小衛星平臺某電子設備電磁兼容性設計

摘要：針對小衛星平臺某電子設備炔康绱嘔肪常給出了電磁兼容性(EMC)設計原則和具體方法，包括結構設計、屏蔽設計、濾波設計及PCB板設計等，EMC試驗表明該設備電磁兼容設計合理，這對星載電子設備的電磁兼容設計有較高的參考價(jià)值。

隨著(zhù)電子技術(shù)應用的日益發(fā)展，電子設備越來(lái)越復雜，電磁環(huán)境日趨惡劣，它影響了電子設備和系統的正常工作和性能。一個(gè)性能好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問(wèn)題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設備的正常工作，又要具備較低的敏感度，能抵抗規定的電磁干擾。

航天器電子設備對體積，質(zhì)量和功耗的限制是十分苛刻的，而對產(chǎn)品高性能的追求也是不斷提高。某電子設備是適應小衛星平臺小型化、集成化的需求，將多種功能線(xiàn)路組合在一起，設備內部干擾源和敏感器件多，信號傳輸線(xiàn)多，空間小，相互間很容易造成干擾。如果干擾效應嚴重，將導致系統失靈，甚至可能產(chǎn)生嚴重的故障，所以電磁兼容性是該設備的一項重要指標。

1 電磁兼容性與電磁干擾

電磁兼容性(EMC)是指電子設備在預期的電磁環(huán)境中能夠協(xié)調、有效地進(jìn)行工作的能力。其目的是使電子設備既能抑制各種外來(lái)的干擾又能減少其本身對其他電子設備的電磁干擾。電磁干擾(EMI)可理解為一種有損于有用信號的電磁現象，干擾的來(lái)源主要有本電子設備內部形成的干擾以及外界耦合到本電子設備形成的干擾。

電磁兼容主要解決的是電子、電氣設備或系統間的電磁干擾問(wèn)題，構成電磁干擾必須具備3個(gè)因素，即干擾源、受干擾對象(敏感設備)及兩者間耦合路徑。電磁干擾的基本模型就是這3個(gè)因素的串聯(lián)，如圖1所示。

系統或設備內部要發(fā)生電磁兼容性問(wèn)題，必須同時(shí)存在以上3個(gè)因素，在解決電磁兼容問(wèn)題時(shí)，要從這3個(gè)因素入手，消除其中某一個(gè)因素，就能解決問(wèn)題。對新研制的電子設備，應該從設計開(kāi)始階段就考慮電磁兼容，進(jìn)行電磁兼容設計。在設計階段就考慮電磁兼容，遠比制作成型后再試圖滿(mǎn)足電磁兼容標準要求而采取措施更節省人力和物力。所以電子設備必須在產(chǎn)品設計階段就要考慮電磁兼容問(wèn)題。

2 某星載電子設備簡(jiǎn)介

小衛星平臺某電子設備是衛星的主要控制器之一，如圖2所示。

以處理器控制單元為中心，外圍包括DC/DC模塊、串行通訊模塊、推力器驅動(dòng)模塊、磁力矩器驅動(dòng)模塊、供配電模塊等單元。設備內既有DC/DC、部件供配電、推力器驅動(dòng)等強干擾源信號，又有A/D和D/A輸入輸出小信號，同時(shí)還存在高速脈沖輸入信號，以及控制單元內部的高速時(shí)鐘信號。因而設備內部的電磁環(huán)境很復雜，電磁兼容性成為該設備的一項重要設計內容，結果的好壞直接影響產(chǎn)品的性能。

3 電磁兼容性設計

3.1 結構與地線(xiàn)設計

本星載電子設備采用無(wú)線(xiàn)纜機箱結構，相對傳統電纜結構機箱，無(wú)線(xiàn)纜機箱能大大減少電磁干擾，這是因為80%的EMC問(wèn)題是因電纜造成，電纜是高效的電磁波接收天線(xiàn)和輻射天線(xiàn)，同時(shí)也是干擾傳導的良好通道。如圖3所示，設備采用雙總線(xiàn)板結構，通過(guò)內總線(xiàn)板實(shí)現設備內部各功能板之間的信號傳遞，通過(guò)內總線(xiàn)板與外總線(xiàn)板之間的“大芯數轉接內電連接器”以及外總線(xiàn)板上的“焊針型直插印制板電連接器”實(shí)現內部信號與設備外部信號之間的傳遞。

