鱼雷电磁兼容性问题分析及改进

亢 凯, 王凯国, 潘 进, 杨进候, 张 静

鱼雷电磁兼容性问题分析及改进

亢 凯, 王凯国, 潘 进, 杨进候, 张 静

(中国船舶集团有限公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

随着武器系统平台的电磁环境日益复杂, 对所装载的武器电磁兼容性(EMC)要求越来越高。针对依据GJB151A-1997要求进行鱼雷EMC试验时, 测试项CE102和RE102试验曲线均超出规定极限值的问题,为了使武器平台与鱼雷能够更好的匹配工作, 通过分析多平台使用条件下全雷系统的EMC改进案例, 对雷内电子组件的干扰源进行排查、定位, 得到雷内电磁辐射及传导频率特性, 并分别对鱼雷系统内部电缆、电源、雷内电子组件和壳体结构等采取屏蔽、滤波和接地等有效改进措施, 最终顺利通过该2项测试, 为后续鱼雷的EMC设计提供参考。

鱼雷; 电磁兼容性; 全雷系统

0 引言

在武器装备领域, 良好的电磁兼容性(elec- tromagnetic compatibility, EMC)不仅关系到武器内电子系统能否协同匹配工作, 更关系到武器与装载平台的匹配性[1-2]。一旦兼容性不好, 将有可能造成武器在使用过程中发生严重的质量事故, 甚至安全事故。良好的EMC可以保障武器与装载平台在有限空间、时间和频谱资源下正常工作而不产生性能降级[3]。

国内针对武器装备的EMC研究工作尚处于起步阶段, 主要有中国船舶七〇四所关于舰船电控设备的电磁兼容改进研究[4]、空空导弹研究院针对某型号产品的电磁干扰改进[5]、中国电波传播所对某设备的电磁兼容测试改进[6]、中科院长春光学精密机械与物理研究所关于星载大容量固态存储器的电磁干扰测试分析[7]、中电五十二所关于某机箱内部电缆电磁辐射的研究[8]。

但以上的研究大都针对的是功能相对单一的产品或其使用环境单一, 由于鱼雷的多平台使用环境, 导致雷内电子系统构成复杂, 对结构特性的要求也极为苛刻, 对整个鱼雷的EMC设计都极具挑战。文中将以鱼雷的EMC改进案例进行分析总结, 为后续鱼雷和其他武器装备的研制积累经验。

1 总体概述及EMC要求

鱼雷内部电子系统主要由信号机、控制机、导航机、压力传感器和执行机构等组成, 在发射前利用外部直流电源供电, 经内部电源模块变换成多种电源供其他电子设备使用。由于鱼雷在射前工作中既是干扰源又是敏感设备, 考虑到雷内电气特性及搭载使用平台要求, 参考GJB151A- 1997和GJB152A-1997要求[9-10]对鱼雷进行如表1所示的EMC测试项。

表1 产品EMC测试项

在标准电磁兼容实验室按照规定对产品进行测试时, 其中测试项CE102、RE102均超出规定极限值。为保证产品与武器平台的可靠匹配, 通过分析测试曲线, 结合雷内电气和结构等特点, 制定了相应的EMC改进措施并加以验证。

2 EMC试验

2.1 电源线传导发射试验

电源线传导发射试验主要是为了测试产品工作时通过电源线以传导的方式对外部武器平台造成的干扰, 如果电源线上的传导发射超标, 会导致武器平台输出电压的波动, 将有可能造成武器平台的故障, 从而影响到整个作战系统的安全可靠性。

在标准电磁兼容实验室按照国军标要求进行CE102测试, 利用检查台供电, 电源正线上的测试曲线如图1所示, 可以看到在1.5～8 MHz频带内测试曲线先整体上升后又逐渐下降, 并在相应的倍频点处超过极限线值。

图1 CE102测试结果

2.2 电场辐射发射试验

电场辐射发射试验主要是为了测试鱼雷工作时通过电缆线和壳体向外辐射的电场分布情况, 如果电场辐射发射超标, 辐射干扰将会耦合到武器平台的电缆或壳体上, 有可能导致武器平台的使用故障。

在标准电磁兼容实验室按照国军标要求进行RE102测试, 鱼雷分别在垂直和水平极化方向上的电场辐射曲线如图2所示。

图2 RE102测试结果

由图可知, 在垂直极化方向上, 10～30 MHz频率范围内超出极限线, 最大处超过极限线值接近20 dBµV/m。在水平极化方向上, 20～40 MHz、80～ 100 MHz频率范围内超出极限线接近20 dBµV/m。

3 EMC超标原因分析

3.1 电源线传导发射干扰原理

CE102在1～8 MHz频率内超标的原因主要有: 内部干扰源通过传导进入到电源线对外发射; 外界环境和雷内干扰源通过电场耦合至电源线后对外发射。由于在雷内存在开关电源、高速信号和非理想电源导线, 存在着分布电容电感, 工作时分别通过传导和耦合进入到电源线产生共模和差模噪声, 从而造成CE102测试项的超标。

