北斗船用接收机电磁兼容电路设计与研究

庄新庆，邹绪平，应士君

（上海海事大学 商船学院 上海 201306）

航运事业随着国民经济的增长得到了迅猛发展，不仅成为交通运输的重要组成部分，也成为了带动经济发展的重要因素，船舶也正在朝着大型化、自动化的方向发展，随之而产生的问题是船舶运输的安全与高效。水上交通安全保障是关系到人民生命财产安全的国家公益性领域，卫星导航技术是重要的支撑技术。随着我国北斗二代卫星导航系统的正式运行，北斗船用接收机的研究也正在如火如荼的进行。而在进行船舶电子设备研究和开发过程中，一个不可忽略的问题是电子设备的电磁兼容性(EMC)问题[1]。近年来，随着造船工业和电子工业的迅猛发展，在现代船舶上装备的各种电气、电子设备也越来越多，并且越来越向着智能化复杂化的方向发展。印制电路板(Pr1ntedCireuitBoard,PCB)所处的空间相对狭小使得这些设备相互之间引起电磁干扰[2]，而这种干扰不但会影响设备运行的性能，情况严重时还会引起故障，造成事故。所以，使安装在船舶上的电子通信导航设备具有优良的电磁兼容性能和抗干扰性能的研究在设备的整个研制过程中就显得尤为重要。

1 接收机抗电磁干扰电路原理设计

北斗导航接收机主要由射频前端、A/D 转换器、基带信号处理和导航解算部分组成。本文主要采用外部屏蔽和内部屏蔽措施来提高接收机的抗电磁干扰能力。射频前端接收卫星的射频信号，在整个系统中受电磁干扰影响最突出的部位，在设计中采取外部屏蔽的措施；电路采用模块化的设计[3-4]，有利与减少印制电路板中导线直接形成的耦合干扰，系统电路原理设计框图如图1 所示。

2 接收机电磁兼容性研究

图1 系统电路原理框图Fig. 1 System diagram of hardware circuit

电磁兼容(EMC)一般是指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的各个设备都能正常工作而又不互相干扰，达到“兼容”的状态。也就是说EMC包括两方面的含义：第一，电子设备或系统内部的各个元件、部件和子系统，在它们所处的内部和外部电磁环境中，能按原设计要求正常运行。第二，该设备或系统自己产生的电磁噪声必须限制在一定的水平内，不造成严重电磁污染而影响其他设备或系统的正常运行。

电磁兼容所包含的上面两个方面都涉及电磁环境这一概念，实际上电磁环境是由空间、时间和频谱3个要素组成，所有需要解决的电磁兼容问题都脱离不开这3个要素。因此，控制电磁干扰源的辐射能量、切断电磁干扰的耦合通道、提高被干扰设备或系统的抗干扰能力是电磁兼容性研究的主要内容[5]。

可见,为了使设计的北斗船载接收机终端系统稳定、可靠的工作，且具有较强的抗干扰能力，设计时全面考虑EMC设计是十分必要的。否则设计出的产品EMC试验通不过，不但影响产品的安全性和可靠性，而且重新设计也要增加系统的开发周期和成本，从而带来诸多不利的问题。EMC设计所采用的抑制元器件和重新设计所带来的附加成本最小；确保产品在其使用环境中存在不可避免的外部噪声时能够正常工作。可以说，EMC设计与整个系统的技术或者功能性设计一样重要。

2.1 船载终端电磁干扰的产生

电磁干扰是由电磁干扰源发射电磁能量,经过耦合途径传输到被干扰设备。在船上系统的干扰源主要有：

1)各种电源电路的断开和接通，使电压或者电流骤变而成为干扰源；

2)远距离的无线电干扰源，通过电磁辐射干扰北斗接收机模块，将干扰直接耦合到终端系统；

3)雷达天线发射的电磁波对系统产生的干扰；

4)GPRS通信模块在进行数据发射时产生的瞬间电流；5)操作人员自身的静电荷，直接接触系统时也会有放电现象，直接干扰系统。

以上电磁干扰源主要通过电源线、地线、信号线将干扰以传导耦合的方式引入敏感单元；以公共阻抗耦合的方式传播，这主要是不良的接地方式引起的；以辐射耦合的方式，载荷导线或元器件会辐射电磁场，因而元器件之间、导线之间、导线与元器件之间会通过分布电容或互感产生感应电压；以导线间感应耦合方式，若线间距离较小、信号强、频率高时会产生线间耦合[5]。电磁干扰对北斗接收机的影响及传播示意图如图2所示。