機箱結構設計時(shí)，將強弱信號所在的線(xiàn)路板分開(kāi)進(jìn)行合理布局，易產(chǎn)生電磁干擾的線(xiàn)路板設置在機箱的上下側邊，使產(chǎn)生的干擾信號能通過(guò)機箱外殼釋放，數字等敏感信號處理線(xiàn)路板放置在機箱中部，二次電源模塊是主要的干擾源，由主備份兩塊線(xiàn)路板組成，正常工作時(shí)使用主份，所以將份板放在機箱最外側，備份二次電源板平常不工作，成為一道屏障阻止主份二次電源板產(chǎn)生的干擾信號向機箱內輻射。

設備內部的地線(xiàn)包括一次地、數字地和模擬地，其中數字地和模擬地屬于二次地。設計時(shí)將數字地和模擬地分開(kāi)布線(xiàn)，在設備內進(jìn)行單點(diǎn)連接，一次地與數字地和模擬地進(jìn)行嚴格隔離，避免單機接地故障為一次電源帶來(lái)致命的危害從而影響整星的正常工作。內外總線(xiàn)板是設備強弱信號輸入輸出通道，為遏制和減小這些信號之間的干擾，將內外總線(xiàn)板上的強弱信號按區域劃分，同時(shí)分割相應的地層，由于地線(xiàn)層處處等電位，不會(huì )產(chǎn)生共模電阻耦合，也不會(huì )經(jīng)地線(xiàn)形成環(huán)流產(chǎn)生天線(xiàn)效應，使電磁干擾能以最短的路徑進(jìn)入地線(xiàn)而消失。

3.2 濾波與屏蔽

濾波的功能是讓指定頻率范圍內的信號通過(guò)，而將其他頻率信號加以抑制。它是減弱傳導干擾和輻射于擾最常用手段之一，特別是對瞬態(tài)干擾的抑制更有效。本星載電子設備的濾波設計主要是對DC/DC電源模塊濾波和對線(xiàn)路去耦電容濾波。

在DC/DC模塊的輸入濾波電路主要由一級∏濾波和兩級LC濾波電路組成，采用差模和共模組合式濾波措施，能有效阻止來(lái)自電源母線(xiàn)的噪聲干擾，同時(shí)阻止DC/DC電源本身產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲反饋到一次母線(xiàn)內阻上，形成公害。

在設計印制電路板時(shí)，通過(guò)在電路上加去耦電容來(lái)滿(mǎn)足數字電路工作時(shí)要求的電源平穩和潔凈度。去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩，減小了電壓振蕩現象，集成芯片可以就近在各自的去耦電容上吸收或釋放電流，而不必通過(guò)電源線(xiàn)從較遠的電源中取得電流。因此不會(huì )影響集成芯片的速度，同時(shí)去耦電容為集成芯片的瞬態(tài)變化電流提供了各自就近的高強通道，從而大大減小了向外的輻射噪聲，且相互之間沒(méi)有公共阻抗，因此抑制了共阻抗耦合。

設計時(shí)在每個(gè)集成芯片的電源和地腳之間加一個(gè)0.01～0.1 μF去耦電容，有效去除信號線(xiàn)中的高頻噪聲。在每塊線(xiàn)路板電源輸入端接一組5 μF電容和一組0.01μF電容，濾除電源線(xiàn)上的高頻干擾和低頻噪聲。

屏蔽是利用屏蔽體對干擾電磁波的吸收、發(fā)射來(lái)達到阻止或減弱電磁能量傳輸的一種措施，能有效阻止電磁波從一個(gè)空間向另一空間傳揚，主要用于抑制輻射干擾。屏蔽用低阻抗材料做殼體，把需要隔離的部件包圍起來(lái)，被隔離的即可以是干擾源，也可以是防干擾的敏感設備，將屏蔽體和地相連，可以大大減少干擾耦合。

二次電源模塊作為設備內部主要干擾源，設計時(shí)將其安裝在密封屏蔽的金屬腔體內，殼體與機箱緊密搭接與地導通，從而隔離了二次電源內部干擾信號對外部的輻射干擾，同時(shí)也能很好地提高二次電源的抗干擾能力。為增加機箱的屏蔽效果，箱體各面板間設計成卡槽結構，增加各面板接縫處的重疊尺寸，接縫處兩連接面的重疊量與屏蔽效能有關(guān)系，增加重疊量相當于增加了縫隙的深度。另外，對機箱殼體的接縫處盡可能增加固定螺釘數量，減少螺釘間距，使得縫隙長(cháng)度響應減小，使屏蔽效能提高。機箱的表面采用導電陽(yáng)極化處理，機箱內的各印制板組件也都經(jīng)過(guò)導電陽(yáng)極化處理，使所有連接面保持導電，最終通過(guò)箱體上的接地址與系統殼地相連。

