中波归航机的电磁兼容优化设计＊

2012-06-07王玉龙

舰船电子工程 2012年10期

夏敏王玉龙

（海军驻嘉兴地区通信军事代表室嘉兴 314033）

1 引言

随着现代电子技术和信息化的发展，舰艇上装备了大量的电子设备，使得舰艇的电磁环境日益复杂，电磁干扰（Electromagnetic Interference—EMI）问题越来越严重。为了保证各种电子设备能够相互兼容地工作，GJB151A-97对设备和分系统的传导、辐射、敏感性和抗干扰性均提出严格的界限要求。以下针对某型中波归航机设备电磁兼容测试未达标的项目，简要分析了产生电磁干扰的原因，重点探讨相关电磁兼容优化设计的方法。

2 EMC设计特点和原则

产品的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility—EMC）包含两个方面的含义［1］：一是产品在自己所产生的电磁环境及它所处的外部电磁环境中，能够可靠、正常地工作，也就是说它对电磁干扰具有一定的抗扰度。二是产品本身所产生的电磁噪声必须限定在一定的电平下，使它不至于对它周围的电磁环境造成严重污染和影响其他设备的正常工作。

EMC设计与常规电路设计不同，它是针对EMI来进行设计的。众所周知，电子电路设计通常是按电路图进行的，在电路设计过程中我们往往只关注电路本身信号的处理，而忽略了电路中的寄生参数以及元器件之间的相互耦合等因素造成的影响，也就遗留了产生EMI的隐患。

根据EMC理论知识可知，只有当干扰源、耦合途径、敏感源三者同时存在时，才会产生EMI问题，三者缺了任何一个就不会出现EMI问题。通常电子设备既是干扰源又是敏感源。EMI的耦合途径可分为传导耦合和辐射耦合两类。传导耦合是指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其他元件（如电容器、电感、变压器等）耦合到被干扰设备；辐射耦合是指电磁噪声的能量以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合到被干扰设备。

EMC的设计原则就是针对干扰源、耦合途径、敏感源中的一个或几个，采取某些技术手段来消除或抑制其影响，从而使产品获得较好的电磁兼容性。一般来说，EMC设计的关键是找出干扰源和敏感源，然后采取适当的干扰抑制措施来消除干扰。

3 EMC问题分析与对策

按国军标GJB151A-97的要求，中波归航机一般进行十项电磁兼容性考核测试，即 CE101、CE102、CE106、CS101、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103。从某型中波归航机屡次参加电磁兼容试验的情况来看，不易通过的是CE101—电源线的传导发射的测量，CE106—天线端子传导发射的测量，RE102—电场辐射发射的测量这三项。下面针对CE101、CE106和RE102来分析设备电磁干扰的产生机理和相应的抑制措施。

3.1 天线端子传导发射

CE106是考核发射机和接收机天线端子传导发射的。根据中波归航机设备的技术状态，该项测试的试验频率为10kHz～16MHz，天线端子传导发射在待发状态不应超过34dBμV，在发射状态除二次和三次谐波以外的所有谐波发射和乱真发射均应至少低于基波电平80dB，二次和三次谐波应抑制70dB［2］。从上可以看出该项测试主要考核中波归航机输出端子的谐波抑制和杂波抑制。

中波归航机输出信号的谐波和杂波含量与激励器、功放、输出匹配网络以及调制电路的性能相关。为了提高中波归航机的整机效率，减小的体积和重量，它采用脉宽调制方式工作，其高频功率放大器和脉宽调制器都工作在开关状态［3］，高频功率放大器输出的射频矩形波（调制时为幅度调制的射频矩形波）。矩形波的傅立叶级数表达式为［4］

从上式可以看出，高频功率放大器输出的射频信号中奇次谐波分量非常丰富。为了保证中波归航机的谐波和杂波衰减量在70dB以上，在高频功率放大器和天线调谐网络之间加入一个由串联和并联谐振电路组成的谐波滤波器，对射频输出信号的谐波进行滤波［5］。在前级电路中应用移相消除谐波技术，减少高频功率放大器输出的射频信号中的谐波含量。此外，高频各单元的布置按高频信号大小顺序排列，使其符合不同功率等级的高频单元分离布置的EMC原则，各高频单元采用铝合金独立屏蔽，各单元间的连接采用双屏蔽电缆，以减少因高频信号的交叉耦合而产生的杂波干扰。采用上述措施后，某型中波归航机的CE106的测试结果如图1（b）所示，图1（a）为实施上述措施之前的测试结果，从图1可看出杂波抑制约提高了21dB满足GJB151A-97的要求。

图1 CE106测试结果

3.2 电源线传导发射

CE101、CE102是考核设备电源线传导发射的，其中CE101—测量25Hz～10kHz范围的电源线传导，CE102—测量10kHz～10MHz范围的电源线传导。中波归航机的内部供电电源采用高频开关电源，而开关电源的突出缺点就是产生较强的EMI［6］。开关电源内产生EMI的主要部件是高压整流滤波、功率变换和输出整流滤波电路。首先大多数开关电源采用桥式整流器和一个大容量滤波电容从交流220V中获取直流电压。由于滤波电容的存在，只有当瞬时交流电压超过电容电压时，整流管才导通，电源从交流220V中获得电能，此时滤波电容产生较大的尖峰充电电流，这些尖峰电流谐波含量丰富，因此造成供电线路的功率因数很低，一般在0.5～0.7之间，这将直接造成CE101、CE102超标（如图2（a）所示）。

