某型大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)輻射發(fā)射整改及驗證

高子潔，倪 冬，張 琴，江 豪

（成都凱天電子股份有限公司，四川 成都 610091）

0 引 言

大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)是航空飛行器關鍵機載電子裝備之一，其電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）性能不僅關系到產品本身的工作，還影響機上其他設備的運行[1-5]。本文根據(jù)電磁干擾的耦合和傳播原理，提出了一種典型的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)電磁兼容發(fā)射干擾解決方案，并進行了實驗驗證。

1 產品描述

某型大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)是由大氣數(shù)據(jù)計算機組成。大氣數(shù)據(jù)計算機由機箱組合、傳感器組合、電源組合以及中央處理器組合等組成，其中中央處理器組合為具有DSP的嵌入式應用系統(tǒng)，由CPU電路模塊與相關接口電路和電源模塊等組成。系統(tǒng)設計原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計原理圖

壓力傳感器組合接受來自飛機空速管的總壓和靜壓壓力，將其轉換為電壓信號，送至中央處理機組合，采用邏輯器件經F/D轉換及邏輯譯碼控制后將其送入CPU模塊進行大氣參數(shù)的解算，并通過外圍接口電路將解算的大氣參數(shù)送至飛機相關交聯(lián)系統(tǒng)。其中，電源組合為整個產品提供工作電源，將機上28 V直流電源轉換為產品工作所需的+15 V、-15 V以及+5 V工作電源，同時中央處理機組合的電源轉換模塊為CPU提供3.3 V和1.9 V工作電壓。

2 電磁兼容設計更改前測試結果及原因分析

2.1 測試結果

依據(jù)《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》（GJB151B—2013 ）對系統(tǒng)的輻射進行測試，結果如圖2所示，超出輻射邊界的部分說明電磁兼容設計需要優(yōu)化。

圖2 10 kHz和20 MHz輻射發(fā)射騷擾測試結果

由圖2可知，大氣數(shù)據(jù)計算機在垂直極化400 kHz之后多頻率點超標，最大超標11.58 dB。

2.2 原因分析

分析系統(tǒng)的工作原理，造成輻射超標的可能原因包括3個方面。

2.2.1 系統(tǒng)典型輻射電路

經分析，DC/DC模塊開關頻率為400 kHz。當DC/DC模塊電路的接地、濾波以及布線等形成耦合時，該模塊的開關頻率及倍頻信號會向外輻射共模干擾，造成400 kHz～5 MHz頻段內出現(xiàn)寬帶輻射發(fā)射，形成超標現(xiàn)場。對于DC/DC電路模塊來說，尤其容易產生電源線共模輻射干擾。系統(tǒng)的數(shù)字芯片和SOC模塊電路存在頻繁的輸入輸出，也會產生對外輻射發(fā)射。

2.2.2 系統(tǒng)測試配置

通過對系統(tǒng)測試配置的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電磁兼容測試電纜雖然采用了外套金屬編織網的屏蔽措施，但屏蔽網與產品連接器尾附件的連接并沒有做到360°環(huán)接。其屏蔽接地成為了等效天線，形成共模干擾。初步分析是電磁兼容電纜的屏蔽不良造成的共模輻射發(fā)射，導致15～30 MHz頻段的輻射超標。

2.2.3 系統(tǒng)自身結構狀態(tài)

系統(tǒng)輻射超標也可能是產品機箱接縫處使用的導電橡膠的電連接性不良造成的輻射發(fā)射。

3 電磁兼容設計整改

干擾源、干擾路徑及敏感設備是EMC的3要素，可以通過找到干擾源或干擾耦合路徑解決系統(tǒng)輻射發(fā)射測試超標問題[6-10]。前面從系統(tǒng)硬件設計、電纜屏蔽以及結構整體導電性3方面分析了系統(tǒng)電磁兼容輻射發(fā)射超標的原因，下面根據(jù)分析結果進行系統(tǒng)電磁兼容設計整改，并對整改后的產品重新測試。在電磁兼容整改中應逐步施加各項措施，直至達到整改目的。此后再逐一去掉所加措施，對結果基本無影響的可認為是無效措施。

3.1 電路設計整改措施

產品電路部分的整改主要考慮電源模塊及其電源線束的走向（電磁耦合路徑）和外圍接口電路模塊。

3.1.1 電源部分

開關電源工作時容易產生非線性的電磁干擾信號，該信號可產生輻射與傳導干擾。從產品電源設計來看，機上電源分正常工作電源和應急電源兩路，從產品插座進入電源模塊的表決電路后，經EMI濾波器和RC濾波處理后進入DC/DC電源轉換電路，轉換為產品所需的工作電源，更改前電源線束走向如圖3所示。

