军工装备产品的电磁兼容设计

倪旭东，陈志列，曹霞

（1. 研祥智能科技股份有限公司，广东 深圳 518057；2. 国家特种计算机工程技术研究中心，广东 深圳 518057）

军工装备产品的电磁兼容设计

倪旭东1，2，陈志列1，2，曹霞1，2

（1. 研祥智能科技股份有限公司，广东 深圳 518057；2. 国家特种计算机工程技术研究中心，广东 深圳 518057）

本文提出了一种军工装备产品的电磁兼容设计方法，从设计前段充分考量电磁兼容因素的角度出发，在产品开发的每一个阶段进行设计检视，经由系统级的不同分析考量，从元部件选型、电路原理图、PCB板卡布局布线、外观结构、互连线材设计等方面的方案对策一步到位，以满足国家法律法规的电磁兼容设计要求，符合相关军用标准GJB 151B-2013 军用设备和分系统——电磁发射和敏感度要求与测量中的要求。

电磁兼容；滤波；屏蔽；接地

0 引言

通常，民用电子设备的电磁兼容要求只需要满足民用标准GB9254《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》以及GB/T 17618《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》就可以了，如果是军工装备产品，则需要满足GJB 151B-2013 军用设备和分系统——电磁发射和敏感度要求与测量要求。

军工装备产品的电磁兼容标准相对民用标准，要求提升比较大。以无线电辐射发射测试为例，民用标准GB9254最严格的辐射B级要求的限值最低是30dBuv，而且采用的是准峰值检波方式。采用准峰值检波是民用电磁骚扰发射测试特点，由于民用的电磁兼容产品族标准都是从CISPR标准转化过来的，这些标准都是为了保证通信和广播的畅通而编制的，因此骚扰对通信和广播的影响最终是由人的主观听觉效果来判断，平均值检波和峰值检波都不足以描述脉冲的幅度、宽度和频度对视觉造成的影响，而必须用准峰值检波，只有准峰值检波才比较符合人耳对声音的反应规律。准峰值（QP），所表现的是测量信号能量的大小。由于准峰值检波器的充电时间要比放电时间快得多，因此信号的重复频率越高，得出的准峰值也就越高。准峰值检波器还能以线性方式对不同幅度的信号起响应。这样，准峰值既可以反映信号的幅度，也能反映信号的时间分布。

而军工装备产品测试采用的是峰值（PK）检波方式，所表现的就是测量波形的瞬时最大值[1]。对应的峰值检波器就要求电路的充电足够快，而放电足够慢。峰值的大小只取决于信号的幅度。也正因为如此，在测量的时候用峰值检波扫描，只要所有信号的峰值都处于限值的下方，则EUT是合格的，无需进一步测量。

峰值（PK）检波：它的充电时间常数很小，即使是很窄的脉冲也能很快充电到稳定值，当中频信号消失后，由于电路的放电时间常数很大，检波的输出电压可在很长一段时间内保持在峰值上。峰值检波的特点首先在军用设备的骚扰发射试验中被优先采用，因为众多军用装备只要单次脉冲的激励就可以造成爆炸或数字设备的误动作，而无需像音响设备那样讲究时间的积累。在辐射发射的能量强度比较上，信号QP值总是小于或等于其Peak值。最严格的陆军地面要求的限值最低是24dBuv，而且采用的是峰值（PK）检波方式，相对而言，难度增加不少。

另外军工装备产品具有较高难度的一项技术指标是RS103电场辐射敏感度，国家常用的信息技术设备电磁兼容标准要求最高的三级只要求测试到10V/m，严酷行业如电力环境的最高等级测试到20V/ m，但是军工装备产品严酷程度视应用场合而有不同，有些应用场合需要满足60 V/m，有些应用场合甚至需要满足200V/m[2]。电场辐射抗扰度等级要求提升较高，设计及测试难度要求非常大。

随着计算机技术的迅猛发展，CPU内存硬盘处理速度的大幅提升以及I/O接口的多样化，设计难度越来越高，对于满足军工应用场合的电磁兼容设计能力的挑战也越来越大，因此，迫切需要提炼一种军工装备产品的电磁兼容设计方法，使军工装备产品达到满足国军标电磁兼容设计要求的目的。

1 设计机理

电磁兼容设计在产品开发的每一个阶段无处不存在，需要在方案设计、元部件选型、电路原理图设计、PCB板卡布局布线设计、外观结构设计、互连线材设计各方面做好充分的方案对策才能达到更经济、更有效的预期结果。以下从各方面具体详述设计的方法思路：

