军用计算机电磁兼容性设计和试验达标技术研究

王永战

（合肥恒研智能科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

1 概述

随着信息化的发展，军用计算机对于电磁工作环境的兼容性能备受重视。在检验军用计算机的电磁兼容性时，要重点关注考核设备的兼容能力，还要重点关注在设备出现后，其他设备运行时保持的电磁环境是不是满足正常运行状态的标准。电磁兼容性试验具有较强的双向性，接受检测设备EUT 在满足不对外产生电磁干扰和能够承受电磁干扰的两个条件时，才能将其认定为是测试合格。电磁信号产生效应主要表现为两种途径，分别是空间辐射和电路传导，通过对设备的机械结构和电子电气的高效协调，使军用计算机在电磁兼容性试验的过程中满足设计的要求。

2 军用计算机的EMC特点和设计对策

2.1 军用计算机的EMC特点

军用计算机相对于一般的非军工类计算机来说，其电磁兼容性具有以下特点：

（1）安装密集度高。

（2）强弱信号共存。

（3）频谱分布广。

（4）共用电源和地线。

（5）设备机械结构的回旋余地小。

2.2 军用计算机的EMC设计对策

由于以上这些特点，军用计算机的EMC 设计更为复杂和困难，电磁兼容性试验很难达标。要设计符合GJB151B-2013 标准的军用计算机，要以通用的EMC 设计原则为基础，并以此为基础来升级EMC 措施，对接地质量、电路设计、机箱屏蔽以及电源等问题予以高度的关注。

2.2.1 电源与EMC 之间的关系

在GJB151B-2013 标准里，与电源有直接关系的内容包括CE101、CE102、CE107、CS101 和CS106 等，电源电缆与CS114、CS115、CS116 之间存在着直接的关系，电源与其它敏感度、辐射发射的项目与电源保持着间接的关系。在设计军用计算机EMC 时，要将电源的EMC 设计工作放在首要位置上。

电源EMC 设计策略包括的内容有：

（1）电源滤波器。电源线在连入到机箱以前，要先与滤波器连接，滤波器金属外壳与地面要保持大面积的接触，滤波器输入线与输出线保持一定的距离，严禁输入输出线捆扎在一起，滤波器输出端再串联电源。

（2）隔离变压器。如果采用交流电源，就要使用隔离变压器，该变压器的初次级间设置的电源变压器要有屏蔽隔离层存在，其发挥的主要作用为提高共模干扰抑制能力、隔离地线环流、变压以及安全防护等，电源滤波器与隔离变压器的滤波特性之间实现了互相补充。

（3）二次电源。二次电源主要包括两种类型，分别为线性电源和开关电源，开关电源能够抑制外来的干扰，然而开关电源的外部辐射发射和传导发射比较明显，在开展EMC 试验时，敏感度试验项目能够得到高效的实现，而发射项目却很难得到满足。对于低功耗电路而言，尽量不要使用开关电源，使用线性稳压器可以将外部干扰降到最低。

（4）电源整体屏蔽。在军用计算机EMC 性能层面上，电源发挥着积极的促进作用，在屏蔽箱内部将部分电源设计成为屏蔽暗盒，实现对电源的整体屏蔽。

2.2.2 机箱电磁屏蔽

空间电磁辐射预防的关键性技术为机箱电磁屏蔽，GJB151B-2013 标准中明确指出，机箱屏蔽与RS101、RS103、RS105、RE101、RE102 之间存在着紧密的联系，与电缆相关的项目与机箱屏蔽也存在着间接的关系，究其原因，机箱完成了电缆的进出。

机箱设计原则有：

（1）屏蔽层导电的连续性。机箱的外部缝隙全部具有超强的导电接触，且具有较好的连续性。

（2）科学管控机箱的开口。机箱开口的作用包括安装指示灯、开关、连接器等，在开口比较大的情况下，假如屏蔽措施在安装的器件前无法发挥作用，需要将屏蔽层设置在器件的后面，这就使后置屏蔽法采取滤波处理方法来处理穿过屏蔽层的导线。

（3）机箱插件的选择与安装。将外屏蔽层加设在连接机箱插座的外部线缆上，机箱屏蔽层与线缆的外屏蔽层保持着良好的导电性。机箱上安装的所有插件，需要全部满足军用标准的要求。