圖3 更改前電源線束走向

圖3中，插座到電源組合的機箱接線和EMI濾波器的進出線均存在相互交叉，因此濾波前后電源線上的干擾就會相互耦合感應串擾，減弱EMI濾波器的效果。

為了解決正常電源和應急電源需要表決而繞行遠距離并形成線束交叉的問題，在機箱內部再增加一個EMI濾波器，兩路電源進入產品后首先分別進入EMI濾波器進行濾波，濾波后進入電源組合，完成表決后進行轉換和使用。如此改進后，濾波器電源線不需到電源組合繞行，減少了電源環(huán)路面積。同時將EMI濾波器的進線和出線相互隔離，避免耦合，防止串擾，提高了濾波效果。更改后電源線束走向如圖4所示。

圖4 更改后電源線束走向

此外，針對存在的單頻率點400 kHz及其倍頻點超標情況進行設計更改。400 kHz為開關頻率常見的頻率點，屬于EMI濾波器沒有濾掉的頻率點，需在產品電源進入EMI濾波器前并聯(lián)一個去耦電容，降低電源地平面的阻抗。依據(jù)去耦電容本身的串聯(lián)諧振回路的諧振點選擇電容容值，一般使所選電容的串聯(lián)諧振頻點與要降低阻抗的頻點對應或接近。為減小400 kHz頻率點及其倍頻點處的阻抗，使其輻射值明顯降低，選擇10 μF電容，其阻抗特性曲線如圖5所示。

圖5 10μF濾波電容的阻抗曲線

3.1.2 外圍接口部分

該大氣數(shù)據(jù)計算機采用HB6096總線與飛機交聯(lián)系統(tǒng)進行通信，接口電路采用驅動芯片HI8597完成HB6096總線信號與TTL信號的轉換。HB6096總線信號使用了差分電路，會產生較強的共模輻射。為了抑制共模輻射發(fā)射，在HI8597驅動芯片的429輸入及輸出管腳分別加入共模電感LL，這種處理方式不會對429信號的傳輸造成影響。另外，HB6096總線發(fā)送器輸出阻抗為（75±5） Ω。在線A和線B間均分，使輸出阻抗平衡，為避免出現(xiàn)傳輸線效應，應在發(fā)送器輸出端A線和B線均串接匹配電阻37.5 Ω，使終端負載阻抗等于走線的特性阻抗，消除反射，抑制信號傳輸?shù)妮椛浒l(fā)射。

圖6 外圍接口電路的整改

3.2 線纜部分電磁兼容整改措施

該大氣數(shù)據(jù)計算機屏蔽層采用編制絲網，但屏蔽層的接地方式錯誤，通過多根導線連接各傳輸線和電源線屏蔽層，最后匯總為一點連接到連接器的尾夾使其接地。通過多根導線匯集一點接地效果差，使用的多根導線還有天線效應，增強了輻射發(fā)射。正確的屏蔽層接地方式為每根線裸露屏蔽層0.5～1 cm，通過導電布捆扎后用連接器尾附件夾緊接地，可以使屏蔽網與連接器尾附達到電磁屏蔽的密閉。

3.3 產品結構部分的電磁兼容整改措施

產品結構采用整體沖銑成型，僅在底部使用底板，在底板和機箱殼體之間使用導電橡膠和螺釘固定。但使用的國產導電橡膠導電性能差，更換進口的導電橡膠后導電性能良好，使機箱成為一個完整的導體，并且通過安裝面實現(xiàn)良好接地，保證了屏蔽的連續(xù)。

4 整改后的使用驗證

電子產品的設計過程中RE102是重要的產品特性，經過整改，超標的頻點得到大幅抑制，產品符合電磁兼容試驗標準的要求，具體見圖7。

圖7 整改后輻射發(fā)射測試結果

此外，需要注意以上措施必須綜合實施才能得到滿意的整改結果。

5 結 論

在產品設計階段，需要從電路設計、電纜屏蔽以及產品結構導電特性幾個方面考慮。其中，電路應設計好阻抗匹配以保障信號的完整性，信號應具有完整的參考平面，電源應設計良好的去耦電路，線纜及結構部分則需要特別關注屏蔽和接地，通過降低機箱的電磁泄露來減少線纜的電磁輻射。本文對某型大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)輻射發(fā)射超標問題進行了詳細分析，并通過設計優(yōu)化實現(xiàn)了系統(tǒng)電磁兼容的整改，所提出的方法對其他系統(tǒng)的電磁兼容設計及整改具有一定的參考價值。