改进流程如图3所示, 针对电源线传导发射超标一般可采取的措施有: 利用滤波器对干扰源进行隔离和双绞屏蔽电源线。

图3 CE102改进流程图

3.2 电场辐射干扰原理

与电源线传导发射相比, 造成电场辐射超标的原因更为复杂。对于电场辐射而言不仅仅需要对干扰源的传输途径进行隔离, 还需要对雷内的干扰源进行定位改进, 具体流程如图4所示。

3.2.1 电场辐射干扰源定位

形成电磁干扰的三要素为干扰源、传输途径和敏感设备, 从干扰源处对干扰进行抑制是最为有效的方法[11]。首先对雷内干扰源进行隔离定位, 利用电池在雷内供电排除检查台、设定电缆等外界因素对试验结果的影响, 具体流程如图5所示。分别对雷内电子组件依次上电后测试, 并将所测曲线进行对比分析, 找到相应组件的超标频率范围。

图4 RE102改进流程图

图5 鱼雷内部干扰源隔离流程图

图6中采用电池供电, 发现仅当电源模块上电, RE102测试项在6～10 MHz频率范围内已经超出规定的极限线值, 因此需要首先对电源模块产生的电磁干扰进行改进。

在此基础上将控制机上电, 发现在20 MHz频率附近处明显增高并超出极限值。将导航机和压力传感器上电后, 测试曲线整体保持不变, 没有新的频带和频点超标。将信号机上电后, 在0.1 MHz、20 MHz频率附近处幅值变高, 在6～20 MHz频率内曲线毛刺明显变多。将执行机构上电后, 曲线在6～8 MHz频率内增大并超出极限值, 在20 MHz频率附近幅值变高。

图6 组件依次上电后RE102在0.01～20MHz测试结果

通过排查定位可以得出, 雷内的电源、控制机、信号机和执行机构在不同频点处电磁辐射较大, 导航机和压力传感器的电磁辐射较弱。

在20～100 MHz频率内, 采用双锥天线对执行机构、信号机和控制机进行排查定位, 得到如图7所示曲线。

图7 组件依次上电后RE102在20～100 MHz测试结果

由图7可以看出, 对信号机进行上电后, 在50 MHz频点处有尖峰产生, 在40～100 MHz频率范围内较未上电前曲线整体上移; 对控制机上电后, 在30、50、70 MHz频率附近较未上电前曲线整体上移; 当执行机构上电后曲线整体与未上电前类似, 在20～30 MHz频率范围内倍频点毛刺明显增多, 经检查是由执行机构中开关电源频率引起的。

在信号机内部集成了多块印制电路板(printed circuit boards, PCB), 经过排除隔离后, 图8同时去掉信号机中模-数转换(analog to digital, AD)和数-模转换(digital to analog, DA)板后, 测试曲线在50～100 MHz频率范围内明显下降, 在各个频点处的尖峰也消失了。对信号机进行电磁干扰排查时发现DA板的晶振在PCB板的边缘, 并且在DA板上的2个DA小板与DA板之间存在缝隙。

图8 对信号机内部干扰源的定位

信号机中DA板晶振时钟信号引脚上的电压与鱼雷壳体间存在寄生回路, 回路中的共模电流通过电缆线产生了共模辐射, 其中共模辐射电流[12]为

共模辐射公式

由式(2)可知, 电缆线上流过微安量级的共模电流足以造成辐射发射测试的超标[13]。其中的大小与晶振和壳体间的电场分布有关, 当晶振在DA板边缘中间时, 与壳体间的电场分布如图9所示。

图9 晶振与壳体地间电场分布

从图9可以看出, 当晶振在DA板中间时, 由于DA板中工作地平面的存在, 使得分布到鱼雷壳体上的电场减少, 晶振与壳体间的寄生电容容值减少, 则共模电流值也相应减少, 从而导致共模干扰辐射有效降低。

3.2.2 电场辐射传输路径定位

虽然从干扰源头处理效果最为明显, 但受制于空间体积和质量的限制, 从源头难以进行处理, 而所有的干扰均通过一定的传播途径才能形成, 因此当对干扰源无法进行有效处理时, 切断干扰源的传播途径成为最现实有效的方法。

利用近场探头和频谱分析仪对上电后鱼雷的状态进行检测, 确定电场辐射发射的传输途径和主要泄漏位置。通过检测发现在壳体缝隙间存在电磁泄漏, 同时在检查台和设定电缆上存在着较大的电场辐射。

经过对干扰源与干扰源传输路径的定位, 可以确认引起测试项RE102辐射超标的主要原因有: 1) 壳体结构的屏蔽效能不佳, 虽然壳体为金属材质, 但由于舱段间及安装盖板上都涂有金属保护漆, 不利于舱段间360°的电气连续性; 2) 鱼雷的设定电缆未做屏蔽处理, 裸露的电源线可等效为单极子天线; 3) 电源模块、信号机和执行机构等本身就是很强的干扰源。