（4）自然风冷散热。在机箱散热的过程中，最好使用自然风冷的方法，散热孔的直径要以比机箱壁的厚度小。在安装散热风扇时，将截止波导式屏蔽通风板安装在风扇的外面。

2.2.3 设计电路EMC

（1）在设计电路的过程中，最好使用多层板。插装式元器件的等效电磁辐射面积大于表面贴装元器件的等效电磁辐射面积，表面贴装元器件的EMC 性能就会表现出较强的优势。联合使用多层电路板与表面贴装元器件，才能使其满足GJB151B-2013 标准的电路板设计要求，具有较强的优势。

（2）有源器件的高频旁路。在RS103 项目试验时，要以GJB151B-2013 标准为基础，经常遇到的问题为：干扰信号的类型为等幅波时，输出信号一切正常；干扰信号的类型为调幅波时，输出信号就会受到一定的干扰。在详细研究后，发现在电路中窜入调幅波干扰信号后，高频检波会存在于有源器件的非线性响应中，使干扰随之产生。要想使这些问题得到有效的处理，就要出台行之有效的方法来对有源器件的高频旁路予以强化处理。

2.2.4 接地质量

在设计电路、屏蔽和电源时，要将接地质量和地线质量放在第一位。接地质量的前提条件为接地正常，接地方式与接地点要与设计的要求相同，接地要确保安全、可靠，接地面积、接地线路和接地螺栓要满足设计的要求，从而使接地电阻保持在最小的范围之内。

3 针对各项军标EMC试验的达标技术

3.1 传导发射类

对于传导发射试验而言，其包含的具体内容有CE107、CE102和CE101，电源线常规传导发射试验中包含后两项的内容，精确测试EUT 传导发射到电源线上的信号，CE102 能够准确的测试EUT从电源线传导发射出的尖峰信号。

EUT 的电源电路和功能电路是电源线传导发射信号的主要来源，隔离和滤波能够高效的阻断EMI 信号的传导发射。使用拥有屏蔽隔离层的电源变压器来隔离交流供电模式的EUT，同时高效的隔离低频段的EMI。对于直流供电情况而言，使用输入、输出不共地的DC/DC 变换器来完成隔离任务。脉宽调制技术是DC/DC 变换器的核心技术，具有较强的干扰性，所以要高度重视选型工作。

电源进线处的滤波器发挥着重要的作用，对称无源电路是滤波器的主要结构类型，实现了对滤波的双向隔离，外来干扰很难进入到EUT 中，内部干扰传向外部也非常困难。高频段干扰使用电源滤波器来滤除，其对低频段干扰很难起到任何的作用。

电源电路的输出滤波占据着核心位置，军用计算机的CPU 利用率不断提高时，电源供电就随之发生改变，外部线上的电源波动也会越来越明显。该波动的幅度比较大，频率大于25 Hz 时，CE101 测试很难满足相关的要求。大容量的滤波电容器并联于电源电路的输出端，借助电容的储能作用，使得电源波动逐渐的实现了平滑化。要想将CE101 试验频率下限避开，使试验达到设计的标准，就要将电源波动的频率降到25 Hz 以内。

CE107 项目的主要作用表现为使电源线尖峰信号对外产生的传导发射干扰得以准确的测试。电子设备运行时，同时会出现尖峰干扰信号，从共用电源的影响和传导功率强度的角度分析，尖峰干扰的主要来源为EUT 的开关电源。CE107 测试达标的方法非常多，比如：将尖峰干扰吸收电力并联在开关电源上、使用无触点开关、热启动等等。

3.2 传导敏感度类

传导敏感度类试验包含的具体内容有CSI16、CS115、CS114、CS106、CS101，CS106 和CS101 主要是针对EUT 电源线而开展的试验，而CSI16、CS115 和CS114 是针对连接到EUT 的所有电缆和电源线开展的试验。该试验测试EUT 时，核心内容为测试电缆传入的外来干扰的敏感度，在外来干扰传入时，EUT 不会受到任何的影响，而保持正常的工作状态。CS101 和CS106 的测试要求为电源线传导的干扰给EUT 造成影响时，其依然能够保持正常的工作状态。在开展传导敏感度测试工作的过程中，EUT 抵御外部的干扰信号时，必须要在整个频段内完成，只依靠电源滤波器很难抵御干扰。对于低频段而言，其对滤波电容容量的要求比较高，电容容量如此大的滤波器在普通电源滤波器上无法应用。接地平面和电源线之间跨接着电源滤波器的滤波电容，如果滤波电容比较大，旁路的干扰电流借助公共地线就会耦合到同一接地平面的其他设备中，使新的电磁干扰出现，该形式在船舰上装载的设备影响最为明显。

