船舶通信中控設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計

徐一凡, 曹建明, 王皆歡

(上海船舶運輸科學(xué)研究所,上海200135)

0 前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,目前船舶電子系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電視廣播系統(tǒng)等功能越來越強大,而這些電子設(shè)備大多集中在一個相對狹小的專用空間內(nèi)。這些設(shè)備在工作時會產(chǎn)生大量電磁能量,而這些能量又必然要影響其它設(shè)備的工作,從而形成電磁干擾。船舶通信中控是通信系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,是船舶各類通信設(shè)備控制的樞紐,它具有幾十個通信設(shè)備的專用接口,極易受到其它設(shè)備的干擾。為確保通信中控的穩(wěn)定工作,除了對中控設(shè)備進行良好的電路設(shè)計之外,其電磁兼容設(shè)計也是一項極為重要的工作,從某種意義上來說,這項設(shè)計將直接決定電路設(shè)計的成敗,決定著通信中控設(shè)備在船舶上的工作穩(wěn)定性。

1 通信中控設(shè)備電磁兼容設(shè)計的關(guān)鍵點

船舶通信中控設(shè)備的控制對象一般為各類電臺、各類終端、特高頻、甚高頻、衛(wèi)星通信等設(shè)備,這些設(shè)備的一個共同特點就是具有很強的射頻干擾和微波干擾,以及目前船舶電網(wǎng)的供電品質(zhì)不佳造成的工頻干擾。另外,由于通信中控設(shè)備與這類電子設(shè)備有著幾十個實線接口,因而其傳導(dǎo)干擾也是中控設(shè)計中所不能忽視的一個方面。因此,在中控設(shè)備的總體設(shè)計中,其電磁兼容設(shè)計的主導(dǎo)就是研究以各種干擾的耦合途徑來進行電磁兼容(EMC)設(shè)計,即:

●重點解決空間電磁耦合對本設(shè)備的影響;

●解決工頻電源對本設(shè)備的影響;

●降低實線傳導(dǎo)干擾對設(shè)備的影響;

●設(shè)備電路設(shè)計中的抗干擾措施。

1.1 解決空間電磁耦合的干擾

在船舶無線電通信中,電臺不可或缺,在各類電臺的工作中,其傳輸泄漏是形成干擾源的主要原因之一。1根天線輻射的泄露,我們可以看成是1個干擾源的主動發(fā)射天線,而通信中控設(shè)備的各個實線接口則均是潛在的接收源,根據(jù)文獻[2]可知,這二者之間的輻射耦合或者接收源對發(fā)射源的響應(yīng)則可用式(1)表達。

式中:PR為接收端等效天線的接收功率;

Pr為干擾源等效發(fā)射天線的發(fā)射功率;

Gr(θ1·Φ1)為等效干擾源等效發(fā)射天線在指向等效接收天線方向的增益;

GR(θ2·Φ2)為在干擾頻率上等效接收天線指向等效發(fā)射天線方向的增益;

d為兩者之間的距離;

λ為干擾頻率所對應(yīng)的波長。

從式(1)可以看出,受干擾端設(shè)備的接收功率與二者之間距離及干擾源的功率成正比,而通信中控設(shè)備在通常情況下與各類電臺均放置于同一組合機架,相互間作用距離極小,因此,提高通信中控設(shè)備的抗干擾能力就顯得極為重要,否則極有可能會影響整個通信系統(tǒng)的正常工作。

中控設(shè)備在整個船舶通信系統(tǒng)中,毫無疑問屬于被干擾設(shè)備。因此,如何對中控設(shè)備進行恰當(dāng)合適的電磁屏蔽就成為本設(shè)備抗干擾設(shè)計的關(guān)鍵點。眾所周知,電磁屏蔽是屏蔽輻射干擾源的遠區(qū)場,是同時屏蔽電場和磁場的一種措施,當(dāng)干擾電磁波以不同方向向屏蔽體入射時,首先將在其屏蔽體的表面感應(yīng)出電流和電荷,隨后形成新的輻射源,而新的輻射源又會產(chǎn)生向屏蔽體面二側(cè)傳播的電磁波。進而通過某種途徑進入屏蔽體內(nèi)并在內(nèi)部繼續(xù)傳播的透射波由于屏蔽體熱損耗的影響將以指數(shù)規(guī)律衰減,當(dāng)這一電磁波到達屏蔽體的內(nèi)側(cè)表面時將再次產(chǎn)生反射,但這時電磁能量已大大減弱,從而起到屏蔽作用。顯然若感應(yīng)電流和電荷越大,所產(chǎn)生的反射場就越強,熱損耗(吸收損耗)越大,透射波的衰減就越多,因此,電磁屏蔽材料必須選用導(dǎo)電性能優(yōu)越的導(dǎo)體材料。

