某電子設(shè)備電磁兼容性問題的解決方法

厲旭冉 滿志平

摘要 本文通過某電子設(shè)備的電磁兼容性試驗中出現(xiàn)的指標(biāo)超標(biāo)問題， CE102和RS103項目不滿足GJB151B-2013標(biāo)準(zhǔn)，從屏蔽和濾波理論出發(fā)，結(jié)合工程實現(xiàn)方法，采取優(yōu)化濾波器參數(shù)和電磁屏蔽等措施，對設(shè)備進行整改，經(jīng)試驗驗證，證明了改進方法的有效性且措施得當(dāng)，有效解決了設(shè)備的電磁兼容性問題，具有較高的工程指導(dǎo)價值。

【關(guān)鍵詞】電磁兼容性 濾波器 電磁屏蔽

伴隨著信息技術(shù)與信息化武器裝備的迅速發(fā)展和戰(zhàn)場的大量投入，未來戰(zhàn)場已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱岁憽⒑?、空、天、電高度交叉，多位一體的復(fù)雜電磁環(huán)境?，F(xiàn)代武器裝備的電子設(shè)備也越來越多，如通信電臺、導(dǎo)航設(shè)備、火控設(shè)備、識別系統(tǒng)、電子對抗設(shè)備等，這些機載電子設(shè)備工作頻段寬，頻率范圍相互重疊且安裝于武器設(shè)備上的天線多，因此更容易受到復(fù)雜電磁環(huán)境的影響。除了武器系統(tǒng)自身的電磁干擾，作戰(zhàn)環(huán)境中設(shè)備、無線通信、導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事設(shè)施，其他武器平臺工作，敵方電子對抗設(shè)備等對武器設(shè)備的干擾也不容忽視，這些因素均對現(xiàn)代武器設(shè)備的EMC設(shè)計提出了較高要求。本文結(jié)合某型電子設(shè)備的研制試驗中，暴露出電磁兼容性的設(shè)計不足，通過采取有效的改進措施，確保電子設(shè)備的滿足GJB151B-2013的指標(biāo)要求。

1 電子設(shè)備EMC特點

電磁兼容性為系統(tǒng)平臺內(nèi)部各分系統(tǒng)設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中同時執(zhí)行各自設(shè)備功能的共存狀態(tài)，包括兩個方面：

（1）電磁環(huán)境對設(shè)備或子系統(tǒng)的影響。設(shè)備在規(guī)定要求的電磁環(huán)境運行時，可按照執(zhí)行的裕度實現(xiàn)正常工作且性能不降級;

（2）設(shè)備或子系統(tǒng)對環(huán)境帶來的干擾影響，應(yīng)滿足規(guī)定的電磁環(huán)境指標(biāo)要求。

對于戰(zhàn)斗機、預(yù)警機一類的機載平臺，系統(tǒng)內(nèi)多個設(shè)備緊湊安裝且要求同時工作時，具有以下特點：

（1）輻射源多、輻射功率大，特別是存在發(fā)射信號雷達、電子戰(zhàn)、詢問機等輻射源設(shè)備，如果電磁兼容性設(shè)計控制不當(dāng)，會嚴(yán)重影響其他設(shè)備工作的穩(wěn)定性;

（2）輻射信號的覆蓋頻段寬，不同波段的多個設(shè)備同時工作，甚至二次諧波或多次諧波的交調(diào)分量，均造成設(shè)備工作的穩(wěn)定性不足的問題;

（3）平臺內(nèi)多個設(shè)備共電和共地連接，當(dāng)個別設(shè)備存在電源耦合或地線耦合干擾信號時，影響整個系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備工作穩(wěn)定性;

（4）設(shè)備密度高、加裝電磁濾波設(shè)備空間和體積有限等特點，造成系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容性難以解決的問題。

本文結(jié)合某電子設(shè)備的電磁兼容性試驗中暴露的問題，開展電磁兼容性原因分析，通過改進系統(tǒng)電纜、傳動機構(gòu)的屏蔽與接地設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)備工作符合電磁兼容要求。按照GJB151B-2013標(biāo)準(zhǔn)，電子設(shè)備涉及的電磁兼容試驗項目較多，考慮到不同平臺實際使用環(huán)境的差異，實際使用時，設(shè)備電磁兼容性試驗考核項目根據(jù)國軍標(biāo)要求和設(shè)備實際情況適當(dāng)裁剪，在某機載電子設(shè)備中CE102、RS103較難通過，這兩個項目的具體說明見表1。

