北斗船載終端的電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)

福建星海通信科技有限公司，福建福州 350008

一、引言

現(xiàn)代艦船裝備了大量電子設(shè)備，使得船載平臺上的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。因此，船載平臺的電磁兼容問題越來越受到關(guān)注，為了使各類船用電子產(chǎn)品在船載平臺能互相之間沒有影響地工作，GB/T10250-2007《船舶電氣與電子設(shè)備的電磁兼容性》對船用電子產(chǎn)品的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility—EMC）的要求做了統(tǒng)一規(guī)定。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品越來越重視電磁兼容性設(shè)計(jì)，而電磁兼容性設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜的技術(shù)工作，多數(shù)產(chǎn)品都不能一次性通過電磁兼容性的相關(guān)項(xiàng)目測試[1]，均需要根據(jù)測試結(jié)果對電路或結(jié)構(gòu)進(jìn)行整改和優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后才能通過全部項(xiàng)目的電磁兼容性測試。北斗船載終端是我司研制的國內(nèi)首款集北斗[2]和海事衛(wèi)星[3]于一體的北斗海事雙模一體機(jī)，它集成了海事衛(wèi)星電話和北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航等，實(shí)現(xiàn)語音通信、北斗短信、導(dǎo)航定位、電子海圖等功能。它主要由顯控單元、北斗通信單元、海事衛(wèi)星單元、線纜等組成。在北斗船載終端研制過程中就充分考慮到漁船的電磁環(huán)境復(fù)雜性和GB/T10250-2007的相關(guān)要求，開展了產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)。雖然北斗船載終端在電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，但由于電磁干擾問題的復(fù)雜性，在樣機(jī)第一次進(jìn)行電磁兼容性測試時(shí)還是出現(xiàn)了電磁輻射電平超標(biāo)問題。

本文針對北斗船載終端存在的電磁兼容超標(biāo)問題，通過對電磁輻射產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，確定了電磁輻射源和輻射傳導(dǎo)路徑，并根據(jù)不同的輻射源采取了相對應(yīng)的整改措施，保證了北斗船載終端最終的電磁兼容性能。

二、北斗船載終端原理簡介

北斗船載終端由顯控單元、北斗通信單元、海事單元和各連接電纜組成，如圖1所示。

北斗通信單元把接收到的北斗和GPS位置信息、北斗短報(bào)文信息通過北斗電纜傳送給顯控單元進(jìn)行顯示，同時(shí)北斗通信單元也接受顯控單元送來的北斗一代的短報(bào)文信息并完成發(fā)射。海事單元把接收到的海事衛(wèi)星信號并解調(diào)出語音信號，然后通過海事電纜送入顯控單元，同時(shí)海事單元把顯控單元送來的語音信號進(jìn)行調(diào)制放大后發(fā)送給海事衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)語音通信功能。顯控單元通過按鍵和顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，通過與北斗通信單元、海事單元相連接，完成位置顯示、短報(bào)文通信、海事衛(wèi)星電話通信等功能。

北斗通信單元由天線、射頻模塊、基帶板、電源電路等組成，它的主要作用是接收北斗定位信號和GPS的信號并解析出位置信息，以及接收和發(fā)射北斗一代的短報(bào)文信息。

海事單元由天線、海事核心模塊、電源電路、語音轉(zhuǎn)換電路、控制電路及以太網(wǎng)控制電路等組成，主要實(shí)現(xiàn)Inmarsat系統(tǒng)海事衛(wèi)星信號的收發(fā)和話音處理。

顯控單元主要由顯控板（包括電源電路、話音電路、ARM電路、音頻功放電路等）、按鍵板、接口板、顯示屏等組成。顯控單元通過接口板上與北斗通信單元、海事接發(fā)單元相連，完成位置顯示、短報(bào)文的發(fā)送和接收、語音通信等功能。電源電路是把輸入供電電源轉(zhuǎn)換[4]成顯控單元各電路所需的電源，以及海事單元和北斗通信單元所需的供電電源。ARM電路主要完成人機(jī)交互功能（包括按鍵輸入、各類信息顯示等）、各類信息處理等功能，通過USB接口可實(shí)現(xiàn)下載地圖以及程序下載等操作。話音電路主要是將海事單元送來的模擬話音進(jìn)行二線轉(zhuǎn)四線[5]處理，然后送入話柄播放，并把話柄拾取的話音發(fā)送給海事單元。