4 EMC改进及验证

4.1 电源线传导发射改进及验证

通过在设定插座入口处添加滤波器, 利用共模电感和差、共模电容组成滤波电路接入设定电缆, 经过测试后发现传导发射干扰的频率发生了转移, 在7 MHz频率附近仍有大量频点超出。排查原因后发现滤波器外壳通过一条导线连接到了鱼雷外壳上, 导致在接地线上有一定的接地阻抗, 高频噪声经该阻抗路径流过滤波器, 使滤波器失去效果。

重新设计滤波器结构, 将其改为面板插针式, 滤波器通过整面接触到鱼雷壳体上, 有效地减少了电源引线长度, 防止滤波前后电源线之间的互相耦合干扰。经过调整滤波器电容和电感的参数后, 重新测试后顺利通过, CE102测试结果如图10所示。

图10 改进后的CE102测试结果

4.2 电场辐射改进及验证

4.2.1 对干扰源的改进及验证

通过对电场辐射干扰源的定位, 对不同辐射的组件采取相应改进措施并加以验证。

首先是针对电源模块的电场辐射超标, 由于在电源模块中DC-DC模块工作时产生较大的dd, 导致共模干扰增大, 并且由于共模电感中寄生电容的存在, 其对高频干扰的抑制作用有限。在电源滤波模块中加入47 nF和1 μF的共模电容, 得到新的测试曲线如图11所示。

图11 电源滤波模块中添加共模电容后的测试结果

由图可以发现, 在20～40 MHz频率范围内和80 MHz频率处辐射强度有明显降低, 说明鱼雷内部的电场辐射干扰得到了有效抑制。

针对信号辐射超标的问题, 将信号机DA板上的晶振、2个DA小板及其之间的缝隙进行屏蔽处理, 并进行良好接地后, 在50 MHz和90 MHz频率附近处试验结果明显降低。

针对执行机构出现的倍频超标, 在电源输入端处增加滤波器, 防止执行机构中电源开关频率干扰反串至内部的电缆线上, 再通过壳体间的缝隙泄漏到空间中去。

4.2.2 对传输路径的改进及验证

按上一章传输途径定位方式最终确认电缆是辐射发射的主要传输途径。利用导电布和电磁防波套对设定电缆进行屏蔽处理, 保证屏蔽层的连续性和屏蔽阻抗的均匀分布后, 进行可靠接地。对鱼雷内部所有的电缆互连线进行屏蔽处理, 并在连接器的插头处进行360°环形包裹, 避免由于屏蔽阻抗的突变影响到屏蔽效果。定位到头段的电场辐射超标问题, 利用屏蔽盖板对鱼雷头段内的缝隙进行屏蔽处理并接地。

重新利用近场探头对以上干扰源的传输路径进行检测, 发现电磁辐射已经得到了有效抑制, 对鱼雷整体电场辐射的下降起到了一定作用。

对干扰源及其传输路径进行有效改进后的RE102测试结果如图12所示。

可以发现经过一系列改进措施后, 鱼雷对外电场辐射强度得到了有效抑制, 不仅顺利通过了RE102测试项并留有裕量。在垂直极化方向上, 10～30 MHz频率范围内电场辐射强度减少了约16 dBµV/m, 在其他频率范围内均有不同程度的下降; 在水平极化方向上, 20～40 MHz、70～90 MHz频率范围内电场辐射强度减少了23 dBµV/m, 在其他频率范围内均有不同程度的下降。

5 结束语

以往对EMC分析改进的对象为功能或使用环境单一的产品, 并且CE102和RE102测试项对大多数武器装备而言又很难通过。文中通过分析多平台使用条件下的全雷系统EMC的改进案例, 进行鱼雷电磁干扰源及传输路径的分析定位, 并分别采取相应的有效改进措施。最终试验结果表明改进效果非常显著, 对外的电场辐射强度得到了有效抑制。

文中的工作目前还处于对鱼雷EMC的后期改进阶段, 下一步将根据试验数据和工程经验将EMC设计融入到产品的设计周期中去。

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Analysis and Improvement of Electromagnetic Compatibility for Torpedo

KANG Kai, WANG Kai-Guo, PAN Jin, YANG Jin-hou, ZHANG Jing

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

In an electromagnetic compatibility(EMC) test of torpedo according to the standard GJB151A-1997, the test curves of CE102 and RE102 exceed the prescribed limit value. In order to solve this problem and to better match the weapon platform with torpedo, this study analyzes a case of EMC improvement of the whole torpedo system under the condition of multi-platform operation, investigates and locates the interference sources of the electronic components in the torpedo, obtains the frequency characteristics of the electromagnetic radiation and conduction in the torpedo, and separately improvements the cable, power supply, electronic components and shell structure of the torpedo by means of the measures, such as shielding, filtering and grounding. Finally, the torpedo successfully passes these two test items. This study may facilitate the EMC design of torpedo.

torpedo; electromagnetic compatibility(EMC); whole torpedo system

TJ630; O441

A

2096-3920(2021)03-0338-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.014

亢凯, 王凯国, 潘进, 等. 鱼雷电磁兼容性问题分析及改进[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 338-343.

2020-06-10;

2020-09-20.

亢 凯(1994-), 男, 硕士, 工程师, 主要从事鱼雷电磁兼容性领域研究.

(责任编辑: 许 妍)