机载计算机电磁兼容设计要点分析

席 鹏

(航空工业计算所，陕西 西安 710065)

机载计算机电磁兼容设计要点分析

席 鹏

(航空工业计算所，陕西 西安 710065)

本文首先介绍了GJB 151B-2013中对在电子设备电磁兼容性方面的要求，随后对各种可能的电磁耦合方式进行了分析，最后在PCB设计、接地、屏蔽等方面提出了一系列有效抑制电磁辐射的技术方法。

电磁兼容性；屏蔽；滤波

随着航空电子技术的不断发展，机载计算机在各类飞机上得到了广泛的应用，机载计算机集计算、处理和通信功能于一体，大大的提升了飞机各项功能、性能指标，但同时使得机上电磁环境变得更加复杂。引起飞机上部分电子设备运行出错或者无线电设备无法正常工作等不良影响，非常严重的情况下甚至会对飞行安全产生直接影响[1]。本文通过分析机载计算机电磁兼容问题产生的原因及传播途径，提出了一整套有效抑制电磁干扰的设计方法。

1 军用电子产品电磁兼容性要求

电磁兼容性的检验不仅要考核设备对电磁环境的适应能力，还要考核该设备的存在是否会造成不利于容纳其他设备正常工作的电磁环境。因此，电磁兼容性试验是双向性的试验，受测试设备(EUT)必须在承受外部电磁干扰和不对外产生电磁干扰两方面同时达标才算合格[2]。

目前，我国执行的电磁兼容试验标准为GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》(替代GJB 151A-1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和GJB 152A-1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》)，根据GJB 151B-2013标准的规定，军用电子设备的EMC试验包括表1中的21项试验，对于各种不同的电子设备，根据其军用安装平台的不同,所开展的试验项目也是不同的。

表1 电磁发射和敏感度测试项目

在上述试验项目中，有5项与电线有关，机载计算机都是非天线类电子产品，机载计算机一般为非无线通讯类设备，这5项试验一般不用考虑，其余的16项试验按其性质可分为以下4类：

1) 传导发射(Conducte Emission)是沿电源线、控制线或信号线传输的电磁信号电平的度量。

2) 辐射发射(Radiate Emission)是通过空间传播的、有用的或不希望的电磁信号电平的度量。

3) 传导敏感度(Conducted Susceptibility)对造成设备、分系统、系统性能劣化或不希望有的响应所需的传导干扰电平的度量。

4) 辐射敏感度(Radiated Susceptibility)对造成设备、分系统、系统性能劣化或不希望有的响应所需辐射干扰电平的度量[3]。

2 电子设备电磁干扰传播途径

按照电磁兼容的原理，电子设备通过辐射耦合和传导耦合两种途径进行电磁干扰，其中，传导耦合必须在干扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁干扰沿着这一连接电路从干扰源传输至敏感设备。

辐射耦合是通过空间电磁场的耦合，按干扰源和敏感设备之间的距离、干扰信号波长和设备外形尺寸的关系，可分为空中辐射耦合( 又称远场辐射耦合) 干扰、电磁感应耦合和静电感应耦合( 又称近场辐射耦合) 干扰。

2.1 传导耦合

传导耦合是干扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。当两个或多个电路具有公共导体如公共参考地时将发生这种耦合，另一个例子是两个或多个电路公用一个电源线，来自其中一个环(电路)的电流穿过公共阻抗时将产生电压降，这个电压叠加在第二个环(电路)的有用信号上。当然。两个环即是相互作用的“干扰源”，同时也是“受扰者”。

2.2 容性耦合(静电感应耦合)

当两条走线(导体)间有电压差时，特别是当两条走线平行布置时，相当于在两条导线之间存在一个电容，那么就会有干扰电流流过该电容，这个电流将通过被干扰的环路阻抗产生压降，并且这个干扰电压将叠加在有用信号上。如果两条走线变长，或者两条走线间距变得更接近，又或者线上电压值或频率增加，那么容性耦合效应将增强。

2.3 感性耦合(电磁感应耦合)

根据电感自感定律，当有电流流过导线线圈时将产生一个磁力线，该磁力线将贯穿其它周围的导体线圈，此时将产生这种磁耦合，这种磁力线将对这些电流环产生干扰电压，在平行线之间这种感应磁耦合效应特别高，与电容性耦合类似，如果相关导体变的更长、距离变得更接近、电流或频率增加都将会使得电感性耦合增加。

2.4 电磁波耦合(空中辐射耦合)

在上节中描述的电容性及电感性耦合属于近场耦合机制，在这里电场和磁场是互相独立的，而在更远的区域，通过自由空间的波阻抗电场E和磁场H建立了关联关系。辐射耦合是以电磁波的形式将电磁能量从干扰源经空间传输到受扰设备。受扰设备接收到干扰信号并传到敏感电路，便形成电磁干扰，这就是电磁波耦合。