2 原因分析

雷達、電子戰(zhàn)系統(tǒng)等一類機載電子設(shè)備為高度集成的小型設(shè)備，設(shè)備內(nèi)部包括數(shù)字信號、模擬信號以及射頻信號，內(nèi)部頻段復(fù)雜，其對外連接的電源、地線、設(shè)備互聯(lián)線上必然存在不同頻率成分的傳導(dǎo)發(fā)射，可能通過這些途徑干擾其它設(shè)備的正常工作，一般通過在線路上增加電磁兼容濾波器或采用濾波插頭等措施抑制干擾，但由于濾波器的設(shè)備量與頻段有關(guān)聯(lián)，頻段越低，濾波器體積重量越大，這就導(dǎo)致在機載設(shè)備體積重量受限的條件下CE102低頻段傳導(dǎo)發(fā)射很難達到標(biāo)準(zhǔn);此外依賴模擬信號、射頻信號工作的設(shè)備容易受到外部強輻射電場干擾，通過增加機箱屏蔽以及模塊特定位置局部屏蔽接地、改善電纜屏蔽等措施可以有效克服外部場強輻射對本身工作的影響，但帶有轉(zhuǎn)動環(huán)節(jié)的設(shè)備由于存在結(jié)構(gòu)縫隙，屏蔽設(shè)計困難，往往RS103試驗項目較難通過。

3 測試方法與結(jié)果

3.1 CE102

電源線傳導(dǎo)發(fā)射試驗?zāi)康氖强刂圃O(shè)備在較低頻段工作時，通過電源線以傳導(dǎo)的方式對外造成干擾，測試內(nèi)容為測量試樣設(shè)備整機輸入電源線上lOkHz- 10MHz的傳導(dǎo)發(fā)射是否超出規(guī)定要求。

3.1.1 測試方法

按照GJB151B要求保持試樣設(shè)備和測試系統(tǒng)的基本測試配置。先需要對測試系統(tǒng)進行測量誤差校準(zhǔn)，具體方法是將測試設(shè)備通過線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)連接到電源上，測試系統(tǒng)通電預(yù)熱穩(wěn)定后，在LISN電源輸出端施加GJB151B要求的校準(zhǔn)信號，在設(shè)備正常的狀態(tài)下，測試通過LISN耦合的干擾電壓，檢查測試系統(tǒng)的測量誤差在GJB151B允許的容差范圍內(nèi)。后續(xù)測試步驟如下：

（1）試樣測試設(shè)備開機后自動進入加電自檢方式，三分鐘后加電自檢結(jié)束。設(shè)備自動轉(zhuǎn)入待機狀態(tài);

（2）控制設(shè)備進入所有可能的正常工作狀態(tài)如下：

控制設(shè)備工作運行，檢測設(shè)備工作響應(yīng)的穩(wěn)健性和輸出結(jié)果。

（3）按照GJB151B中CE102方法測試設(shè)備輸入AC/DC電源線上的傳導(dǎo)發(fā)射，判斷是否滿足GJB151B-2013中CE102指標(biāo)要求。

3.1.2 測試結(jié)果

電源線傳導(dǎo)發(fā)射典型測試結(jié)果如圖1所示，可見在10KHz-40KHz與200KHz-300KHz頻段范圍內(nèi)不達標(biāo)，低頻段比較突出，需進一步進行優(yōu)化設(shè)計，使其滿足電磁兼容試驗要求。

經(jīng)過分析，超標(biāo)的頻率是設(shè)備正常工作必要的工作頻率成分，由于采用了通用的小型電磁兼容濾波器，其低頻段濾波性能受體積重量限制，未能有效抑制這些頻段信號通過電源線向外傳導(dǎo)，需要增加低頻傳導(dǎo)抑制措施。

3.1.3 改進方案

通過更改電源組件內(nèi)的輸入濾波器，針對超標(biāo)頻段的頻譜進行調(diào)整電源濾波器設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)特定頻率范圍的頻率被有效降低或濾除。

