基于雷达火控系统的电磁兼容性设计分析

2011-08-15黄小宁汪德生

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：火控系统电源线机箱

黄小宁，汪德生

（驻七八九厂军事代表室，重庆 400040）

基于雷达火控系统的电磁兼容性设计分析

黄小宁，汪德生

（驻七八九厂军事代表室，重庆 400040）

随着电子装备越来越多地用于战场，未来战争中电磁环境对武器装备的电磁兼容性（EMC）要求越来越高。而雷达火控系统自身组成又当复杂，光、机、电融合一体，其EMC是一个关键问题。如何在研制中很好地应用电磁兼容技术，认真贯彻落实EMC标准，是雷达火控系统的EMC设计中必须解决的问题。本文通过对雷达火控系统EMC特点的分析，提出了一些基于雷达火控系统的电磁兼容性设计的措施。

雷达；电磁兼容性；设计；分析

未来战争是以信息战、电子战为主体的现代化战争，随着电子技术、计算机技术的发展，电子装备数量大大增加，频带日益加宽，功率逐渐增大，日益复杂的战场电磁环境对武器装备的电磁兼容性（EMC）要求越来越高，电子对抗武器与所搭载的武器平台间的EMC是一个关键问题，良好的EMC能使作战平台有较强的抗干扰能力和生命力。由于雷达火控系统多由雷达、激光、红外热像、计算机、电台、白光器件、机电设备组成，强电、弱电融于一体，系统内各设备之间电磁干扰十分严重，EMC已成为系统关键性能指标。因此，在雷达火控系统设计中必须很好地应用电磁兼容技术，认真贯彻落实EMC标准，有针对性地EMC设计，保证系统内元器件、分系统和设备的电磁兼容性能，才能适应未来战争的需求。

1 雷达火控系统的EMC特点

1．1 强弱信号共存

现代雷达火控系统一般都是由雷达、激光、白光、红外、计算机、电台、询问机等组装在同一平台内，强弱信号共存，强电、弱电融于一体，系统内部电磁干扰十分严重，特别是雷达在高压工作和激光发射时，对计算机和电台的干扰相当严重，有时甚至造成其他设备无法正常工作。而在战场上，多种电子装备要么同时工作在同一地域，要么同时工作在相近频域，近乎所有的电子设备都会不同程度的受到各种强弱信号的影响。

1．2 频谱分布极广

由于雷达火控系统组成复杂，系统内各设备充分利用了频率资源，占用了从直流到微波的各个频带。雷达、电台、询问机、激光等工作频带极宽，从直流、中频、高频到微波和红外，频域达到3 000 GHz，覆盖了所有电子装备的工作频率范围，对周边设备造成强烈干扰。

1．3 安装密集度高

出于战绩指标方面的考虑，雷达火控系统在结构安装上非常紧凑，大量功能各异的电子器件，特别是集成电路贴片，大都装配在密集、狭小的空间内，特别是一些强电流的开关器件，对集成电路的干扰很大，使得系统内部设备间的电磁干扰问题特别突出。

1．4 共用电源和地线

电子设备共用电源和共用地线的情况居多，这使得通过电源耦合和地线耦合造成的互扰比较严重。如何有效地克服电源耦合和地线耦合造成的干扰，是雷达火控系统EMC设计必须考虑的重要的问题。

1．5 机电设备强电流干扰大

系统内部伺服系统、天线升降机构工作电流很强，启动工作时，对其他设备的干扰很大。因此在设计前期就必须对设备进行EMC强化，解决好系统内的机电设备与或电子设备之间的干扰，协调各方面的战技指标。上述这些特点使得雷达火控系统的EMC设计相比普通的电子设备更为复杂。

由于以上这些特点，决定了雷达火控系统EMC设计比一般的电子设备更为复杂和困难。

2 雷达火控系统EMC达到的目标要求

根据武器装备研制要求规定，系统设计定型前，都要求按照GJB 151A－1997和GJB 1389A－2005进行鉴定。GJB 1389－2005有14个试验项目，由于标准比较新，国内试验设备受到限制，大部分项目无法实施，主要进行安全裕度和系统内EMC测试。

对于地面陆军电子装备，目前主要进行电源线传导发射（CE102）、电源线传导敏感度（CS101）、电缆束注入传导敏感度（CS114）、电场辐射发射（RE102）、电场辐射发射敏感度（RS103）和电源线尖峰信号传导敏感度（CS106）试验。

2．1 传导发射类

CE102属于电源线常规传导发射试验，是针对受试设备（EUT）电源对环境的干扰，要求必须在规定值之下，以防止任何1台设备经由共用电源去干扰其他设备。

EUT的电源线传导发射信号包括两个来源：职能电路和电源电路。在电源电路里阻断电磁干扰信号的传导发射，一般的方法包括隔离和滤波两种。

2．2 传导敏感度

地面陆军电子装备传导敏感度类试验包括CS101，CS106两项，要求EUT在来自电源线的传导干扰信号作用下能够正常工作。一般说来，传导敏感度测试比传导发射测试更难达标，这是因为干扰信号来自外部，EUT必须在整个频段内消除外来干扰，而这单纯依靠电源滤波器是不够的。因为在低频段对滤波电容的容量要求较大，但过大的滤波电容会导致旁路的干扰电流通过公共地线耦合到同一接地平面的其他设备中，这就又导致新的未知的电磁干扰。

2．3 电场辐射发射

一般而言，EUT低频端的辐射发射和电源的品质密切相关。好的开关电源既要具有较高的电源转换效率，还要具有较少的杂散辐射。同时，电源电路的脉宽调制信号还可能使得在远离开关电源工作频率的频点处出现辐射干扰，而在机箱内部单独对开关电源进行屏蔽也可以大幅度抑制这种杂散辐射干扰。除了开关电源的辐射发射外，EUT另一个主要的辐射发射源主要来自电路中振荡器的基波和高次谐波。EUT里存在的多个晶振会因为频率的不同而发生交叉调制，导致在大量频点处出现辐射发射，使得辐射频谱复杂化。