3 机载计算机电磁兼容性(EMI)设计

通过对其磁耦合路径进行分析，对于具体的机载计算机，找出可能的干扰源和受扰者，此时就可以相应的采取一些措施，从布局布线、接地、屏蔽、滤波等方面进行全面考虑。

3.1 PCB布局布线

机载计算机内部电子模块上采用了大量的高速数字电路，对外辐射的电场和磁场都比较大，通常在PCB设计阶段采用下列措施可以有效的改善内部电子模块的EMC。

1) 增加印制板上内部走线和过孔之间的距离：走线和过孔之间的距离远大，则信号之间的干扰越小。

2) 增加内部电磁干扰源和信号出线之间的距离：特别是当模块上的出线会通过传导耦合方式将干扰信号带到其它EMC区域(如其它电子模块)，因此出线和电磁干扰源之间的间距应该设计的较大一些。

3) 走短线：通过走短线，可以有效降低感性和容性耦合，信号流应该尽可能干净，不受干扰(走直线，不走蜿蜒的曲线)。

4) 导体面附近布线：这个措施主要是为了降低感性耦合。当信号线本身为非屏蔽线同时该信号线又在干扰源(如晶振)或电磁敏感器件附近时，尽可能将该走线接近地平面可以有效地降低电感性耦合。

5) 对称性：将信号的出线和回线采用成对并行走线，可以使干扰电流较小 。同时因两条走线上的电流方向相反，则各自电流产生的干扰可以互相补偿。

6) 增大线间距：为了降低感性耦合和容性耦合，应该尽可能增大线与线之间的距离。这个对于不同种类的走线来说特别重要(这种方法不适用于同一信号的出线和回线之间距离布线情况-参见第5)条)。

7) 防止平行电路：当两个电路走线平行时，感性耦合和容性耦合是最大的。最好的解决措施是两个电路之间的走线是正交的，即两个线路之间的夹角应该是90度，特别当一个为信号线，一个为电源线时更应注意(这种方法不适用于同一信号的出线和回线之间距离布线情况-参见第5)条)。

8) 避免公共回路：两个电路之间的公共回路会引起阻抗耦合。为了防止阻抗耦合，在PCB设计时，应尽可能避免公共回路。

9) 在PCB布局布线时，频率最高的信号需布在板子的中间。通过布局布线位置的调整，利用板级滤波，这样在高频发射通过板级线缆耦合到下一级电路之前削弱其影响。

3.2 接地设计

接地技术是电磁兼容技术中的一项重要技术，接地方式是否正确和合理直接影响到机载计算机电磁兼容试验结果。在电子线路中，任何导线都具有一定的阻抗，该阻抗使两个不同的接地点很难得到等电位，这样，公共阻抗使两接地点间形成一定的电压，从而产生接地干扰。接地分为：保护性接地和功能性接地。保护性接地又分为防电击接地、防雷接地和防静电接地。功能性接地又分为功率接地、逻辑接地和屏蔽接地[4]。

3.2.1 接地改善措施

在进行机载计算机接地设计时，可以考虑采用如下措施，改善产品的接地性能。

1) 机壳地和信号地的隔离：机壳地和信号地不能连接在一起，这样通过机壳地的电压衰减就不会影响正常的计算机信号。

2) 单点接地：在一个单点接地系统中，所有的功能电路的地回路都应通过单点接地。这样可以避免因为参考电压的电势不同而造成的干扰。然而，对于分布式计算机系统，如果需要非常长的导线接地时，则不能应用单点接地。因为长导线除了具有较高的阻抗外也会增加容性和感性耦合。

3) 接地层：如果系统中采用多点接地，为了避免在工作频率段的公共阻抗耦合，各个导体到地之间应该具有较小的阻抗。在这种情况下，通常采用在多层电路板中增加地层来实现。由于一整层都接地，因此地层具有较低的直流阻抗。不仅如此，而且由于电流走的是最小化了电流环区域的路径，因此感抗(决定着高频的阻抗)也较小。

4) 隔离大电流回路：为防止小电流信号被干扰，大电流不能经过信号地来建立回路。因此，需要将大电流回路与信号地进行隔离。

5) 不同信号地的隔离：在电路中可以采用多种类型的信号地进行隔离，将电路的地细分为模拟电路和数字电路隔离的地系统，相对于模拟电路，数字电路在高频率信号时噪声更大。因此，一个系统应该包含多个隔离地系统(包括机壳地)。

