船用網(wǎng)絡(luò)型復(fù)合操縱器電磁輻射兼容措施合理性探討

馮之煒，莊浩然，張 新，葉道飛

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海201108)

電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)需滿足兩個(gè)要求:①有抗干擾能力，即不被其它電子設(shè)備干擾;②不產(chǎn)生超過限度的電磁干擾，即不干擾其它電子設(shè)備。國際及各國都制定了相關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，在此前提下，為了驗(yàn)證電子電機(jī)設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)是否符合要求，在設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程中必須對各種電磁干擾源的發(fā)射干擾、傳輸特性及受干擾設(shè)備能否負(fù)荷耐受性進(jìn)行測試。本文就一款產(chǎn)品在設(shè)計(jì)及電磁兼容性試驗(yàn)中遇到的問題，提出此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)需遵循的原則，提倡測試與設(shè)計(jì)相輔相成的設(shè)計(jì)理念［1-3］。

1 測試環(huán)境

1.1 測試的種類

電磁兼容性測試基本上已經(jīng)成為驗(yàn)證機(jī)電類產(chǎn)品量產(chǎn)前是否符合電磁兼容規(guī)范必做測試，測試內(nèi)容見表1、2。

表1 電磁干擾測試EMT

一般電磁干擾(EMI，包括CE和RE)測試主要內(nèi)容有:電子電機(jī)產(chǎn)品和設(shè)備在各種電磁雜訊環(huán)境中的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾發(fā)射量的測試(例如電子電機(jī)設(shè)備的交換式電源的脈沖干擾和連續(xù)干擾)及各種訊號傳輸時(shí)，干擾傳遞特性的測試(例如各種傳輸線的傳輸特性和屏蔽效果)。

表2 電磁耐受性測試EMS

而電磁耐受性(EMS，包括CS及RS)測試主要內(nèi)容如下。

1)對電場、磁場的輻射耐受性測試;

2)對電源線、控制線、訊號線、地線等注入干擾的傳導(dǎo)耐受性測試;

3)對靜電放電和各種暫態(tài)電磁波(突波或電性快速暫態(tài))的耐受性測試。

由于任意電子電機(jī)設(shè)備既可能是一個(gè)干擾源，也可能是被干擾者。因而，電磁兼容性測試包含電磁干擾測試(EMI)及電磁耐受性測試(EMS)?；陔姶偶嫒菪詼y試種類太多，實(shí)在無法逐一詳細(xì)說明，同時(shí)依據(jù)相應(yīng)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，電磁干擾(EMI)及電磁耐受性測試(EMS)在不同頻率范圍內(nèi)，也需采用不同的方式進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)場地

為了模擬復(fù)雜電磁雜訊環(huán)境及保證EMC測試結(jié)果的重復(fù)性、準(zhǔn)確性和可靠性，電磁兼容測試對環(huán)境有較高的要求，測試場地可分為隔離室(包含TEM/GTEM Cell等積向電磁波EMC測試室)、電波暗室和室外開放測試區(qū)的場地(open area test site，OATS)等。這些電磁兼容測試場地的功能、建材和限制條件如下:就隔離室而言，隔離室的作法一方面是對外來電子電機(jī)干擾加以屏蔽，從而保證室內(nèi)電磁環(huán)境滿足要求，另一方面是對內(nèi)部如天線等發(fā)射源進(jìn)行屏蔽而不對外界造成干擾。

根據(jù)電磁理論，隔離室是一個(gè)很大的方形波導(dǎo)共振腔，具有一系列的電磁共振頻率，當(dāng)隔離室發(fā)生共振時(shí)，將會影響屏蔽效果及測試結(jié)果，隔離室基本共振頻率為

式中:f——共振頻率，MHz;

A、b、c——隔離室的長、寬、高度，m;

m、n、p——0及正整數(shù)，三者中最多只能一個(gè)為0，對于TE波m≠0。

舉例來說，長、寬、高9 m×6 m×6 m的隔離室基本TE101波的共振頻率約為30 MHz。

測試所需儀器的基本配備需求見圖1、圖2。

圖1 場強(qiáng)均勻度校正測試架構(gòu)

圖2 典型EMI/EMS測試架構(gòu)

2 測試設(shè)備和狀態(tài)