2．4 辐射敏感度类试验

对于需要接收或检测微弱电信号的通信设备和自动控制设备，在电源和屏蔽等方面进行合理的设计可以更容易地使使电场辐射敏感度项目RS103测试达标。比如，对电源电缆增加屏蔽层，并在机箱外部接地，而不是随电源电缆进入机箱内再接地，这可有效避免外来辐射干扰通过电源电缆进入机箱；而对于机箱的屏蔽，则要尽量处理好机箱上的每一处接缝和开口，保持整个机箱的导电连续性；LCD显示屏也需要仔细考虑，否则外来的辐射干扰会通过它进入机箱，这时可以在显示器后面添加屏蔽罩，并对通过屏蔽罩后的信号线使用高频穿心电容器进行滤波。

3 雷达火控系统EMC设计对策

在国军标GJB 151A—1997中，与电源有关的有5项：CE101，CE102，CE107，CS101，CS106；与电源电缆有关的有3项：CS114，CS115和CS116；其余辐射发射和敏感度的项目间接与电源有关。因此，在雷达火控系统的EMC设计中，需要重点考虑以下几个方面的EMC设计。

3．1 电源的EMC设计

1）电源线滤波电源线通过电源滤波器进入机箱或者采用输入端兼做电源插座的电源滤波器。在安装电源滤波器的时候，要使得滤波器的输出线远离其输入线，而不能把进出滤波器的电源线捆扎在一起，同时还要对电源滤波器的金属外壳进行大面积接地。

2）运用隔离变压器在考虑安装条件和成本的情况下，可以考虑采用隔离变压器。在初、次级间具有屏蔽隔离层的电源变压器是最简单的一种隔离变压器，其滤波特性能够和电源滤波器互补，而且能够起到安全防护、变压、隔离地线环流、提高共模干扰抑制能力等多种作用。

3）二次电源的设计在EMC试验时，有些电子设备可以通过敏感度项目却通不过发射项目，这与其使用开关电源作为二次电源有关。因为开关电源对外来干扰具有一定的抑制能力，但其自身却会对外产生辐射发射和传导发射；相比之下，线性稳压器可避免产生对外电磁干扰。因此，在低功耗电路中，应尽量选用线性稳压电源。

4）电源整体屏蔽电源部分在电子设备EMC性能方面具有重要作用，可以对其进行整体屏蔽，使其在另一个与其他部分隔离的空间内，从而在屏蔽机箱内部形成对其的单独隔离。

3．2 机箱电磁屏蔽设计

1）保证机箱的导电连续性金属屏蔽体上的缝隙或孔洞会对其屏蔽效果影响较大。要尽量保证机箱结构的导电连续性。而对于必须开缝或开孔的情况，则需要进行合理的计算和设计，以保证机箱的屏蔽效果。

2）妥善处理机箱开口由于设备开关、按钮、指示灯与显示屏等设施的安装，就需要在机箱上开口。当开口达到一定程度，使得前面采取屏蔽措施失效的时候，可以考虑采用后置屏蔽法在其后面加装屏蔽层，并对穿过屏蔽层的导线进行滤波处理。

3）解决电缆屏蔽问题进出机箱的线缆会极大地减弱机箱的屏蔽效能，通过对进出机箱的线缆添加外屏蔽层，并使其和机箱的屏蔽层保持导电连续性可以有效改善这一状况；此外，正确选择和安装机箱接插件，比如安装在机箱上的插座尽量选择符合军用标准的屏蔽型接插件，同时在插座的接触部位最好不用漆膜或涂塑层等绝缘材料等也将提高机箱的屏蔽效能。

4）选择合理的散热方式自然风冷是理想的散热方式之一，但由于工作条件和设备自身结构原因，自然风冷有一定程度的限制。安装散热风扇是较好的选择，但需要在风扇外侧安装截止波导式屏蔽通风板。

3．3 电路的EMC设计

1）应用表面贴装元器件和多层印制电路板从电磁辐射和EMC性能方面来讲，表面贴装电子元器件相比插装式电子元器件更有优势。同时，相比普通的单、双面印制电路板，具有电源层和地线层等的4层以上多层印制电路板的EMC特性可以得到明显改善，所以多层电路板加表面贴装电子元器件的组合是符合GJB 151A－1997标准要求的印制电路板设计的首选。

2）传感器放大电路的选用与设计对主机箱采取的电磁屏蔽措施往往无法覆盖安装在设备主机箱以外的传感器，特别是在做RS101和RS103测试时，传感器往往成为电子设备中最易遭受外部电磁干扰的薄弱环节。一般建议采用理想的平衡差分输入式放大器，因为在抑制共模干扰信号方面，其相比单端输入式通常能力更强；但当差分输入式放大器在电磁干扰信号大到一定程度，使得其工作范围脱离线性区时，其共模抑制能力将面临失效的危险，这也使得在某些情况下单端输入式传感放大器的干扰抑制能力有时更胜一筹。因此，需要结合实际情况决定究竟选用哪种传感器输入放大电路。

3）设计合理的高频旁路电路在进行RS103项目试验时，有源器件的非线性响应可能导致当干扰信号为调幅波时，输出信号的干扰较大，而当干扰信号改为等幅波时，输出信号则不受干扰。这主要是由于有源器件的非线性响应特性对调幅波干扰信号产生了高频检波，从而对输出信号产生了干扰。因此，为有效预防此类情况的发生，可以考虑对有源器件设计合理的高频旁路电路。