電源濾波器是采用電容、電感和電阻組成的濾波電路，濾波器的輸入輸出端與電源和負載端的阻抗適配越大，對電磁干擾的衰減效果越明顯，通過增加2-3級濾波器，實現(xiàn)對10KHz-40KHz與200KHz-300KHz頻段范圍信號進行濾波，采用π型濾波器的設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)圖設(shè)計如圖2所示。

通過增加濾波器并優(yōu)化濾波器參數(shù)，濾波參數(shù)根據(jù)式（1）和式（2）設(shè)計，具體更改如下：

（1）通過圖1的測試結(jié)果，經(jīng)計算獲得濾波器的設(shè)計參數(shù)，選擇π型網(wǎng)絡(luò)濾波器參數(shù)的器件并完成設(shè)備電源輸入端的濾波器改造;

（2）根據(jù)試驗驗證，確定濾波器參數(shù)設(shè)計的合理性，迭代濾波參數(shù)，固化濾波器狀態(tài);

（3）調(diào)整濾波器位置（置于接觸器后），保證在設(shè)備沒有開機的情況下，三相沒有漏電流，對地絕緣電阻大于500MΩ。

3.1.4 改進效果

電源濾波器的改進后測試結(jié)果如圖3所示，改善了在低頻段（40KHz內(nèi)）超標(biāo)20分貝和200KHz-300KHz不達標(biāo)的現(xiàn)象，滿足了電磁兼容試驗要求，設(shè)備順利通過試驗。

3.2 RS103

電場輻射敏感度測試的試驗?zāi)康氖菧y試設(shè)備含互聯(lián)電纜承受規(guī)定的輻射電場的能力，即測試設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境下能否可靠地工作，實驗要求在規(guī)定的實驗信號電平下，受試設(shè)備不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標(biāo)值。

3.2.1 測試方法

按照GJB151B要求保持試樣設(shè)備和測試發(fā)射天線和接收天線或監(jiān)測場強探頭的測試配置。測試系統(tǒng)通電預(yù)熱穩(wěn)定后，按照GJB151B中RS103方法從發(fā)射天線到測試接收機的整個測試系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)試驗信號電平滿足200V/m極限場強要求。具體測試步驟如下：

（1）設(shè)備上電后自動進入加電自檢方式，加電自檢結(jié)束后，設(shè)備自動轉(zhuǎn)入待機狀態(tài);

（2）控制設(shè)備進入所有可能的工作模式，檢測設(shè)備工作狀態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)健性和輸出結(jié)果;

（3）按照GJB151B中RS103方法在離開試樣設(shè)備預(yù)定位置的發(fā)射天線上注入滿足要求的校準(zhǔn)試驗信號并監(jiān)測設(shè)備各組件的敏感性，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)敏感現(xiàn)象時測定設(shè)備的敏感頻率，并在該頻率上確定敏感度門限。

3.2.2 測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，在lOkHz-18GHz的范圍內(nèi)，電場輻射敏感度測試在2MHz-lGHz內(nèi)超標(biāo)，設(shè)備工作時輻射電場信號，設(shè)備工作異常，在無輸入控制值條件下，設(shè)備中的電機受干擾異常轉(zhuǎn)動工作，造成設(shè)備不滿足測試要求。

經(jīng)分析，由于電機的輸入電纜和供電電纜電連接器電磁屏蔽，以及設(shè)備箱體、轉(zhuǎn)動機構(gòu)的天然縫隙電磁屏蔽措施不足，造成電磁噪聲或干擾串入電機或角度傳感器的電纜，引起角度傳感器采樣出誤碼，處理運算設(shè)備控制電機運動，造成異?，F(xiàn)象。

3.2.3 改進方案

為降低輻射電場對敏感電路的耦合干擾，可采取在干擾源與敏感設(shè)備電路之間增加導(dǎo)電性能好的金屬屏蔽體，并將屏蔽體良好接地，實現(xiàn)阻隔串?dāng)_信號，輻射電場對敏感電路的耦合干擾電壓大小取決于電場電壓、耦合電容和屏蔽體接地電阻之積。因此通過設(shè)法將金屬屏蔽體良好接地，能夠有效將電場對敏感電路的耦合干擾電壓大大降低;另一方面屏蔽體在高頻磁場的作用下，能夠產(chǎn)生反向渦流磁場與原磁場抵消，而削弱高頻磁場的干擾，利用屏蔽體的趨膚效應(yīng)特點，將屏蔽體良好接地，大大減小電磁場對電路的干擾。