针对上述分析，就抑制电源线传导而言，最直接的方法就是在电源输入端口加装EMI滤波器，这里我们采用在开关电源抽屉内侧的供电输入端口处接入一个埃德产的高性能EMI滤波器，该滤波器具有优良的共模和差模插入损耗特性，可以抑制由开关电源产生并向供电线路反传的干扰，也可以抑制来自供电线路的噪声对开关电源的侵害，同时对电源线上的辐射干扰也具有显著的抑制效果。为了进一步改善开关电源的电磁兼容性能，在电路设计中采用有源功率因数校正电路来替代桥式整流滤波电路［7］，使得线路的功率因数达到0.99，大大减少对供电线路的电磁干扰。经测试电源线传导发射满足要求，如图2（b）所示。

图2 CE101测试结果

3.3 电场辐射发射

RE102是电场辐射发射的测量，主要考核设备对外的电磁辐射，对中波归航机该项测试的试验频率为10kHz～16MHz。中波归航机内部有开关电源、高频放大电路、脉宽调制电路等，它们都不可避免地产生电场辐射。解决电场辐射问题的途径一般有两种，1）通过电路的改进，减少辐射源的能量；2）通过结构改进加强屏蔽，抑制辐射。

众所周知，防止电子设备产生辐射干扰的典型方法是采用金属机壳对电磁场进行屏蔽［8］。中波归航机设备采用铝合金机柜，内部的激励器、高频放大单元、脉宽调制单元、谐波滤波器以及天线调谐回路均采用铝合金盒或插箱。理想的屏蔽体应是在空间上连续的、无孔的和无缝的，这样外界的干扰进不去，内部的辐射出不来，但在实际工程中这样的屏蔽体是不存在的，设备上至少必须有电线接孔，这样便会造成屏蔽泄漏。在设计制造过程中，为了降低制造成本，铝合金屏蔽盒、插箱以及机柜均采用拼板式，这就造成固定表面存在接缝，理想的状况应该是接缝是平整的、连续的和合适的，但在实际中固定表面会存在一定的不重合度，也就是接缝的不平整，接缝的不平整就会造成电磁泄漏。另外，设备上的接插件安装孔、通风孔以及显示窗口等都会造成电磁泄漏。在中波归航机设计制造中采用铜导电箔带、铜镀银导电橡胶、铍铜簧片、高性能屏蔽窗以及防尘屏蔽通风板等EMI屏蔽材料来解决电磁泄漏问题。

在设备使用和维护过程中不需要拆卸的零件形成的接缝采用铜导电箔带来密封接缝；对于需要拆卸的接缝采用铜镀银导电橡胶，它是一种用铜镀银粒子填充的硅橡胶，具有良好的导电性，能提供良好的屏蔽效果；对于接插件安装孔采用铜镀银导电橡胶制成的连接器衬垫，这些衬垫能同时起到屏蔽和环境密封的作用；对于插箱之间接缝的屏蔽采用铍铜簧片，它是耐用的金属条，具有极高的舒张阻力—完全消除了压缩永久形变；显示窗口的屏蔽采用高性能屏蔽窗［9］，它是一种在两层玻璃之间嵌入低阻抗的金属丝网，能在干扰恶劣的环境中提供最佳的透光和EMI屏蔽；设备底部通风口采用防尘屏蔽通风板进行屏蔽，它由铝合金拉制网屏、电磁干扰衬垫和铝合金金属丝纤维网屏三层压制而成，具有良好的通风性和屏蔽效能。

中波归航机的工作在中长波段，工作射频频率低，且射频通道工作在开关状态；另外，所采用的开关电源工作频率在100kHz～120kHz之间，产生的杂波也集中在低频段。因而中波归航机在低频段产生的电磁干扰比一般通信设备要丰富的多，干扰能量也大的多。由于屏蔽材料在低频段，屏蔽效能以反射损耗为主，而在高频段则以反射损耗和吸收损耗相叠，这样屏蔽材料的屏蔽效能在低频段比高频段要差很多。因此对于中波归航机来说，只采用屏蔽措施RE102是很难达标的，要使RE102能达标还必须从电路采取措施减少辐射源的能量。在中波归航机电路设计中采取的主要措施有：

1）对射频功率放大电路采用过驱动，减少功放管开通时间，在功放管反向并接快恢复二极管，缩短功放管关断时间，从而减少了射频功率放大电路开、关产生的杂波能量。

2）开关电源采用移相谐振软开关技术，极大降低了开关器件所产生的电磁干扰。

3）改进射频变压器和开关电源功率转换变压器的绕制工艺，减少变压器的漏感和分布电容。

4）在电路关键部位嵌入RC或LC吸收回路［10］，减少开关电路产生的电磁干扰。

5）优化PCB设计：减小大电流回路所包围的面积，特别是射频输出功率变压器与功放管、开关电源功率转换变压器与开关管等；注意相邻线间的信号性质和间距，以避免产生串扰；采用加锡方式来加宽大电流走线，以减小线阻和地线阻抗。

采用上述措施设计的中波归航机，RE102的测试结果如图3（b）所示，达到了GJB151A要求。而应用上述措施之前设计的中波归航机RE102测试结果如图3（a）所示，最大超标约为17dB。