3.3 机箱EMI设计

机箱电磁屏蔽设计是提高机载计算机电磁兼容性能的重要措施，对于抑制电磁辐射起着十分重要的作用。根据屏蔽原理，针对开孔、缝隙，导线和电缆进出机箱等问题进行设计。

1) 机箱屏蔽：机载计算机对于重量相当敏感，因此在机箱材料的选择上通常要选用航空铸铝，为了减少孔缝电磁泄露，除连接器面板和顶底盖板外，通常采用一体化铸造成型后进行精加工。在结构件的接缝位置，应当采用电磁干扰垫圈或者导电密封剂。这样可以有效地避免电磁漏磁。机箱屏蔽效果的实现都是依赖于机箱结构体的良好接地，因此需要将机箱通过搭铁线与飞机机体可靠连接。

2) 机箱开孔：机箱如果需要的开孔面积是同样大的，则设计数量多尺寸小的孔比数量少尺寸大的孔的屏蔽效果要好。同理，如需要对机载计算机内部模块进行风冷时，则机箱上的通风孔也应当做成蜂巢状。

3.4 线缆及连接器EMI设计

电缆是效率很高的电磁波接收和辐射天线，空间的电磁干扰往往首先被电缆接收到，在设备内部相互干扰或传入、传出设备，产生干扰[5]。

3.4.1 屏蔽电缆

使用金属筛网对信号线缆进行屏蔽，可以有效地降低信号传输线的容性、感性以及电磁的耦合。屏蔽线的两端均应与机壳地连接，可以通过以下两个措施来保证线缆屏蔽效果在经过连接器接头处时屏蔽效率不下降。

1) 将插头的金属外圈都焊接至线缆屏蔽层。减少屏蔽层与连接器插头壳体接触部位的电磁泄露。

2) 在机箱与插座之间增加导电垫圈(不可使用绝缘密封圈)，保证连接器的法兰和机箱面板之间的接触面缝隙被完全填充，减少计算机孔缝泄露。

3.4.2 滤波连接器

滤波连接器通常在普通电连接器的基础上经过改进，增加滤波电路(滤波网络 )研制而成。它既具备普通电连接器的所有功能，又兼具抑制电磁干扰的特性[6]。滤波连接器是从信号上直接对干扰信号进行滤除，相比屏蔽电缆从外部对辐射信号进行隔离的方法，其对噪声信号辐射的抑制效果要优于屏蔽电缆。目前国内已有多家厂商可以提供JY27、J599系列板式滤波连接器，其滤波部分电路通常采用π型板式电容阵列，在工程应用时，此类型滤波连接器可与普通电连接器直接互换。

3.4.3 电源线滤器

电源滤波器是电子、通信、电器等设备广泛应用的一种抑制电磁干扰的器件。它的工作原理是双向式的，既可以抑制沿外部电缆传导给电路的电磁干扰，也可以抑制设备内部产生的干扰反馈到外部供电网络，电源滤波器及内部电源应该尽可能近地布置在电源的入口位置，那样的话内部噪声不管在滤波器前还是后都不能耦合到电源线。同时滤波器输入输出引线不能并行，要交叉。

4 结束语

电子产品的电磁兼容性设计包括信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科内容，同时又具有较强的实践性，需要产品工程师具有丰富的理论知识和实践经验，本文结合机载计算机的产品特点，分析了电子产品电磁干扰的问题来源 ，根据电磁工程学理论，给出了机载计算机电磁兼容性设计方法和原则，可为相关技术研究工作提供参考。

[1] 宋晓南.某机载计算机电磁辐射分析与抑制研究[J].航空计算技术，2013，43(3)：114-118.

[2] 陈演平.军工电子设备电磁兼容性的试验标准和达标技术[J].上海船舶运输科学研究所学报，2007，30(2)：113-130.

[3] 杨宁.机载计算机电磁兼容性设计[J].现代电子技术，2014，37(12)：26-29.

[4] Mark I Montrose.电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线[M].刘元安，李书芳，高攸纲，译.北京：人民邮电出版社，2003.

[5] 曾志英.变频器信号干扰及抑制[J].有色设备，2013 (3)：43-46.

[6] 金强，衷崎.机载计算机电磁兼容性设计分析[J].航空电子技术， 2009，40(1)：43-47.

AnalysisontheTechniquesforEMCDesigninAirborneComputer

Xi Peng

(AeronauticsComputingTechniqueResearchInstitute，Xi′anShaanxi710065,China)

At first, this paper introduces the demands for EMC performances of electronic equipment which in GJB 151B-2013，and then analyzes the different kinds of electromagnetic coupling that may occur. Finally, it proposes the effective methods for the electromagnetic radiation suppression base on PCB design, grounding design and electromagnetic shielding design.

EMC; shielding; filtering

2017-09-21

席 鹏(1980- )，男，陕西耀州人，工程师，研究方向为计算机硬件技术。

1674- 4578(2017)06- 0007- 04

V247；TP302

A