图2 电磁干扰传播示意图Fig. 2 diagram of EMI

2.2 电磁干扰抑制措施

船用电子设备的电磁兼容性设计必须达到两个目的，一是通过优化电路和结构方案设计，将干扰源本身产生的电磁噪声强度降低到能接受的水平；二是通过各种干扰抑制技术将干扰源与被干扰电路之间的耦合减弱到能接受的程度[6]。控制系统及设备通常采用屏蔽技术切断干扰的传输途径，采用接地技术来抑制强电设备运行时干扰源的发射，采用滤波技术和合理布线等提高敏感设备的抗干扰能力，在硬件电路设计和软件设计等方面采取抗干扰措施[7]，并且有良好的PCB布局。本文主要从硬件电路设计（这部分将在3.3节做详细的讲解）来探讨北斗船用接收机的抗电磁干扰和兼容性能。

2.2.1 屏蔽设计原理

屏蔽技术用来抑制电磁干扰沿着空间传播，即切断电磁干扰的传输途径。通常用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，将电磁辐射屏蔽在系统外面，同时将系统的电磁辐射封闭在系统内部。由于交变电磁场通过金属材料表面或由金属材料表面包围的孔眼时，金属材料因感应电势形成涡流而产生的磁场恰好与原来的磁场方向相反，可以抵消部分原磁场从而起到屏蔽作用。因此船舶电气设备机柜尽量为钢结构金属屏蔽外壳，船用接收机的关键部位（接收机的设备射频前端部分）应该采用金属屏蔽壳。可以有效地防止屏蔽体外面电磁场进入设备内部，也防止或削弱设备向外发射电磁干扰[7]。

2.2.2 接地和滤波技术

船用电子设备选择合理接地方式，信号采用隔离传输方式，与其他系统设备不共地。地线是信号流回源的低阻抗路径，地线的阻抗不为零，当电流流过阻抗不为零的地线会产生压降，形成干扰。克服地线干扰的关键是处理好各回路的接地设计。例如接收机或者其他设备电源板上DC-DC 变换源的开关线圈与射频前端混频地回路空间距离太近，前者漏磁场通过地回路在混频输入端产生一个开关调制信号，致使接收机机信噪比下降。在产品设计的时候应调整布局、系统设备接地、减小地回路面积、阻隔地环流。

滤波主要用于电源干扰和信号线干扰。常用的滤波装置是滤波器。滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性网络，可以串联到传输线中，对不需要的频率进行抑制。滤波器设计的出发点是尽可能减小电源频率的损耗，在其他频率上则要尽可能地失配，利用滤波器的反射和吸收损耗性能达到抑制干扰传播的目的。电源干扰滤波器通常采用低通形式，有时也采用有源选通形式。本文在电源输入端均应加装抗电磁干扰的电源滤波器并可用串联和并联RLC组合的形式。滤波器安装时接地电阻的大小将直接影响到干扰抑制性能，只有正确安装滤波器，才能达到预期效果[7]。

2.3 电磁兼容电路设计

2.3.1 射频前端电路设计

接收机依赖于外部的RF信号，因而很容易受到RF干扰影响。由于天线视野范围内所有卫星的GNSS信号都低于热噪声电平，若在设计时不考虑RF干扰对接收机硬件的影响，则接收机前端（模拟的）硬件需要相当大的增益和很小的动态范围。接收机前端硬件有一定的动态范围是很重要的，这将容许由元器件容差、老化以及温度变化而引起的前端增益变化[8]。

射频前端是北斗船用接收机最易受电磁脉冲影响的部位，为了降低或限制耦合到接收机系统的电磁脉冲能量，在射频前端可采取限制天线的耦合、限制耦合能量传播的系统内部的数量等方法。这个方法可采取各种形式的滤波器和限幅器来实现,本文采取模块化设计，将滤波器及限幅器封装在金属壳内。从而有效地降低了射频前端给接收机带来的干扰，射频前端电路如图3所示。

图3 射频前端电路Fig. 3 RF front-end circuit

2.3.2 接口电路设计

目前船舶驾驶台导航设备均采用RS-422接口进行数据互联，由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS-232更强的驱动能力，允许在相同传输线上连接多个接收节点，所以RS-422支持点对多的双向通信，采用全双工通信模式，抗干扰能力强，能给ECDIS和雷达等导航设备提供实时北斗导航定位信息[9]。电路如图4所示。

2.3.3 电源端口电路设计

船上电压的变化（如过压、欠压、浪涌和瞬变电压等）、持续噪声或杂波以及瞬变所形成的电源干扰，主要是通过电源端口线传入接收机终端的，干扰其正常工作。因此，电源端口的干扰抑制成为电磁兼容设计的重点。北斗卫星导航船用接收机终端的电源采用+5V供电，在电源端口处串接如图5所示的前级抑制干扰滤波器。

通过以上的抗干扰措施，输出的DC 3.3 V就比较干净了，后接稳压块等向电子电路供电。该电路满足IEC 61000-4-2，IEC 61000-4-3，IEC 61000-4-4，IEC61000-4-5等标准要求，并通过抗扰度试验。