1.1 输入电源设计

在电源输入部分，板卡设计时采用∏型电源滤波电路（共模差模电感及差模共模电容的组合），采用电源差模、共模2级滤波电路，差模干扰可调整 X 电容量及差模电感量，共模干扰可调整 Y电容量及共模电感量，且需要考虑磁芯的频率特性问题。对于无法在板卡上进行对策方案处理的情况，需要增加独立电源滤波器。电源滤波器是一种无源双向网络，它一端接电源，另一端接负载。在所关心的衰减频带的较高频段，可把电源滤波器看作是“阻抗失配网络”。网络分析结果表明，滤波器阻抗两侧端口阻抗失配越大，对电磁干扰能量的衰减就越是有效。由于电源线侧的共模阻抗一般比较低，所以滤波器电源侧的阻抗一般比较高。为了得到较好的滤波效果，对低阻抗的电源侧，应配高输入阻抗的滤波器；对高输入阻抗的负载侧，则应配低输出阻抗的滤波器。普通的电源滤波器对于数十兆以下的干扰信号有较好的滤波作用，在较高频段，由于电容的电感效应，其滤波性能将会下降。对于频率较高的干扰情况，要使用馈通式滤波器。该滤波器由于其结构特点，具有良好的滤波特性，其有效频段可以扩展到GHz。一般建议采用性能较好的军用电源滤波器。

电源滤波器的使用，最重要的问题是接地问题。不好的接地提供了一个公共阻抗，它随着频率的上升而增大，并直接通过滤波器的本地接地线路耦合高频干扰。因为分布电容及互感的作用，共用输入、输出线也会产生同样的结果；另外，也可能因为不合理的走线使原本干净的线缆耦合没有被滤波的线缆。只有接地良好的滤波器才能发挥其滤波作用，否则是没有价值的。滤波器使用要注意以下问题：

电源滤波器放置在电源的入口位置；

馈通滤波器要放置在机箱（机柜）的金属壁上；

电源滤波器直接与机柜紧密良好导电连接，滤波器下面不能涂保护漆；

滤波器的输入输出引线不能并行，交叉。正确的电源滤波器安装方式如图1所示。

图1 正确的滤波器安装方式Fig.1 the correct filter installation

但是由于很多军工装备产品使用航空头接出，或者使用其他类型的插头，滤波器不能紧靠着机壳安装，接头和滤波器之间留有部分电缆，有时还很长。这部分电缆没有经过滤波，如果外部干扰被这段电缆带入，容易造成抗干扰测试不能通过。对这种情况需要为滤波器及输入电缆部分设计一个金属屏蔽罩，防止内部主板电源LCD等干扰源的辐射耦合到这部分电缆上。如图2虚线部分。

图2 改进的滤波器安装方式Fig.2 the improved filter installation

1.2 滤波设计

完全消除以传导方式沿着连接电缆进入设备或离开设备的噪声是不可能的。滤波的目的只是将这些噪音衰减到一定的水平，使设备输出的噪声满足制定的规范要求，或使进入设备的噪声不足以使设备产生故障[3]。滤波电路是由电感、电容、电阻、铁氧体磁珠和共模线圈构成的频率选择性网络，低通滤波器是电磁兼容抑制技术中普遍应用的滤波器。通常，滤波的目的是衰减高频分量，同时通过低频分量。为了减小电源和信号线缆的内外部干扰，接口电路和电源电路必须进行滤波设计。

若滤波器中包括损耗性器件，如电阻器或铁氧体元件，则噪声能量被吸收并在滤波器中耗散；若不包括（如元件是纯电抗性的），则能量被反射到源，在系统的其它地方耗散，所以应当注意要将滤波器设计成损耗型的。需要注意电容器的插入损耗随频率的增加而增加，直到频率达到自谐振频率后，由于存在导线和电容器电极的电感在电路上与电容串联，于是插入损耗开始下降。

输入输出信号处理，在端口加上共模电感或磁珠以及高频旁路电容处理，将高频能量旁路掉。旁路是从元件或电缆中转移出不想要的共模射频能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带绿波功能（带宽受限）[4]。如图3所示。

图3 正确的滤波器安装方式Fig.3 the correct filter installation

1.3 箱体屏蔽设计

屏蔽和滤波可以互为补充。如果滤波后的电流没有回流路径可用，那么应用好的滤波与电路设计方案来防止传导耦合没有什么意义[5]。机箱壳体提供了这种回路，还避免了与内部电路和导体的电磁场的直接耦合。屏蔽需要围绕电路的关键部分放置一个导电表面，以吸收和反射相结合的方式衰减耦合到电路的电磁场。如果要做到低频段的保护，则应将屏蔽体设计成一个全金属的外壳。如果只是满足高频保护，那么在塑料表面上的薄导电镀膜已经足够。

屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。电磁场通过金属材料或喷导电漆的非导电外壳隔离时，电磁场的强度将明显降低。在机箱屏蔽设计的要点上，采用金属屏蔽机箱或薄导电镀膜的非导电外壳，以阻挡辐射干扰的传播，可以避免空间电磁场直接进出机箱内部；屏蔽体采用嵌入式结构，四周的结合部采取折边处理，加强良好导电接触。常规机箱开孔的问题，机箱开孔设计中，满足至少1/20波长的要求。

此外，针对设计有开窗如液晶显示屏的军工装备产品，需要采用电磁屏蔽玻璃方案应用于有电磁兼容要求的所有窗口。确保导电层（膜、丝网）与机箱箱体无缝导电连接。安装屏蔽玻璃时，一定要将金属丝网紧贴显示窗内壁，保证接触处没有缝隙，以防电磁泄漏。

1.4 电缆设计

来自系统或者耦合进入系统的最重要的辐射源是外部电缆。因为长度关系，与电磁环境的相互作用比机壳、PCB或者其他机械结构更有效。必须对组成连接到设备接口的电缆与连接器进行详细说明，主要目的是防止电缆产生差模辐射。电缆的共模电流既不是信号电路在电缆上留下的，也不是外部电磁场经由电缆耦合进入信号电路的。一个没有滤波和屏蔽的接口，会成为外部发射和不期望的系统内部耦合的路径。在连接器的接口处，对电缆屏蔽层进行端接的方法是保证电缆屏蔽特性的关键。

电缆穿透壳体会将屏蔽体内外通过导线连通，等效于两个背靠背的天线，对屏蔽体的屏蔽效能有极大的影响。为了避免电缆穿透对屏蔽体的影响，可以从几个方面采取措施：

1）采用屏蔽电缆，屏蔽电缆在出屏蔽体时，采用夹线结构，保证电缆屏蔽层与屏蔽体之间可靠接地，提供足够低的接触阻抗。

2）采用屏蔽电缆，用屏蔽连接器转接将信号接出屏蔽体，通过连接器保证电缆屏蔽层的可靠接地。

3）采用非屏蔽电缆，采用滤波连接器转接，保证电缆与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。

4）采用非屏蔽电缆，电缆在屏蔽体的内侧（或者外侧）要足够短，使干扰信号不能有效地耦合出去，从而减小了电缆穿透的影响。

5）电源线通过电源滤波器出屏蔽体，保证电源线与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。

6）采用128目以上编织密度的屏蔽线材，屏蔽层与屏蔽机箱要360°端接。

1.5 接地设计

接地是抑制电磁干扰[6]、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。正确的接地既能抑制干扰的影响，又能抑制设备向外辐射干扰；反之错误的接地反而会引入严重的干扰，甚至使电子设备无法正常工作。接地的目的有两个：一是为了安全，称为保护接地。电子设备的金属外壳必须接大地，这样可以避免因事故导致金属外壳上出现过高对地电压而危及操作人员和设备的安全。二是为电流返回其源提供低阻抗通道。

工作地是单板、母板或系统之间信号的等电位参考点或参考平面，给信号回流提供了低的阻抗通道。信号质量很大程度上依赖于工作接地质量的好坏。由于受接地材料特性和其他技术因素的影响，接地导体的连接或搭接无论做的如何好，总有一定的阻抗，信号的回流会在工作地线上产生电压降，形成地纹波，对信号质量产生影响；信号越弱，信号频率越高，这种影响就越严重。所以要根据实际应用情况采用单点接地或者多点接地的技术。

2 应用案例

如图4所示，研祥智能科技的15寸下翻盖便携机应用于装备产品检测、维护，适用于车载和野外环境下工作，用作音视频数据采集与处理、测控与通信，装备设备维护等。现场环境电磁兼容环境复杂多变，需要满足高要求的国军标规格。通过本文的电磁兼容方案实施，符合军用环境的陆军地面要求。

采用以上设计方案后的产品在第三方军标实验室RE102的测试条件如表1所示、测试数据如图5所示；

图4 授权访问方法应用案例示意图Fig.4 Grant access method application case diagram

CE102的测试条件如表2所示、测试数据如图6所示。

表1 第三方军标实验室RE102测试条件Tab.1 the third rE102 confederates standard laboratory test conditions