某型復(fù)合操縱器的待測設(shè)備狀態(tài)如圖3，作為待測件置于隔離室內(nèi)。復(fù)合操縱器上部的結(jié)構(gòu)分解見圖4，其中電磁屏蔽聚酯膜初期沒有安裝到設(shè)備中，初期做CE101，RE101(見表1)等試驗(yàn)均符合標(biāo)準(zhǔn)，通過試驗(yàn)。在做RE102的試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)圖5所示的曲線。

圖3 待測設(shè)備

圖4 復(fù)合操縱器上部的結(jié)構(gòu)分解

圖5 無任何措施通電后的試驗(yàn)曲線

RE102為10 kHz～18 GHz電場輻射發(fā)射測試，圖5～圖12為測試得出的曲線。其中直線為RE102的規(guī)定測試線，直線下方的波形曲線為實(shí)際測得的曲線。圖5的結(jié)果說明產(chǎn)品性能不能通過試驗(yàn)，實(shí)際曲線部分高于規(guī)定測試線。于是對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，鑒于實(shí)際曲線在10～100 Hz區(qū)段的電磁波動較大，試圖通過加裝結(jié)構(gòu)措施和電氣線路來檢查分析這部分曲線不正常的原因。并盡量使試驗(yàn)設(shè)備在測試時(shí)獲得平穩(wěn)過渡的實(shí)際曲線。

對比圖6、圖7得出結(jié)論一:經(jīng)過調(diào)整電源后，試驗(yàn)曲線低于規(guī)定測試線，判斷在0～10 Hz區(qū)段的曲線波動不是由試驗(yàn)箱內(nèi)部的電磁屏蔽措施不到位造成，而是由試驗(yàn)箱外部設(shè)備的電磁屏蔽措施不到位造成。需對復(fù)合操縱器采取進(jìn)一步的電磁屏蔽措施。

圖6 調(diào)整電源，復(fù)合操縱器通電，試驗(yàn)箱門關(guān)閉

圖7 調(diào)整電源，復(fù)合操縱器通電，試驗(yàn)箱門打開

對比圖8、圖9得出結(jié)論二:所謂罩銅網(wǎng)屏蔽是在整個(gè)箱體外露的復(fù)合操縱器的面板以上部分蓋一層細(xì)密的銅質(zhì)網(wǎng)，得出面板以上部分發(fā)生了電磁泄露，需進(jìn)一步檢查是否由燈板造成。

圖8 復(fù)合操縱器罩銅網(wǎng)屏蔽，通電

由圖10得出結(jié)論三:驗(yàn)證是由燈板造成的電磁泄露。并考慮如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改善這一情況。結(jié)構(gòu)上采用電磁屏蔽聚酯膜［4］，并再次通電試驗(yàn)。

圖9 復(fù)合操縱器I2C線上加磁環(huán)，無銅網(wǎng)

圖10 復(fù)合操縱器燈板線斷開

對比圖11、圖12得出結(jié)論四:進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后產(chǎn)品的EMI性能得到了顯著的提升。

圖11 復(fù)合操縱器貼電磁屏蔽聚脂膜，但不接地

圖12 復(fù)合操縱器貼電磁屏蔽聚脂膜，并良好接地

3 結(jié)論

電磁兼容測試可以將問題細(xì)化，促成產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)更趨合理。由于目前電磁兼容性測試基本上是在產(chǎn)品量產(chǎn)前進(jìn)行，大部分的設(shè)計(jì)師都在產(chǎn)品研發(fā)后期才考慮電磁兼容設(shè)計(jì)問題，這時(shí)要作EMI問題的修改，往往捉襟見肘。因此，建議在研究新型產(chǎn)品的初期，就要擬訂產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)整體計(jì)劃書，有系統(tǒng)地整合接地、布線、搭接、濾波、包裝與隔離等環(huán)節(jié)，完成電磁兼容設(shè)計(jì)的要求，使產(chǎn)品的質(zhì)量更趨于完善。

［1］朱惠強(qiáng)，虞承浩.加固機(jī)的電磁兼容性和熱設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2008，34(S1):100-103.

［2］高攸鋼.屏蔽與接地［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2004.

［3］郭銀景，呂文紅.電磁兼容原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.