舰载导弹红外射频导引头电磁兼容设计

姚 勤,李伟忠,吴 宇

(中国人民解放军海军驻上海地区航天系统军事代表室,上海 201109)

0 引言

随着现代海战电磁对抗强度的不断提高,各类舰船上集中的电子设备数量越来越多、尺寸越来越小,且电子设备中发射机的发射功率日益增大,接收机的灵敏度愈来愈高。这些电子设备工作时会产生电磁辐射和传导干扰,对其他设备的正常工作造成影响。因此,电磁兼容性能已成为海军武器装备研制和论证的重要指标之一。

作为导弹的核心舱段之一,导引头集成了大量的电子器件和设备,是全弹中电磁环境最复杂的部分,其电磁兼容性直接关系导弹能否装舰。因此,有必要在早期的论证和方案阶段进行电磁兼容性设计。如在舰船和武器系统安装完毕后再处理,可能会造成昂贵的代价,甚至不可克服。目前,海军对新研装备的电磁兼容性提出了明确的要求和考核标准。为此,本文对舰载导弹红外射频导引头电磁兼容设计进行了研究。

1 电磁兼容设计

电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容[1]。其要求是使电子设备或系统满足EMC标准的规定并具有两种能力：能在预期的电磁环境中正常工作,无性能降低或故障;对该电磁环境不是污染源。系统电磁兼容的核心是有效抑制电磁(辐射或传导)干扰,一方面抑制系统内各设备间、系统与工作对象间的相互电磁干扰,另一方面提高系统内各设备乃至工作对象抵抗电磁干扰的能力。其设计主要遵循三个原则：尽可能抑制干扰源,直接将干扰源隔离在分系统及设备外;消除干扰源与分系统及设备间的干扰耦合和辐射,切断电磁干扰的传递途径;隔离敏感部件,加强分系统及设备本身抵抗电磁干扰的能力,以降低设备电磁环境恶化的风险。

抑制电磁干扰的有效方法是阻止或减少干扰能量的传输。针对电磁干扰的不同传输途径,采用各种有效方法,切断或减少干扰能量的传输。常用的电磁兼容设计包括滤波、屏蔽、接地和合理布线等。

导引头由金属壳体的位标器,弹上计算机,电机,信息处理、信号分选、陀螺控制、微波等电路组合及天线等组成,电磁兼容设计时,由于下一级系统均安装在金属壳体内,电磁环境不易计算,可采用分层与综合设计法,以产品在电磁兼容设计时所采取的措施的重要性为顺序,依次分有源器件的选型与印制板、接地、屏蔽、滤波和瞬态骚扰抑制等5个层次进行设计,并作综合分析,适当调整直至完善[2-3]。

1.1 有源器件选型和印制板设计

导引头中需用的有源器件包括运算放大器、AD变换器、接口电路和基准电压电路等。可根据抗扰性、电磁发射、封装和电源电压等优选芯片,并按布线布局基本原则设计印制板。

封装中电源和地线节点越近,电磁发射能力就越小。采用图1(b)封装时电磁发射能力小,利于提高电磁兼容性。功能相同时,电源电压越低,电磁发射能力也越低。可在数字电路中采用1.8 V电源电压的芯片。

印制板设计中,采用将地电位不均匀降为最小的方法：减少负载电容,增大负载电阻;最大程度地减少印制板布线时电源和接地的电感;用接地参考引线在器件中心的器件替代接地参考引线在拐角处的器件;对CAN总线信号进行阻抗匹配,减小信号反射。

图1 两种封装对比Fig.1 Optimal encapsulation mode comparewith typical mode

1.2 接地设计

接地的目的是使整个电路系统的所有单元电路均有一个公共的参考电零位,保证电路系统稳定工作;防止外界电磁场干扰;保证安全工作。其要点是在关键位置提供低转移阻抗的路径。

由于与红外相关的系统多工作于低频,采用单点接地的方法,各模块分别接地线至参考地汇总,可使接地网络其他任何部分的电流均不会耦合入电路,避免低频地环路出现问题;射频主要工作在高频,采用多点接地方法,各射频模块就近接金属外壳,与地线可靠连接,尽可能减少接地阻抗感应的共模电压;对多个功能模块传输的小幅度信号,可尽量减少地回路电阻,使模块间信号电平一致。

用光耦隔离、隔离运放等方法隔离大功率电路和其他电路。

1.3 屏蔽设计

最优化的屏蔽体是全封闭的单一金属壳体,但实际导引头上有出线孔、电气接口等开孔,致使屏蔽效能下降,故需进行屏蔽设计。

对射频模块和电源模块等主要干扰源,用金属壳体进行封闭屏蔽;对易受影响的小信号,在输出电缆上进行屏蔽设计,对红外信息处理模块,用金属壳体进行屏蔽。金属外壳上的开孔部分主要用于对外电气连接,接插件亦采用全金属材料,与外壳间加垫屏蔽垫片,减少泄露。对重要信号采用滤波接插件,减少通过电缆的对外辐射。