考慮到中控在通信系統(tǒng)中的特殊地位,以及所處強干擾源部位等因素,我們進行的屏蔽設(shè)計采用整體屏蔽方式,表面進行特殊處理以增加其導(dǎo)電性。然而根據(jù)散射理論可知機箱蓋板與柜門處的接縫是設(shè)備中屏蔽難度最大的一類孔縫,也是產(chǎn)生電磁泄漏的主要原因。由于通信中控設(shè)備有著眾多接口,不可能沒有孔縫,因此,解決孔縫電磁泄漏就顯得異常重要。

由于一個屏蔽體必定會存在多個電磁泄露要素,那么第i個泄露要素的泄漏量為

式中:E前為未加屏蔽時電偶極子場源所產(chǎn)生的場;

SEi為各個泄漏要素的屏蔽效能(i=1,2,3,…,n)。

則總泄漏場

從式(2)可以看出,中控設(shè)備屏蔽體(即機箱)的屏蔽效能實際上是由各個泄漏要素中產(chǎn)生最大泄漏的要素決定的,即是由屏蔽最薄弱環(huán)節(jié)決定的。根據(jù)這一理論,我們在通信中控EMC設(shè)計中,對整個屏蔽體設(shè)計為相互嵌套式,設(shè)計數(shù)個屏蔽體,將每個事實上的孔縫電磁泄漏處進行單獨處理,每個接縫處加入導(dǎo)電襯墊確保兩個界面間的電連續(xù)性,確保機箱體最佳屏蔽效果,用金屬絲網(wǎng)作為通風(fēng)屏蔽層,在屏蔽層內(nèi)部,將主電路與電源部分再分別加裝金屬屏蔽,形成屏蔽嵌套,設(shè)備與外部信號交換連接器采用EMC電磁兼容連接器,從而保證了中控設(shè)備整體抗干擾效果。

1.2 解決工頻電源的干擾

通常情況下船舶電源的品質(zhì)都不如普通市電,其中的干擾脈沖諧波分量較大,它對中控設(shè)備的影響不容忽視。另一方面,中控本身的開關(guān)電源其內(nèi)部的高頻分量信號也會對通過電源口向外部設(shè)備進行干擾,從而影響其它設(shè)備的工作。如進行EMC試驗時的CE102項,等等。因此,合理設(shè)計電源濾波就成為抑制電源傳導(dǎo)干擾最為有效的手段,它要求能最大限度地把交流50 Hz等電源功率傳輸?shù)街锌卦O(shè)備本身,又要能大大衰減經(jīng)電源傳入的干擾信號,保護通信中控免受其害。同時它又能抑制通信中控本身產(chǎn)生的干擾信號,防止它進入船舶電網(wǎng),污染電磁環(huán)境,危害其它設(shè)備。

在對通信中控電源輸入端濾波器的設(shè)計過程中,自行設(shè)計了一套電源濾波器,經(jīng)實際使用及測試,效果良好,在這一設(shè)計過程中,我們主要遵循以下的設(shè)計原則:

●選取工頻的10倍頻作為濾波器的截止頻率;

●交流共模截止頻率的選擇依據(jù)CE102相關(guān)測試的規(guī)定,在不影響體積情況下盡可能降低共模截止頻率;

●共模和差模電容器的選擇考慮了在其失效時不危及人身安全;

●選擇高頻特性適當(dāng)?shù)碾娙萜?

●選擇正確的安裝方式,尤其是地線的安裝方式,以提高電源濾波器的實際效果。

對于交流供電電源的差模信號,主要用于傳遞能量,其工作頻率即為AC電網(wǎng)的工頻。若將輸電線等效為傳輸線網(wǎng)絡(luò),則傳輸線上的工頻諧波成分就與多種因素有關(guān),如線纜的質(zhì)量、走向等等。而這些諧波成分是工頻的奇次諧波。為實現(xiàn)我們的目標(biāo)而又不產(chǎn)生太大的能量損耗,濾波器的截止頻率選擇在工頻的10倍以上,這里選取工頻的10倍頻作為濾波器的截止頻率。

若設(shè)在某個頻點F處所要求達到的插入損耗為IL,而IL0表示濾波器在高頻段的倍頻段衰減,n為濾波階數(shù)時,與考爾(caure)I型濾波器相對應(yīng),有IL0=n×6 db/倍頻。

在差模情況下的截止頻率Fc還應(yīng)同時滿足10倍工頻 f AC的要求,即Fc≥10f AC。

最終,根據(jù)該原則所設(shè)計的通信中控電源濾波器取得了很好的濾波效果。

圖1—圖4分別是CE101和CE102的測試結(jié)果圖。

圖1 CE101電源相線測試結(jié)果圖

圖2 CE101電源中線測試結(jié)果圖

圖3 CE102電源相線測試結(jié)果圖

圖4 CE102電源中線測試結(jié)果圖

1.3 降低實線傳導(dǎo)干擾及優(yōu)化電路抗干擾功能

船舶通信中控設(shè)備具有多達幾十個外部設(shè)備接口,這部分實線接口均是潛在的傳導(dǎo)干擾通道。因此,在進行這部分的電磁兼容設(shè)計時,主要是在電路設(shè)計中考慮必要的抗干擾措施,通信中控在這方面主要進行了如下工作:

