机动大功率甚低频发射机的电磁兼容设计与工程实现

2015-08-12陆艳艳

河南科技 2015年1期

陆晨陆艳艳

（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司，北京 100141）

1 引言

机动大功率甚低频发射机与机动天馈系统及配属辅助设备一起，构成甚低频机动通信系统，可在固定台站出现问题时接替其工作，快速、机动地完成发信任务。为了实现机动的目的，发射机集成在便于公路机动的方舱内，空间狭小，设备集成密度很高。同时，由于发射机输出功率达到几百千瓦（天线调谐电路末端输出电压在100kV以上，输出电流在200A 以上），其自身会产生很大的电磁能量，而且发射机在工作时与天线距离很近，发射机周边的电磁场场强很大。如果发射机没有良好的电磁兼容性，会造成采集、传输数据错误，从而引起对设备的控制失误，严重时甚至会造成设备损坏和人员伤亡。因此，控制电磁干扰影响，实现机动大功率甚低频发射机整体电磁兼容性，成为发射机稳定可靠工作的决定因素之一。

2 机动大功率甚低频发射机组成介绍

机动大功率甚低频发射机由功放方舱和调谐方舱构成。功放方舱内包括综合显示控制子系统、功放子系统、电控子系统、现场总线子系统、电源分配子系统、随车假负载和发信控制终端等。调谐方舱内包括调谐电路子系统、调谐控制子系统及视频监控装置等。两个方舱通过现场总线子系统进行数据交换。

3 机动大功率甚低频发射机电磁干扰特点

电磁干扰（EMI）实际上就是电子设备产生的连续、随机和周期性的电噪声。为了进行电磁兼容设计，必须对机动大功率甚低频发射机电磁干扰产生的机理和干扰路径进行科学的分析，找出特点和重点，以确定合理的方法和手段并设计出电磁兼容的系统[1]。

3.1 电磁干扰路径

典型的电磁干扰路径必须具备三个要素：噪声源、对噪声敏感的接收器和将噪声从源头传送到接收器的耦合路径。只有这三个要素全部具备，才会产生电磁干扰问题。若能够实现以下三项中的任何一项或多项，就可以有效切断电磁干扰路径，包括：①在噪声源头对噪声进行抑制；②降低敏感电路对噪声的敏感程度；③减少通过耦合路径传输的噪声大小。

3.2 机动大功率甚低频发射机电磁干扰产生的机理

机动大功率甚低频发射机主要功能是将外部电网提供的电能转化为射频电磁能量，与辐射体（天线）阻抗匹配后，将射频电磁能量以电磁波形式传输到自由空间中。主要的噪声源包括： ①发射机本身产生的大功率射频电磁能量；②大功率整流设备在电网中产生的谐波；③天线辐射出的近场电磁波能量。

发射机中有大量低电压模拟、数字信号电路和小信号数据传输线路，这些电路和线路对电磁干扰都很敏感。发射机中的敏感电路主要是各种小功率电子设备、数据采样装置、模拟弱信号取样装置、高速小信号数据传输线路等。

通过电场（容性）或磁场（感性），发射机中的干扰源将能量传送到其它电路中。发射机中从源头传送到接收器的耦合路径主要有磁场耦合路径、电场耦合路径和共阻抗耦合路径。其中，由于发射机工作频率较低、电流较大，特别需要注意磁场耦合。

3.3 机动大功率甚低频发射机电磁干扰特点

综合来看，与一般电子系统在电磁干扰方面相比，机动大功率甚低频发射机有以下一些特点： ①在工作时必然产生较大的射频电磁能量，造成对自身设备的电磁干扰；②工作频率较低、电流较大，需要特别注意低频磁场耦合造成的影响；③由于只有唯一的供电输入，大功率设备工作时产生的电网波动和谐波对发射机中所有用电设备均会产生影响；④设备集成密度高，大功率设备与小功率设备、强信号传输线缆与弱信号传输线缆混杂在一起，信号串扰严重； ⑤发射机控制及操作地点位于大功率设备方舱中，要注意对人员的电磁安全防护；⑥由于配接的天线高度较高、体积较大，从天线引入雷电放电电流可能性较一般系统高，且引入的电流强度较大； ⑦为便于机动，无法配备良好的接地设施。

4 机动大功率甚低频发射机电磁兼容设计

为了抑制各种电磁干扰对发射机中设备的影响，电磁兼容设计工作主要在方舱、供电、信号连接线缆、防浪涌、滤波、接地等设计方面开展。设计的原则是：①尽可能抑制干扰源产生的能量；②尽量降低敏感电路的敏感度；③隔离切断耦合传输路径。