1.4 滤波设计和瞬态骚扰抑制

滤波的目的是将以传导方式进入或离开设备的噪声衰减至一合理水平,滤波器配置的效果取决于电路阻抗大小。导引头电路属于高阻抗电路,需用电容器进行滤波。

由于体积的限制,导引头内不能安装体积过大的滤波器件,电源可用电解电容器进行直流滤波,钽电解电容的容量与体积比值大,串联电阻、电感小,温度稳定性好,在每个电路模块的电源输入端使用贴片钽电容。陶瓷电容有较好的高频特性,可用于数字电路的电源与电源地间,作为干扰滤波。在DC/DC电源模块的输入中,采用T型滤波器进行滤波。

2 EDA分析

随着电子设计自动化技术的发展,对设备的电磁兼容仿真研究不再局限于电路分析或场分析[4]。基于分层法设计,用电子辅助设计(EDA)软件分析装备系统内部的电磁环境和辐射,为系统内产品的研制提供信息,并根据这些信息进行电磁兼容性设计,从设计层面有效提高电磁兼容性。用Ansoft公司提供的软件模块对电子设备进行电磁兼容分析的流程如图2所示。

图2 Ansoft仿真分析流程Fig.2 Simulation analysis flowchart using Ansoft

2.1 壳体内电磁分布仿真分析

壳内主要的干扰源有射频组件和高速电路等。先用ProE工具对壳体建模,导入HFSS并按国军标设置外部电磁环境及分配材料,确定导电率和导磁率,选择本征模式进行求解,给出仿真结果。某导引头壳体内电磁分布的分析结果如图3所示。图中颜色越浅,干扰越大。根据仿真结果可了解壳体内部处在恶劣电磁环境的部件,对该部件进行相应的电磁干扰预防设计。

图3 典型外部电磁环境壳体内电磁环境Fig.3 Electromagnetic environment in shell under typical exterior electromagnetic environment

2.2 壳体内谐振仿真分析

导引头外壳可产生谐振腔效果。在外部干扰作用下,壳体内部分部位的干扰强度会因谐振而放大,如在此区域内有线缆或电子元器件,会引起信号干扰或器件工作的不正常。因此,须准确分析壳体谐振的空间分布和频域分布,并以此修改设计。

某导引头壳体内空间及某部件上外加干扰的谐振分布仿真分析结果如图4所示。由图4(a)可知：两个矩形区域内的干扰强度因谐振而达到0.7,远高于壳体内10-6量级的平均干扰强度。由于壳体内一敏感部件恰好处于头部附近的矩形谐振区域内,当存在外部激励时,该部件所处空间的电磁干扰强度较大,可能影响电磁兼容,故对其进行单独分析和改进,其电场分布如图4(b)所示。

图4 原设计的电场分布Fig.4 Electric field distribution in shell interior space of original design

为保证产品的电磁兼容性能,使之在恶劣环境中能正常工作,对原设计进行了修改：修改结构和材料改变谐振点强度,改变内部部件的外形和位置以避开壳体内谐振区的区域。将导引头外壳由原设计的透波材料氟化镁改为全金属材料,原谐振区域内的电磁干扰强度减少为原来的20%。移动部分部件位置,使谐振区域向后移动30 mm。改进后壳体内谐振如图5所示。改动后不仅壳体内谐振强度大幅降低,且壳体内部部件的位置也偏离了谐振点,使壳体内部件所在空间的干扰强度明显降低,避免了电磁干扰对产品的影响。

图5 改进后电场分布Fig.5 Electric f ield distribution in shell interior space of modified design

3 结束语

本文对舰载导弹红外射频导引头电磁兼容设计进行了研究。总体来说,目前对系统级的电磁兼容性评估和设计尚未形成成熟的设计流程,计算机仿真工具也受诸多因素的限制,主要还需依靠系统实测和调试。本文通过工程实例,运用基于分层分析的设计方法并结合EDA仿真工具,提高了导引头的电磁兼容性水平,可为海军战术导弹弹上设备的电磁兼容设计提供参考。

[1]杨克俊.电磁兼容设计与测试[M].北京：人民邮电出版社,2004.

[2]同 云.电磁兼容分层与综合设计法——电磁兼容设计的新方法[J].电子质量,2008(5)：98-101.

[3]白同云.嵌入式机器人控制器的电磁兼容设计[J].安全与电磁兼容,2010(5)：70-72.

[4]刘 莹,谢拥军,张 勇.车载集群通信系统“自顶向下”电磁兼容设计[J].电子科技大学学报,2010,39(5)：720-723.