1.對全部實線信號通道采用非共地傳輸模式,對模擬量信號傳輸加裝濾波連接器,并使用雙絞線形式,這樣能使雙絞線的每個環(huán)路上感應(yīng)出的干擾電流具有相反的方向,以至相互抵消,提高抗干擾效果。

2.數(shù)字信號通道采用高電壓光耦電路,確保電路具有高抗干擾性。

3.恰當(dāng)選擇電路的工作模式,使通信中控工作在工作曲線線性最好部分,使輸出諧波分量最小。不采用倍頻方式處理電路,在音頻功率輸出級,采用乙類放大模式,使輸出級產(chǎn)生的各項諧波最小。

4.在滿足響應(yīng)速度的前提下,降低晶振頻率,最大限度地降低對外輻射。

5.采用三重接地方式以降低傳導(dǎo)干擾并采用恰當(dāng)屏蔽方式降低設(shè)備的敏感度,在端接電纜屏蔽時禁止使用屏蔽層辮狀引出線。

6.在模擬電路信號通路中,采用平衡式差分放大電路,從而使放大器具有很好的共模抑制比(Conmon Mode Rejection Radio,CMRR),以提高模擬電路的抗干擾能力。

7.印刷電路板(PCB)設(shè)計時,注意印刷導(dǎo)線的布局和形狀,盡可能不采用會增加駐波比的直角轉(zhuǎn)彎折線,合理安排接地線;對于時鐘、時隙等高頻信號走線,附加伴隨接地引導(dǎo)線,并安排芯片退耦電容,以提高電路穩(wěn)定性與降低數(shù)字電路噪聲。

2 接地技術(shù)的合理運用

接地是使通信中控設(shè)備正常工作的基本技術(shù)要求之一。由于電路的電流需經(jīng)過地線形成回路,而地線或接地平面總有一定阻抗,該公共阻抗使兩接地點之間形成一定的電壓,從而產(chǎn)生接地干擾。而恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞娇梢越o高頻干擾信號形成低阻抗通路,從而抑制了高頻干擾信號對其它電子設(shè)備的干擾,可見接地可以引起接地阻抗干擾,同時,良好的接地亦可抑制干擾。接地系統(tǒng)的設(shè)計與其它電路系統(tǒng)設(shè)計同等重要,良好的接地可在花費較少情況下解決許多電磁干擾問題。

在通信中控設(shè)備的接地設(shè)計中,主要考慮了如下的接地技術(shù):

1.詳細(xì)分析中控設(shè)備的實際電流路徑及分析電路的輻射和敏感情況,降低信號回流源的阻抗路徑,并通過實驗選擇到較佳的接地點。

2.增加地環(huán)路阻抗,降低差模干擾電壓;如增加浮地層次。在本設(shè)備中,共設(shè)計有3組零電平參考點。

3.小信號傳輸電路采用變壓器隔離法。但這種方式會產(chǎn)生初次級間的寄生電容,從而降低高頻時的隔離能力。因此在電路工藝處理時對變壓器采用了良好的屏蔽,以適當(dāng)提高高頻段的隔離度。

4.合理考慮信號地線的接地方式。公共地線串聯(lián)一點接地、獨立地線并聯(lián)一點接地、多點接地及混合接地等多種接地技術(shù)分不同電路工作頻域而靈活使用,并輔以實驗驗證以達到最佳的抗干擾效果。

5.由于地回路干擾與接地點的位置及接地點的個數(shù)有直接關(guān)系,因此,必須進行恰當(dāng)?shù)慕拥剡x擇,包括接地點的位置及接地點的個數(shù)等。

3 結(jié) 語

本文是對船舶通信中控設(shè)備研發(fā)后對有關(guān)電磁兼容性設(shè)計方面的技術(shù)總結(jié)。該中控設(shè)備的電磁兼容性經(jīng)國家有關(guān)檢測機構(gòu)進行全面檢測后,各項指標(biāo)完全達到GJB151A-97和GJB152A-97的要求,設(shè)備經(jīng)實船使用后效果良好,并通過了國家有關(guān)部門組織的鑒定。

[1] 張松春,竺子芳,趙秀芬,等.電子控制設(shè)備抗干擾技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1989.

[2] 諸邦田.電子電路實用抗干擾技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,1996.

[3] 邱揚,田錦.電磁兼容設(shè)計技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001.

[4] 曾峰,侯亞寧,曾凡雨.印刷電路板(PCB)設(shè)計與制作[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[5] 周承聯(lián).綜合法濾波器的理論與計算[M].北京:人民郵電出版社,1979.