3.3 PCB布局布線(xiàn)設計

印制電路板中的電磁干擾問(wèn)題包括公共阻抗耦合和串擾，高頻載流導線(xiàn)產(chǎn)生的輻射，印制線(xiàn)條對高頻輻射的感應等。其中以高頻輻射問(wèn)題最為嚴重，這是因為電源線(xiàn)、接地線(xiàn)及信號線(xiàn)的阻抗會(huì )隨著(zhù)頻率的增高而增大，故較易通過(guò)公共阻抗耦合產(chǎn)生干擾，同時(shí)頻率增高使得線(xiàn)路間寄生電容的容抗減小，因而串擾更易發(fā)生。

在沒(méi)備內部，布局或布線(xiàn)不當是造成千擾的首要原因，大多數的干擾是發(fā)生在模擬數字混排的布局網(wǎng)或布線(xiàn)不當的印制線(xiàn)之間，所以正確的布局和布線(xiàn)是設備可靠運行的基本保證之一。

本星載電子沒(méi)備內包含低電平模擬電路和數字邏輯電路，PCB設計時(shí)將二者分開(kāi)布局，使得數字電路高頻電流在印制板上的走線(xiàn)路徑變短，有助于降低線(xiàn)路板內部的串擾、公共阻抗藕合和輻射發(fā)射。元器件的布局首先要考慮的一個(gè)因素就是電性能，把連線(xiàn)關(guān)系密切的元器件盡量放在一起，高速線(xiàn)走線(xiàn)盡可能短。功率信號和小信號器件分開(kāi)，這樣可減少組件之間的電磁干擾。

在數字電路設計中，不能忽略的是存在于器件、導線(xiàn)、印制線(xiàn)和插頭上的寄生電感、電容和導納，為此在布線(xiàn)時(shí)采取以下幾條措施：

1)所有平行信號線(xiàn)之間要盡量留有較大的間隔，以減少串擾。如果有兩條相距較近的信號線(xiàn)，最好在兩線(xiàn)之間走一條接地線(xiàn)，可以起到屏蔽作用。設計信號傳輸線(xiàn)時(shí)要避免急拐彎，以防傳輸線(xiàn)特性阻抗的突變而產(chǎn)生反射和振鈴，要盡量設計成具有一定尺寸的均勻的圓弧線(xiàn)。

2)印制板上若裝有大電流器件，如繼電器，它們的地線(xiàn)單獨走線(xiàn)，以減少地線(xiàn)上的噪聲。時(shí)鐘信號和高速信號盡量避免換走線(xiàn)層，少用過(guò)孔，以減小過(guò)孔的寄生電容和寄生電感帶來(lái)危害。

3)電源平面靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源的平滑電容，同時(shí)接地平面還對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。

4)特別注意電流流過(guò)電路中的導線(xiàn)環(huán)路尺寸，因為這些回路就相當于正在工作中的小天線(xiàn)，隨時(shí)隨地向空間進(jìn)行輻射。

4 試驗驗證

電磁兼容性測試包括電磁干擾發(fā)射(EMI)和電磁敏感度(EMS)測量。本星載電子設備根據國軍標GJB151A一97《軍用設備和分系統電磁發(fā)射和敏感度要求》試驗要求，進(jìn)行了以下EMC試驗項目：RE102：10 kHz～18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射;RS103：10 kHz～40 GHz電場(chǎng)輻射敏感度;CE102：10 kHz～10 MHz電源線(xiàn)傳導發(fā)射;CS101：25 Hz～50 kHz電源線(xiàn)的傳導敏感度;CS114：10 kHz～200 MHz電纜束注入傳導敏感度;CS115：電纜束注入脈沖激勵傳導敏感度;CS116：10 kHz～100 MHz電纜和電源線(xiàn)阻尼正弦瞬變傳導敏感度。其中，RE102、CE102屬于EMI(電磁干擾)的測量，RS103、CS101、CS114、CS115、CS116屬于EMS(電磁敏感度)的測量。

對設備進(jìn)行以上7項EMC試驗項目檢測，結果7項檢測項目都合格，產(chǎn)品的傳導敏感度和輻射發(fā)射測試數據都符合CJB151A-9了要求(RE102試驗曲線(xiàn)如圖4所示)，證明本電子設備電磁兼容性設計有效，性能滿(mǎn)足要求。

5 結論

電磁兼容性問(wèn)題在航天器電子產(chǎn)品的性能中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，本文針對小衛星平臺某電子設備的電磁環(huán)境特點(diǎn)，結合實(shí)際工程經(jīng)驗，在設計實(shí)現上采取了多種技術(shù)的有效措施，使設計效果達到最優(yōu)化，通過(guò)了相關(guān)的電磁兼容試驗檢測，收到了事半功倍的效果。這對同類(lèi)電子產(chǎn)品設計具有很好的參考價(jià)值。