不仅要将电源线的EMI 阻挡住，同时还要确保滤波电容不要过大，因此对器件的要求就比较严苛，器件要能够吸收和衰耗EMI，典型的器件为磁柱和磁环。

在开展CS114、CS115、CS116 等传导敏感度试验时，干扰频率范围保持在10 kHz 到数百MHz 之间，使用三端滤波器来抵御干扰，三端滤波器主要是由低频电磁衰耗和高频滤波共同构成。

3.3 辐射发射类

磁场辐射发射项目RE101 与电场辐射发射项目RE102 是辐射发射类试验的主要构成部分，电场辐射发射RE102 的测试频率范围保持在10 kHz ～18 GHz 之间，在该频段中的所有频点上，EUT辐射发射信号与设计值进行比较，会略低一些，表明最终的测试结果满足相关的标准。

有些受测设备的辐射发射频率很难达到上述的各项标准，辐射发射能量通常会在某一频段或者是某一频点上集中。EUT 低频端辐射发射的核心组成部分为开关电源，电路振荡器的高次谐波和基波是高频端辐射发射的主要来源。

对于开关电源来说，会存在直接发射辐射的情况，电路的脉宽调制(PWM)信号会给高频电路带来一定的影响，会出现调制的作用，导致辐射干扰出现在与开关电源工作频率距离比较远的频点位置处。这样的干扰很难被及时的发现，即便干扰出现以后，在最短的时间之内也无法判断其根源。

EUT 电路里的晶体振荡器也是辐射发射的主要根源，通常情况下，在对辐射发射来源进行判断时非常的容易，晶振频率是已经掌握的，且精确度比较高，假如RE102 项目测试中，发现的辐射频率与晶振频率一致或者是其倍数为整数，则表明属于谐波干扰或者是振荡基波干扰。但是也会出现例外的情况，假如将多个不同频率的晶振放置在EUT 里，晶振频率会出现交叉调制的情况，导致辐射频谱出现比较复杂的情况，频点位置就会有辐射干扰的情况发生。

3.4 辐射敏感度类

电场辐射敏感度项目RS103 与磁场辐射敏感度项目RS101 共同组成了辐射敏感度类试验内容。军用计算机需要检测和接收比较微弱的信号，核心检测项目为电场辐射敏感度，这也是EMC 试验中难度系数最大的测试内容。

从屏蔽和电源等层面着手，使RS103 测试达标得以快速的实现。机箱屏蔽尽量要使整个机箱的导电连续性得以满足，采取行之有效的措施处理机箱的开口和接缝位置。焊接是机箱接缝处理的最佳方法，假如后续会存在维修拆卸的情况，一定要压实接缝，使用以银铝填料为主要材质的导电橡胶衬垫处理接缝位置。

外来电场干扰穿入机箱的薄弱点包含机箱的电缆孔在内，没有经过任何处理的电缆从屏蔽体中穿过时，屏蔽效能被降到了30dB以内。将专用的屏蔽电缆附件安装到军品接插件上，使电缆外屏蔽层导电的连续性得以满足。值得注意的是，假如设备中包含的器件具有超强的磁场辐射敏感度，其RS101 测试很难满足相关的要求。

4 结语

以国家军用标准GJB151B-2013 的相关规定为基础，从实际情况出发，对军用计算机EMC 设计、测试达标等相关经验进行了总结和归纳。电磁兼容具有超强的实践性和理论性，在设计军用计算机时，如能够依据理论和实践准确预估到EMI 产生的问题，积极采取有效措施来处理EMC，就会不断地提升整个设计工程的实效性，完成电磁兼容性试验以后，出现的反复的情况比较少，使整个过程中的进度和质量与设计标准保持高度的统一。