2.3.4 PCB电磁兼容设计

在电子设备的设计中，PCB 设计作为电子设备设计中的关键性基础设计步骤，尤其在高速电子电路设备的设计中，PCB 的电磁兼容性设计可谓是关键中的关键，它的电磁兼容性的优劣直接影响着电子设备的性能。在PCB上有许多情况可以引起电磁干扰，在PCB设计阶段采取措施解决此类电磁兼容问题非常重要[10]。

1)PCB 分层

图4 RS-422接口电路Fig. 4 RS-422 interface circuit

图5 端口电源电路Fig. 5 Port power supply circuit

图6 PCB设计图Fig. 6 PCB Design

从抑制电磁干扰的角度分析，多层板可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。因为具有一定电压和较高频率的印制板边缘场会向空间辐射电磁能量。印制线间距比较小时，两线之间会发生电磁串扰，串扰会使有关电路功能失常。

2)PCB 的布局

①以每个功能单元的核心器件为中心，其它元件围绕它进行布局；

②尽量缩小高频器件的连线；

③对于电源线、高频信号线和一般走线之间要防止相互耦合；

④敏感器件布局时不能靠的太近，输入输出元件要远离。

3)布 线

电源线布置应与地线布置结合起来考虑，以便构成特性阻抗尽可能小的供电电路。为减小供电电路的特性阻抗，电源线和地线应该尽可能粗，并且相互靠近，供电环路面积应该减小到最低程度，不同电源的供电环路不要互相重叠。根据PCB 电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，合理的地线设计和过孔设计也能有效的提高系统的抗干扰能力，PCB设计图如图6所示。

3 结束语

船用电子设备电磁兼容性能否满足设计规范要求，是设计产品的一个很重要的指标，文中首先从抗电磁干扰的接收机总体设计原理、船上电磁干扰源以及干扰源如何对北斗接收机造成干扰等方面进行研究和分析。提出了船载北斗卫星导航接收机在系统设计时的抗电磁干扰相应的优化措施。从系统关键电路原理设计（包括射频前端抗电磁干扰电路、信号传输的接口电路、电源电路等）、PCB设计（包括板层设计、元件布局、布线、PCB底线、过孔等方面设计），都采用电磁兼容理论降低各种干扰。以上的设计在理论上满足了船用电子设备电磁兼容性能要求，产品是否能满足船用标准，还需要进行实船测试。文中主要是通过硬件以及外部条件来提高接收机的抗电磁干扰能力，也可以从软件入手，在接收机系统软件内部设计好防电磁干扰的程序，从而提高接收机的电磁兼容性能。

[1] Jaekel Bernd W.Emc and functional safety-challenges and standards[J].Proeeedings of the 7th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electro-magnetec Ecology St Petersburg,Russia,2007:208-211.

[2] Rao K R,Satav S M,Sarma V V R.EMI controlling in a rugged launch computer[J].Proceedings of 2005 International Symposium on EMC,Chicago,llinois,USA,2005(3):721-725.

[3] 应士君,邹绪平,刘卫,等.基于北斗二代系统的船用导航仪硬件设计及关键算法研究[J].科学技术与工程.2012.12(9):2237-2238.YING Shi-jun,ZOU Xu-ping,LIU Wei,et al.Research on hardware design and key algorithm of marine navigation based on COMPASS system[J].Science Technology and Engineering,2012,12(9):2237-2238.

[4] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2009:372-374.

[5] 王尔申.GPS接收机及其应用的关键技术研究[D].大连:大连海事大学,2009.71-72.

[6] 余运江,何宇林,臧 曙.船舶电气设备电磁兼容性探析[J].设计开发,2010.24-26.YU Yun-jiang,HE Yu-lin, ZANG Shu.Discussion on the electromagnetic compatibility of marine electrical equipment[J].Design & Development.2010.24-26.

[7] 潘艳,骆立强,杨永强.船舶控制系统及设备电磁兼容性设计[J]. 舰船科学技术,2013,35(6):62-64.PAN Yan,LUO Li-qiang,YANG Yong-qiang.The Design of electromagnetic compatibility in marine control system and equipment[J].Ship Science and Technology,2013,35(6):62-64.

[8] Elliott D,Kaplan,Christopher J,Hegayty.GPS原理与应用[M].寇艳红,译.北京:电子工业出版社,2007:181-185.

[9] 应士君,邹绪平,刘卫,等.基于北斗二代系统的嵌入式船用导航仪硬件设计[J]. 电子设计工程,2012,20(8):164-166.YING Shi-jun,ZOU Xu-ping,LIU Wei,et al.Hardware design of embedded marine navigation based on COMPASS system[J].Electronic Design Engineering,2012,20(8):164-166.

[10] 王艳春,祖静,崔春生.印制电路板的电磁兼容性设计[J].计量与测试技术,2011,38(1):47-49.WANG Yan-chun, ZU Jing, CUI Chun-sheng.Electromagnetic compatibility design of PCB [J].measuring and testing technology.2011,38(1):47-49.