4.1 机动方舱电磁兼容设计

发射机工作时自身产生的大功率射频电磁能量和天线辐射出的电磁波都会对周边电子设备造成干扰。为了降低这两方面的干扰影响，最有效的方法是对发射机进行屏蔽，这既可抑制发射机自身产生的干扰又可抑制天线辐射对发射机内设备的干扰。

由于本发射机工作频率较低，发射机内部和天线附件的电、磁场均为近场，在考虑屏蔽措施时需将电场和磁场分开考虑。而且发射机工作时电流较大，近场的波阻抗较小，所以对低频磁场的屏蔽成为设计重点。对于低频磁场，一般使用铁磁材料（如铁或导磁率高的合金），但由于发射机工作频率比较特殊，在此处使用铁作为屏蔽材料会因为涡流效应使铁加热，引入很大损耗。若只使用铝作为屏蔽材料，则需要屏蔽层厚度较厚，这样会明显增加发射机的重量。因此在本发射机的屏蔽方式上不能采用传统高频系统的屏蔽方式，而是需要采用较为特殊方式才能达到较好的屏蔽效果。在此，我们设计了1mm 厚的铜板为内屏蔽体，2.5mm 厚的铝材为外屏蔽体的双层屏蔽结构。

屏蔽体对磁场或电场的总屏蔽效能约为：

其中A 为吸收损耗，R 为反射损耗，B 为薄屏蔽体中多次反射的校正因数。 1mm 厚的铜板，相对磁导率为1，相对电导率为0.35，在15kHz 时吸收损耗为：

假设发射机内部的干扰源与屏蔽体相距30cm 以上，则磁场反射损耗为：

因为吸收损耗大于9dB，多次反射的校正因数可以忽略不计，所以铜屏蔽体对发射机内部磁场总屏蔽效果为：

外层2.5mm 厚的铝屏蔽体对磁场的总屏蔽效能按计算约为75dB。在具体设计时由于孔洞的存在，屏蔽效能将有一定程度的下降。但即使如此，双层屏蔽方舱对磁场的总屏蔽效能也可以达到60dB 以上，这样可以有效抑制发射机内部磁场对外部设备的干扰，同时抑制天线辐射磁场（近场）对方舱内部设备的电磁干扰。

由于使用了铜、铝这样的良好导体材料作屏蔽体，所以对电场干扰的反射损耗很大。以铜导体为例，相对磁导率为1，相对电导率为0.35，与屏蔽体相距30cm，在15kHz 时反射损耗为：

因此方舱对电场屏蔽效能很好，可以有效抑制发射机内部电场对外部设备的干扰，同时抑制天线辐射电场（近场）对方舱内部设备的电场干扰。

4.2 设备供电电磁兼容设计

机动大功率甚低频发射机的供电为外部输入的交流380V/50Hz（三相四线制），发射机中的大功率设备、控制设备、照明、排风扇、空调及采集检测装置都使用此交流电源[2]。大功率整流装置工作时，会造成交流供电线路上有很大的高次谐波电流，会对其它小功率用电器和装置造成很大的影响。发射机供电电磁兼容设计时，我们将大功率设备与其它用电器的走线分隔开来，并在控制设备、采集检测装置等的电源输入端安装隔离变压器，使这些设备与供电输入实现电气隔离，有效抑制了高次谐波电流干扰和低频段共模干扰。

图1 隔离变压器示意图

4.3 滤波设计

在设备供电隔离变压器的输出端，安装了电源滤波器，用于滤除电源中感应到的射频干扰等。在照明设备、排风设备上加装高频滤波器，滤除射频干扰。进出方舱的信号电缆全部在信号穿舱转接板处进行滤波处理，防止将干扰通过信号线带入/带出方舱。所有机柜、控制台、设备均安装必要的电源滤波器，并对机壳的接地统一进行规划和要求。这些设计措施可有效抑制通过电源、电缆传导的电磁干扰。

4.4 信号连接线缆电磁兼容设计

由于光纤具有抗电磁干扰的先天优势，所以非常适合在大功率发射机中应用。本发射机中对功放控制、现场总线网络的主干线路、功放方舱与调谐方舱之间的数据链路都是通过光纤实现的。对于近距离数据传输，使用屏蔽双绞线，但为了避免构成地环路，一般使用单端接地方式。在布置线缆时，全盘考虑所有供电、信号传输、机构控制等电缆，将其按信号电压高低、传输电流大小、信号速率快慢等分为多类，各类线缆在布线时避免混在一起。

4.5 模拟采样信号电磁兼容设计

在发射机中有许多信号采集装置对发射机工作参数（如电流、电压等）进行采集，这些装置获得的信号有很大部分是较弱的模拟信号[3]。如果在强电磁环境下（如调谐主电路附近）传输这些信号，会对信号产生严重干扰从而造成信号严重失真。因此在设计发射机模拟弱信号采集装置电磁兼容时，我们对需要长距离传输的模拟弱信号进行了V/F-F/V 转换，并使用光纤作为传输线路。