陆军地面设备RE102项目：

图5 第三方军标实验室RE102测试数据Fig.5 the third rE102 confederates standard laboratory test data

陆军地面设备CE102项目：

表2 第三方军标实验室CE102测试条件Tab.2 the third cE102 confederates standard laboratory test conditions

图6 第三方军标实验室CE102测试数据Fig.6 Third cE102 confederates standard laboratory test data

从以上相关数据分析，最容易出现电磁兼容问题的RE102高频段2MHz到1000Mhz的电平毛刺都被抑制到限值以下较低水平，CE102项目电源开关频率50KHz到1MHz之间传导发射能量被抑制到30dB以下，有着较佳的电磁兼容性能，可以同时满足陆军地面、海面舰船及空军飞机等限值要求，而且具备充足的裕量（至少5dB以上裕量），充分验证了此设计方案的有效性、先进性。

3 结束语

上面所述的军工设备的电磁兼容设计方法已经在研祥多款产品上成功实现并已向市场推广，该方法符合军工设备电磁兼容设计多样化和实用化的特点，满足军工领域电磁兼容性的设计要求。应用了本文的相关技术的产品已在多家国家权威军标电磁兼容实验室通过GJB 151B-2013 军用设备和分系统 电磁发射和敏感度要求与测量相关认证。该设计方法具有高电磁兼容性能、操作性而且实用性强，可以在军工设备行业领域大力推广。

[1] 标准：GJB 151B-2013，军用设备和分系统 电磁发射和敏感度要求与测量[S]. Standard：GJB 151B-2013，Military Equipment and Subsystem，Requirement and Measurement of Electromagnetic Emission and Sensitivity [S].

[2] 标准：GJB322A-1998，军用计算机通用规范[S]. Standard：GJB322A-1998，General Specification for Military Computers [S].

[3] Williams T，威廉斯，笛，等. 产品设计中的EMC技术[M]. 电子工业出版社，2004. T Williams. EMC Technology in Product Design [M]. Electronic Industry Publishing House，2004.

[4] 柴瑜，沙斐. 电磁兼容设计在印制电路板中的应用[J]. 电子工程师，2002，28（1）：54-57. CHAI Yu，SHA Fei . Application of EMC Design in PCB [J]. Electronic Engineer，2002，28（1）：54-57.

[5] 保罗，映红，闻. 电磁兼容导论[M]. 人民邮电出版社，2007. C R Paul. Introduction to Electromagnetic Compatibility[M]. Posts & Telecom Press，2007.

[6] 张兰勇，杜逸璇，郁嘉宇. 板级设备的电磁干扰及信号完整性研究[J]. 新型工业化，2015，5 （2）：48-53. ZHANG Lan-yong，DU Yi-xuan，YU Jia-yu. Research on PCB Signal Integrity and Electromagnetic Interference [J]. The Journal of New Industrialization ，2015，5（2）：48-53.

Electromagnetic Compatibility Design Method of Military Equipment Products

NI Xu-dong1,2, CHEN Zhi-lie1,2, CAO Xia1,2
(1. EVOC Intelligent technology co., LTD, Shenzhen, Guangdong 518057, China; 2. National Special Computer Engineering Technology Research Center, Shenzhen, Guangdong 518057, China)

For complex electromagnetic environment, an electromagnetic compatibility design method of military equipment products is proposed in this paper. From the initial design, checking every stage of product development when considering the factors of electromagnetic compatibility. Kinds of analyzing consideration from circuit component, circuit diagram, Printed Circuit Board placement and routing, external mechanism, interconnect cable design, etc. fulfils the electromagnetic compatibility requirements of the national laws and regulations by thoughtful solution, such as relevant military standard GJB 151A-1997: Electromagnetic emission and susceptibility requirements for military equipment and subsystems, GJB 152A-1997: Measurement of electromagnetic emission and susceptibility for military equipment and subsystems.

Electromagnetic compatibility; Filtering; Shielding; Grounding

倪旭东，陈志列，曹霞.军工装备产品的电磁兼容设计[J]. 新型工业化，2016，6（11）：87-92.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.11.012

: NI Xu-dong, CHEN Zhi-lie, CAO Xia. Electromagnetic Compatibility Design Method of Military Equipment Products[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(11) : 87-92.

倪旭东（1980-），男，本科，工程师，主要研究方向：电磁兼容，滤波等；陈志列（1963-），男，教授级高工，主要研究方向：计算机应用；曹霞（1986-），女，硕士，工程师，主要研究方向：电子设备，信息科学与技术等