三、電磁輻射分析與對策

北斗船載艦載終端研制樣機(jī)在某產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院按照GB/T10250-2007進(jìn)行了電磁兼容性檢測，測試頻率范圍為30MHz～300MHz。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)電磁輻射電平超標(biāo)，實(shí)際測試曲線如圖2所示。

GB/T10250-2007對船用電子產(chǎn)品輻射電平規(guī)定限值是在30MHz～300MHz頻率范圍內(nèi)，輻射電平應(yīng)不超過54dB內(nèi)，156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)，輻射電平應(yīng)不超過24dB內(nèi)[6]。從圖2可以看出，北斗艦載終端在30MHz～156MHz頻率范圍內(nèi)的最大輻射電平值為49dB（如圖2中的①所指的尖峰值），在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)的最大輻射電平值為40dB（如圖2中的②所指的峰值），在165MHz～300MHz頻率范圍內(nèi)的最大輻射電平值為47dB（如圖2中的③所指的尖峰值）。對照標(biāo)準(zhǔn)要求可知，北斗艦載終端在156MHz～165MHz頻率范圍的輻射電平比標(biāo)準(zhǔn)要求要高出16dBμV/m，該輻射電平將對船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)（AIS）造成干擾。

1、確定干擾源

眾所周知，解決電磁輻射問題的手段一般有兩種，一是消除或抑制輻射源，也就是對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少輻射源的對外輻射能量；二是阻斷干擾途徑，也就是從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)電磁屏蔽，抑制輻射。因此解決輻射電平超標(biāo)問題，首先要找到輻射干擾源，理清輻射干擾途徑，然后采取措施消除或抑制輻射源和阻斷干擾途徑。

根據(jù)電磁輻射原理，產(chǎn)生輻射干擾源的電路多是一些振蕩電路和數(shù)字電路。對應(yīng)圖1所示的北斗船載終端構(gòu)成，海事單元內(nèi)部有海事衛(wèi)星專用的射頻發(fā)射電路、接收電路以及電源電路等；北斗通信單元內(nèi)部有北斗衛(wèi)星發(fā)射模塊、接收電路、定位信息處理電路以及電源電路等；顯控單元內(nèi)部有電源電路、數(shù)字信號處理電路等。這些電路都不可避免地產(chǎn)生電磁輻射。換言之，顯控單元、北斗通信單元、海事單元都可能存在電磁輻射超標(biāo)的隱患。在北斗終端方案設(shè)計(jì)時(shí)，確定顯控單元、北斗通信單元、海事單元等采用壓鑄鋁結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備的屏蔽效能。顯控單元由于要安裝顯示屏和按鍵，需在鋁殼上開窗口，因此將出現(xiàn)電磁縫隙泄漏；而北斗通信單元、海事單元的所有電路均安裝在密封的鋁殼中，內(nèi)部電路產(chǎn)生的輻射也將被抑制在鋁殼內(nèi)，對外輻射較小，因此把輻射電平超標(biāo)的整改方向確定在顯控單元上。

2、電源電路分析

顯控單元的電源電路主要是將輸入電源轉(zhuǎn)換成顯控單元各電路所需的電源，以及海事單元和北斗通信單元所需的供電電源，主要有+56V、+12V、+5V和+3.3V等。北斗船載終端外部輸入的供電電源為+12V～+32V，它通過各種單片集成開關(guān)轉(zhuǎn)換芯片，變換為所需的各種電源。這些芯片內(nèi)部都集成了振蕩器和開關(guān)功率轉(zhuǎn)換電路，它們產(chǎn)生的能量與顯控單元內(nèi)部其他電路相比較更大，因此，電源電路作為重點(diǎn)輻射干擾源也需要進(jìn)行電磁兼容性整改。

北斗船載終端設(shè)備是在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)輻射電平超標(biāo)的，因此需要針對各電源芯片工作頻率的諧波進(jìn)行分析。

（1）LT3758芯片

海事單元的供電電源要求為+56V/500mA，要將輸入電源（+12V～+32V）升壓至+56V，并能提供500mA以上的帶載能力。這里選用凌特公司的LT3758芯片實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，選取的芯片工作開關(guān)頻率為300kHz，可以計(jì)算出它的開關(guān)頻率的520～550次諧波頻率為156MHz～165MHz，即LT3758芯片工作時(shí)，它的高次諧波會落在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)。

