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军工电子设备的EMC特点和设计对策

-2020-01-17-

  军工电子设备相对于一般的非军工类电子设备或非电子类军工设备来说,其电磁兼容性有如下一些特点。

  1.安装密集度高。出于战术技术方面的考虑,军工电子设备的安装非常紧凑,大量功能各异的军工电子设备密集于狭小的空间内,使得设备间的电磁干扰问题特别突出。

  2.强弱信号共存。几乎所有种类的军工电子设备都要同时处理幅度相差悬殊的强弱多种信号。强信号对外部设备造成干扰,弱信号又对外部干扰极为敏感。

  3.频谱分布广。军工电子设备充分利用了频率资源,占用了从直流到微波的各个频带。有的设备如雷达等工作于脉冲方式,覆盖了广阔的频率范围,对周边设备造成强烈干扰。

  4.共用电源和地线。各种安装平台上的大量军工电子设备往往共用电源和备份电源、共用地线,使得通过电源耦合和地线耦合造成的相互干扰不能忽视。

  5.设备机电结构的回旋余地小。军工电子设备结构坚固,设备内部冗余空间小。如果在设计后期才对设备进行EMC强化,往往会与设备的原有机械结构或电气布局发生冲突,这时就难以兼顾各方面的战术技术性能指标。

  由于以上这些特点,决定了军工电子设备的EMC设计比一般的电子设备更为复杂和困难,电磁兼容性试验的达标难度更高。要设计符合GJB151A.97电磁兼容性标准的军工电子设备,首先要遵循通用的EMC设计原则,再在这个基础上强化EMC措施,尤其要关注电源、机箱屏蔽、电路设计、接地质量这几方面。

  2.1电源和EMC的关系

  在GJB151A.97标准中,CE101、CE102、CE107、CS101、CS106这5项是直接与电源有关的,CS114、CS115和CS116这3项与电源电缆有关,其余辐射发射和敏感度的项目间接与电源有关。因此可以说,军工电子设备的EMC设计,第1步要做好的就是设备电源的EMC设计。

  2.1.1电源EMC设计的主要对策

  (1)电源输入端的电磁屏蔽和电源线滤波。电源线一进入机箱就要直接连接到电源滤波器上,或者采用输入端兼做电源插座的电源滤波器。电源滤波器的安装很有讲究,滤波器的输出线要远离输入线,金属外壳要大面积接地。如果把进出滤波器的电源线捆扎在一起,这个滤波器就几乎等于没用。

  (2)使用隔离变压器。如果采用交流电源,在成本和安装条件许可的情况下,使用隔离变压器为好。较简单的隔离变压器是在初次级间有屏蔽隔离层的电源变压器,这种变压器能够起到安全防护、变压、隔离地线环流、提高共模干扰抑制能力等多种作用,而且其滤波特性能够和电源滤波器互补。

  (3)合理设计二次电源。设备的二次电源有开关电源和线性电源2种。虽然开关电源对外来干扰有一定的抑制能力,但不少开关电源对外的辐射发射和传导发射过大,致使在EMC试验时,能通过敏感度项目却通不过发射项目。因此,在低功耗电路中,如可不用开关电源就尽量不用,选用线性稳压器可避免产生对外干扰。

  (4)电源的整体屏蔽。鉴于电源部分在电子设备EMC性能方面的重要性,还可以在屏蔽机箱内部把电源部分整体再屏蔽在另一个与其它部分隔离的空间内,形成对电源的整体屏蔽。

  2.2机箱电磁屏蔽

  机箱电磁屏蔽是防止空间电磁辐射较基本也是较有效的办法,在GJB151A.97标准中,RE101、RE102、RS101、RS103、RS105这5项与机箱的屏蔽直接有关,其余与电缆有关的项目也间接与机箱屏蔽有关,因为电缆是要通过机箱进出的。

  2.2.1设计屏蔽机箱的几点原则

  (1)保证屏蔽层的导电连续性。理论分析和EMC试验都证明,电磁屏蔽体上的细长缝隙将使屏蔽效果大打折扣。因此,机箱结构上的所有外部缝隙都要实现连续且有良好的导电接触。而对于直径小于屏蔽机箱厚度的小孔,一般不必担心影响EMC效果。

  (2)妥善处理机箱的各种开口。机箱开口主要用来安装开关、按钮、指示灯与显示屏等。开口较大时,如果难以在所安装器件的前面采取屏蔽措施,也要在器件的后面加装屏蔽层(后置屏蔽法),并对穿过屏蔽层的导线做滤波处理。

  (3)正确选择和安装机箱接插件,解决电缆屏蔽问题。进出机箱的线缆如处理不当,会减弱甚至失去机箱屏蔽效能。因此,连接至机箱插座的外部线缆可加外屏蔽层,并且线缆的外屏蔽层要和机箱的屏蔽层保持导电连续性。安装在机箱上的插座要选用符合军用标准的屏蔽型接插件。机箱上安装插座的接触面不能有漆膜或涂塑层等任何绝缘材料。

  (4)机箱散热采用自然风冷的方式为好,允许有一些小的散热孔。如果要安装散热风扇的话,需要在风扇外侧安装截止波导式屏蔽通风板。

  2.3电路设计中的EMC对策

  电路EMC设计的基本原则已有许多文献述及,此处仅提一下几个实用的具体细节。

  1)应用多层印制电路板和表面贴装元器件。具有电源层和地线层的4层以上印制电路板的EMC特性优于普通的单、双面印制电路板,在电路设计时应尽可能采用多层板。表面贴装元器件的等效电磁辐射面积显著小于插装式元器件,具有更好的EMC性能。所以多层电路板加表面贴装元器件的组合应当成为符合GJBI51A-97标准要求的印制电路板设计的选择。

  2)信号传感器的选用和传感信号放大器的设计。传感器一般安装在设备主机箱以外,因此,对主机箱采取的电磁屏蔽措施覆盖不到传感器。又由于来自传感器的信号十分微弱,所以传感器经常成为电子设备中极易遭受外部电磁干扰的薄弱环节,尤其是在做RS101和RS103测试时。

  传感放大器有单端输入式和差分输入式之别。从理论上讲,理想的平衡输入差分放大器抑制共模干扰信号的能力很强,因此一般应采用这种输入方式。但当干扰信号大到一定程度时(如RS103试验时干扰场强较大可达200 V/m),可能导致有源差分放大器的工作范围脱离线性区,使共模抑制失效。实际试验的结果也表明,在严密屏蔽和良好接地的条件下,单端输入式的传感放大器抗干扰能力有时更胜一筹。因此,究竟选用哪种输入放大电路,还需结合实际情况决定。

  3)强化有源器件的高频旁路。按照GJB151A.97标准做RS103项目的试验时,有时会出现这种情况:干扰信号为等幅波时,输出信号不受干扰;干扰信号为调幅波时,输出信号中就有了干扰。经分析,可能是调幅波干扰信号窜入电路后,由于有源器件的非线性响应产生了高频检波,从而造成干扰。为防止这种情况,强化对有源器件的高频旁路可起一些作用。

  2.4注重接地质量

  在电源、屏蔽和电路设计这3方面,都必须高度关注地线和接地质量问题。接地质量首先体现在要正确接地,即选择正确的接地点和接地方式;再则是要可靠接地,接地面积要大、接地线要粗而短、接地螺栓要安装紧固,以减小接地电阻。

  综上所述,对军工电子设备进行EMC设计时,设计重点依次是电源、屏蔽、电路,而对接地的设计考虑则自始至终贯穿于这3个方面。