依據(jù)電磁兼容設(shè)計基本原則及前期累計經(jīng)驗，對機械傳動的減速箱、角度傳感器和電連接器支架結(jié)構(gòu)的屏蔽接地的密封性進行改造，提升設(shè)備的屏蔽性能。

電機減速箱屏蔽改進前后示意圖如圖4所示，設(shè)備X向減速箱、Y向減速箱、Z向減速箱的電纜引出處分別加裝自制后附件;角度傳感器改進前后示意圖如圖5示，其電纜引出處加裝自制后附件;電纜轉(zhuǎn)接支架改進前后示意圖如圖6，在天線座的電纜轉(zhuǎn)接處，電連接器支架的電纜引出位置加裝自制后附件;自制后附件適用于Ti-Ni合金記憶環(huán)，保證機構(gòu)電纜電磁屏蔽的連續(xù)性。

其中減速箱和角度傳感器的自制后附件采用鋁合金5A05（防銹鋁），前期零部件的霉菌、鹽霧、濕熱三防試驗中證明5A05防腐蝕能力最好。三向傳動機構(gòu)與其控制電纜后附件的連接為過盈加點焊，己通過了耐久振動試驗。電連接器支架的自制后附件同為鋁合金5A05，與支架的連接為螺釘連接。

3.2.4 改進效果

通過對電機減速箱的電纜屏蔽結(jié)構(gòu)改進和角度傳感器的結(jié)構(gòu)改進，均增加金屬防波套等屏蔽材料，加裝屏蔽套與結(jié)構(gòu)件連接處的密閉壓接處理，實現(xiàn)電纜的屏蔽連續(xù)和良好接地，有效消除電磁干擾對傳輸信號的串?dāng)_，設(shè)備工作正常，未出現(xiàn)敏感現(xiàn)象。

4 總結(jié)

機載小型電子設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作，需滿足國軍標(biāo)規(guī)定的電磁兼容設(shè)計要求并通過電磁兼容性試驗的驗證。本文結(jié)合某設(shè)備的電磁兼容性試驗和改進過程分析，驗證了在設(shè)備體積重量受限的條件下采取有針對性的屏蔽密封、牢靠接地和濾波等手段，優(yōu)化改進設(shè)備電纜和結(jié)構(gòu)件，可以提高設(shè)備的電磁兼容性。本文提出了通過預(yù)先測試，根據(jù)測試結(jié)果再針對性改進設(shè)計的方法對復(fù)雜小型電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計和改進有重要的工程參考價值。

參考文獻

[1]晉耀，潘文庚，郭巍巍，復(fù)雜電磁環(huán)境下機載制導(dǎo)彈藥的電磁兼容研究[J].裝備環(huán)境工程，2010，7 （04）：112-115.

[2]古小月，周克勝，朱居瑩，戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境[J].四川兵工學(xué)報，2009，30 （08）： 77-80.

[3]王星，郝重陽，陳游.機載設(shè)備與對抗設(shè)備電磁兼容建模與仿真[J].火力指揮與控制，2010，35 （08）：1355-1358.

[4]孫榮平，成本茂，郭龍，復(fù)雜電磁環(huán)境下機載電子設(shè)備的電磁兼容仿真研究[J].裝備環(huán)境工程，2012，9 （02）： 57-60.

[5] GJB151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量.2013.

[6]戴斌，高劍，張博君，韓星.設(shè)備電磁兼容試驗若干問題解決方法[J].火控設(shè)備技術(shù)，2008，37 （01）：101-103.

[7]孫國強.設(shè)備電磁兼容設(shè)計與測試[J].研究與開發(fā)，2011，30 （06）：58-60.

[8] David A.Weston.電磁兼容原理與應(yīng)用，機械工業(yè)出版社，2015，5 （06）.