（2）TPS5420芯片

顯控內(nèi)部電路所需的+12V電源采用TPS54系列芯片TPS5420實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)選取的芯片工作開關(guān)頻率為500kHz，其工作頻率的312～330次諧波頻率為156MHz～165MHz，也會落在 156MHz～165MHz 頻率范圍內(nèi)。

（3）LT3508芯片

北斗船載終端選擇凌特公司的LT3508芯片來實(shí)現(xiàn)顯控內(nèi)部電路所需的+5V和+3.3V電源。選取的芯片工作開關(guān)頻率為320kHz，由計(jì)算可知，該芯片工作開關(guān)頻率的488～515次諧波頻率為156.16MHz～164.8MHz， 落 在 156MHz～165MHz 頻 率范圍內(nèi)。

（4）整改措施

通過上面分析可知，顯控單元的各電源電路的工作開關(guān)頻率的諧波均會落在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)。為了減少開關(guān)電源諧波輻射信號，采取以下整改措施：

① 對電源電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，把顯控單元的各電源電路集中布置，并優(yōu)化PCB地層設(shè)計(jì)及層疊設(shè)計(jì)，使得地線盡量粗短，且圍成的回路面積最小，減少了輻射能量；

② 加強(qiáng)屏蔽，各電源電路集中布置后，就可以對電源電路部分采取加屏蔽罩方式，把電源電路產(chǎn)生的輻射能量抑制在屏蔽體內(nèi)，減少了對外輻射，從而減小電源輻射與其他電路串?dāng)_的機(jī)會。

3、信號輸出端

顯控單元與北斗通信單元之間存在數(shù)字通信接口，數(shù)據(jù)信號都是由各種脈沖序列構(gòu)成，且脈沖序列隨數(shù)據(jù)不同而不斷變化。根據(jù)傅里葉變換可知，數(shù)據(jù)脈沖的上升沿越陡，諧波分量就越豐富。為了減少數(shù)據(jù)脈沖信號產(chǎn)生的輻射能量，在信號線的輸出端均增加RC濾波電路[7]，使其上升沿變緩，致使其高頻分量急劇減少，從而達(dá)到消除信號的輻射干擾。增加RC濾波電路會影響到數(shù)據(jù)信號的速率，因此，RC濾波電路的參數(shù)選擇需考慮數(shù)據(jù)信號在最高速率下能正常工作。這里在綜合考慮各種因素后選取RC濾波電路的參數(shù)為：R=22Ω，C=15pF。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上分析的正確性和采取改進(jìn)措施的有效性，先對每種分析和措施進(jìn)行單獨(dú)的電磁輻射項(xiàng)目測試，然后再對最終優(yōu)化整改后的樣機(jī)進(jìn)行測試。

1、北斗通信單元和海事單元驗(yàn)證

根據(jù)北斗通信單元、海事單元這兩個(gè)部件接通電源即可單獨(dú)工作的特性，分別對北斗通信單元、海事單元進(jìn)行了單獨(dú)的電磁輻射項(xiàng)目測試，測試結(jié)果如圖3所示，北斗通信單元和海事單元在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)的輻射電平分別為20dB的輻射電和23dB的輻射電，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2、電源整改

根據(jù)上文，對顯控單元僅進(jìn)行電源方面的優(yōu)化整改，然后對北斗船載終端設(shè)備進(jìn)行電磁輻射項(xiàng)目測試，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，終端對外輻射信號降低了很多，與圖2測試結(jié)果相比約降低了10dB，但比標(biāo)準(zhǔn)限值高約6dB，還是存在輻射電平超標(biāo)。

3、信號輸出端整改

根據(jù)上文，對顯控單元僅進(jìn)行信號輸出方面的優(yōu)化整改，整改后的輻射電平測試結(jié)果如圖5所示。與圖2測試結(jié)果相比約降低了12dB，但還是超出標(biāo)準(zhǔn)限值約4dB，該整改措施也未能使輻射電平達(dá)標(biāo)。

4、綜合整改

對顯控單元的電源電路和信號輸出端同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化整改，整改后的輻射電平測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，北斗船載終端的輻射電平達(dá)到GB/T10250-2007規(guī)定的要求。

五、結(jié)束語

本文通過對北斗終端的各部分單元模塊輻射信號產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析的方法，確定了電磁輻射源和輻射傳導(dǎo)路徑，并根據(jù)不同輻射源的特點(diǎn)采取屏蔽以及濾波等整改措施，最終保證了北斗終端的電磁兼容性能滿足GB/T10250-2007規(guī)定的要求。本文所述的方法可以作為其他產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)的參考。