補償。設備的電磁兼容性整改措施包括機箱屏蔽與接地、人機界面處理、電源濾波處理和線纜處理四方面。

2.1 機箱屏蔽與接地

電磁屏蔽的原理是利用電磁波在封閉導體表面產生反射以及在導體內部產生吸收和多次反射而起到屏蔽作用,可以有效阻止電磁波從一個空間向另一個空間傳播[7]。理想的屏蔽體是一個低阻抗的封閉導體,因此需要使機箱導通并盡可能封閉孔縫。

設備所用的非金屬機箱不導電,在不改變機箱材料的情況下,采取在機箱內壁噴涂導電涂層的整改措施,該涂層包含銅粉及底漆,均勻噴涂在機箱內壁,干燥后可以形成連續的導電銅層,如圖3所示。

圖3 機箱內壁噴涂導電涂層Fig.3 Conductive coating sprayed on inner wall of the chassis

箱體與面板的裝配縫隙也會造成電磁泄漏,需要對搭接面進行處理。在搭接面粘貼了彈性導電泡棉,裝配時通過螺釘緊固使面板壓緊泡棉實現可靠的搭接[7],如圖4 所示。

圖4 搭載處理措施Fig.4 Treatment measures for overlapping

完成導通處理后,將機箱接地,既可以作為設備電子組件的等電位參考點,又可以將機箱金屬層感應的干擾信號通過大地泄放,抑制電磁干擾[8]。

2.2 人機界面處理

人機操作界面安裝在設備外表面,存在非連續導電的外露器件,如顯示屏、開關及指示燈等,導致設備殼體成為不連續導體,造成電磁泄露[9]。對于顯示屏采用增加屏蔽玻璃的處理方式,兼顧透光的同時實現屏蔽,如圖5 所示,屏蔽玻璃內有金屬絲網夾層,將絲網與周邊箱體360°搭接實現孔洞封閉。

圖5 顯示屏處理措施Fig.5 Treatment measures for display screen

對于開關和指示燈的處理方法如圖6 所示,在開關和指示燈后增加1 個屏蔽罩進行封閉,引線上加裝穿心濾波電容,使引線所感應的干擾信號被旁路接地[9]。

圖6 開關與指示燈處理措施Fig.6 Treatment measures for switch and indicator light

2.3 電源濾波處理

加裝電源濾波器可以切斷電磁干擾沿電源線的傳播路徑,與屏蔽措施共同構成完善的電磁干擾防護。

電源濾波器是由電感和電容等組成的一種二端口網絡,具有選擇頻率的特性,能夠毫無衰減地把50 Hz 的電源功率傳輸到專用保障設備上去,并極大程度衰減經電源傳入的電磁干擾信號,同時又能抑制專用保障設備本身產生的電磁干擾信號,防止其進入電網,污染電磁環境,危害其他設備[10]。

根據專用保障設備測試超標曲線選用合適的電源濾波器,其拓撲結構如圖7 所示。

圖7 電源濾波器拓撲結構圖Fig.7 Topology of power filter

電源線上的干擾有共模干擾與差模干擾2 種形式[11]。共模干擾由共模濾波電路濾除,共模濾波電路由共模電感和共模旁路電容構成,采用2 個共模電感,并與共模電感合理搭配使用合適的共模旁路電容;差模干擾由差模濾波電路濾除,使用合適的差模電感,為了進一步增加差模濾波電路的濾波效果,使用了差模電容以獲得較好的差模損耗。按上述濾波電路制作濾波器并安裝在設備電源接入端,可以切斷專用保障設備的電磁干擾通過電源線傳播路徑。

2.4 線纜處理

線纜按位置可分為內部線纜和外部線纜。外部線纜位于屏蔽機箱外部,需要單獨進行屏蔽處理。在線纜外穿套柔性防波套管,防波套管兩端與連接器360°搭接,形成屏蔽體將線束封閉其中,抑制對外發射[12]。外部線纜處理措施如圖8 所示。

圖8 外部線纜處理措施Fig.8 Treatment measures for external cable

內部線纜間的串擾可以通過優化布線方式解決。內部線纜可按照承載信號類型做如表1 所示分類[13]。

表1 內部線纜分類Table 1 Classification of internal cable

不同類型的線纜應彼此分開,在無法使用屏蔽體隔離時,應保持足夠間距。II 類和III 類線束之間至少保持10 cm 以上間距,其他類別線束之間至少保持5 cm 以上間距[13]。

3 電磁兼容性試驗驗證

專用保障設備電磁兼容性整改方案應經過相關試驗進行評估驗證,通過對比增加整改措施前后的測試結果,驗證整改措施的有效性。試驗依據GJB151A 和GJB152A 進行CE102 和RE102 測試項測試。

3.1 CE102 測試

CE102 測試結果如圖9 所示。由圖可知,未采取整改措施的保障設備在CE102 測試時,在整個10 kHz～10 MHz 測試頻段均出現嚴重超標,尤其較大幅度超頻點為43 kHz、250 kHz 基頻及其倍頻,該頻率為開關電源的工作頻率。在采取有效共模和差模結合的電源濾波整改措施后,傳導干擾整體降低了30 dB,滿足國軍標測試要求。

圖9 CE102 測試結果Fig.9 CE102 test results

3.2 RE102 測試

RE102 測試結果如圖10 所示。未采取整改措施時RE102 測試結果在10 kHz～510 MHz 頻段出現大幅超標。保障設備內含多種用電設備如電源、顯控模塊、測試資源及線纜等,貢獻了不同頻譜的電磁干擾,由于整個機箱殼體未采取屏蔽措施,造成電磁干擾通過空間、傳導等各種途徑向外發射。超標幅值較大的頻點為開關電源的倍頻。

圖10 RE102 測試結果Fig.10 RE102 test results

針對以上電磁干擾現象,同時采取濾波、接地和屏蔽等多種整改措施后,輻射電磁干擾在10 kHz～510 MHz 頻段內最大降低了60 dB,整體曲線均在極限線以下,滿足國軍標測試要求。證明該整改措施有效,表明增加電源濾波器在抑制傳導發射的同時也可以有效改善輻射發射指標。

4 結束語

文中通過分析魚雷專用保障設備的組成及電磁特性,確定了設備電磁兼容設計的薄弱環節,并針對性地采取了整改措施。經電磁兼容性試驗驗證,設備傳導發射和輻射發射指標相比整改前大幅降低,滿足使用要求,證明了分析方法和整改措施的有效性。