4.6 执行机构和开关量检测装置电磁兼容设计

发射机中有大量的电控开关等执行机构，这些机构若受到干扰将会引起发射机误动作。在进行执行机构电磁兼容设计时，综合考虑价格、实现难度等因素后，确定使用高控制电压的方法。高的控制电压可以有效降低器件对电磁干扰的敏感度。

发射机中还有大量的状态开关量信号，在进行电磁兼容设计时，将开关量的检测电路设计成电流环方式，这样可有效降低电路对电磁干扰的敏感度。

4.7 防浪涌设计

由于发射机中的设备都装在屏蔽方舱中，所以浪涌主要集中在电源输入端、调谐输出端及信号电缆输入/输出端。在设计电源分配子系统时，安装了电源防雷保护器，避免电源线遭雷击时造成设备损坏。在调谐方舱输出端，为防止天线引入的雷击电流导致发射机设备损坏，安装了放电球并且在调谐主电路中设计了雷电泄放线圈，用于对雷电电流进行泄放。为了防止残余的雷电电流和电压损坏功放，在功放的输出端安装了氧化锌避雷器，这样的逐级防雷电措施可以保护发射机中设备不被雷电损坏。信号电缆引入的浪涌主要是雷电电磁脉冲在电缆上感应产生的高压污染，防浪涌设计时在信号电缆输入/输出的穿舱转接板处设计了瞬态抑制电路，防止雷电感应引起的浪涌进入发射机中。

4.8 接地设计

屏蔽方舱内覆盖了良好电连接的铜板，这就使方舱成为一个等势体，并且可为发射机中设备提供一个低阻抗的接地平面。由于发射机中大功率射频电流也要流过部分地平面，所以产生IR 压降，造成发射机地平面各处之间存在地点位差。接地设计时的重点就是有选择性地对设备地线进行分组，确保噪声水平相差较大的电路不会共享同一回流区域。

5 工程实现

电磁兼容是设计出来的，但所有设计指标转化为实际的性能必须依靠工程实现来保证。

5.1 方舱电磁屏蔽实现

方舱由内部铜屏蔽体和外部铝屏蔽体构成。内部的铜屏蔽体起到对低频电、磁场主要屏蔽作用，屏蔽体整体需保证具有良好的电连续性。若在各铜板的接缝处采用填充导电衬垫的方式，由于板材长度较长，各处承受的压力不均匀，无法保证接缝处的良好电连续性。因此在制作方舱铜屏蔽体时，我们在铜板接缝处采用了重叠层压方式并使用高频焊接，使各铜板完全融为一个整体。这样既保证了屏蔽体良好的点连续性，又满足了屏蔽体的结构强度要求。

在功放方舱铜屏蔽体的1/4 处制作了屏蔽隔断，将功放方舱分隔为完全独立的两个屏蔽舱室。

5.2 发射机内设备的布局

发射机内设备的布局对电磁兼容有很大的影响，如将高集成密度的大功率设备与小功率设备混杂在一起，会造成设备间严重的电磁兼容问题，此时能够解决这些问题的手段极其有限且效果不佳。解决高集成密度系统的较好方法是在设备布局上将不同功能、不同功率等级、不同电压和电流等级的设备进行分组，差别较大的分组尽量从空间和距离上分开布置。这样通过空间隔离的方法可以获得较好的电磁兼容性能，并且方便合理地规划系统整体接地方式。

5.3 电缆布线及安装

发射机中需要敷设大量的电缆，这些电缆有供电电缆、大电流射频电缆、设备控制信号电缆、网络传输电缆、数据传输电缆、状态信号采集传输电缆等。这些电缆传输的信号电压从几十千伏到几毫伏，电流从几百安到几毫安，频率从直流到几十兆赫兹。若在布线时不对这些线缆进行特殊规划和处理，通过电缆间的容性或感性耦合，会在线缆间造成严重的信号串扰，影响发射机工作的可靠性。

为消除信号间的串扰，在发射机设备合理布局的基础上，再按传输的电流、电压、信号频率等对电缆进行分组。在线缆布置时，不同组的电缆不能混在一起，信号差别越大的电缆组越需要从空间上尽量隔离开。以放在操作室中的设备柜的布线为例，柜中各设备的电源电缆沿机柜左侧敷设，数据传输电缆则右侧敷设，模拟信号则沿机柜中间敷设，这样可以有效降低线缆间的相互串扰。在方舱中，对于电力、照明及与电网有联系的控制电缆，尽可能靠近方舱壁敷设；大电流射频电缆与其它电缆尽量远离；弱信号数据传输电缆均使用穿管方式敷设。