艦載輕型天線(xiàn)穩定平臺emc設計

0　引言
艦載天線(xiàn)穩定平臺是為安裝在船舶桅桿上的微波天線(xiàn)提供一個(gè)不受船舶搖擺影響的安裝水平面,其功能是在艦船搖擺情況下,補償艦體運動(dòng)引起的縱、橫搖擺角,使天線(xiàn)始終垂直于水平面。但因其安裝位置處于惡劣電磁干擾環(huán)境下,外部除了自身承載的微波天線(xiàn)的輻射外,還有附近的各種類(lèi)型雷達和通信天線(xiàn)的輻射干擾,內部電機的PWM干擾,要保證設備在惡劣電磁干擾環(huán)境下正常工作,必須對電磁兼容嚴格設計。
電磁干擾(EMI)即電子設備或電氣設備所產(chǎn)生的電噪聲,這些電噪聲表現為多種形式,可以是連續的、隨機的或周期性的。EMI的形成必須同時(shí)具有3個(gè)因素:電磁干擾源;對干擾能量敏感的接收設備;將干擾能量從干擾源傳播到接收設備的傳播途徑。如果一個(gè)系統既不是干擾源也不是接收設備,那么該系統是電磁兼容的。電磁兼容性的研究是圍繞構成電磁干擾的3個(gè)因素進(jìn)行:提高抗干擾性能及減少對其他設備的干擾輻射和干擾傳導。恰當的系統設計技術(shù)可抑制發(fā)射傳導和輻射干擾,恰當的設計技術(shù)可硬化系統以減小其對干擾的敏感度,恰當的屏蔽、接地、濾波以切斷干擾的傳播途徑以保護受害設備[3]。
1　電源線(xiàn)尖峰信號傳感敏感度設計
設備對尖峰信號的敏感度即設備能夠承受規定水平的瞬態(tài)干擾,不會(huì )出現故障或工作狀態(tài)混亂。電源線(xiàn)尖峰信號傳感敏感度(CS106)的測試條件為在設備不接地的交流電源線(xiàn)上注入脈沖寬度小于5μs、幅值為400 V的尖峰信號,CS106測試原理圖如圖1所示。

增大,當輸出電壓增加至350 V時(shí),設備的液晶顯示屏出現了白屏,設備受到了尖峰信號的干擾,不能正常工作。
1·1　非線(xiàn)性器件瞬態(tài)抑制
無(wú)論是從電源線(xiàn)還是從信號線(xiàn)進(jìn)入的瞬態(tài),都可以使用非線(xiàn)性器件衰減。將這些器件與被保護線(xiàn)路并聯(lián),對于正常的信號或電壓水平,它表現為高阻態(tài)———主要由它自己的電容和漏電特性決定。當干擾源的電壓大于它的擊穿電壓時(shí),器件會(huì )立即轉變?yōu)榈妥钁B(tài),使從瞬態(tài)源過(guò)來(lái)的電流離開(kāi)保護電路,限制了保護電路上的瞬態(tài)電壓。以瞬變電壓吸收二級管(TVS)為例,TVS就是硅雪崩型二級管,它體積小、響應時(shí)間短。TVS在擊穿前表現為一個(gè)跨接在線(xiàn)路輸入端的高阻抗負載,而出現瞬態(tài)高壓時(shí),它即被激活,PN結發(fā)生雪崩效應,吸收大量能量,因此以箝位方式限制線(xiàn)路電壓在允許范圍內。在選取這些非線(xiàn)性器件時(shí),它們必須能夠承受電路的連續工作電壓,并具有一個(gè)安全裕量,以吸收來(lái)自任何預期瞬態(tài)的能量。對瞬態(tài)抑制器的典型安裝位置圖如圖2所示。

在傾角儀和陀螺信號傳輸電路設計中,將TVS并聯(lián)在功率管兩端;同時(shí),在供電DC電源兩端并聯(lián)TVS,在CAN總線(xiàn)的信號線(xiàn)與地線(xiàn)之間并聯(lián)TVS,它們均對電路起到了保護和抗電磁干擾作用。
1·2　線(xiàn)纜內部的串擾效應控制
系統內部的線(xiàn)纜走線(xiàn)布局對線(xiàn)纜之間本地電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合有極大影響。為了使線(xiàn)纜之間耦合最小,應對不同類(lèi)型的線(xiàn)纜進(jìn)行劃區,并且相互之間至少保持150 mm的間隔;當不同類(lèi)型的線(xiàn)纜不能避免相鄰走線(xiàn)時(shí),應盡量縮短走線(xiàn)長(cháng)度。這樣可以減小線(xiàn)纜內部的串擾效應,對系統電磁兼容設計取得較好效果。
2　電場(chǎng)輻射敏感度(RS103)設計
天線(xiàn)穩定平臺為了保證天線(xiàn)始終垂直于水平面而不受艦船搖擺的影響,采用了傾角儀和速率陀螺測量艦船傾角信號和搖擺速率信號分別引入反饋和前饋組成復合控制策略,實(shí)現天線(xiàn)穩定平臺的伺服控制。在本系統中采用力平衡式傾角儀LCF100測量艦船傾角信號,將天線(xiàn)穩定平臺置于10 kHz~40 GHz、200 V/m的輻射電場(chǎng)強度的環(huán)境中進(jìn)行RS103測試時(shí),天線(xiàn)穩定平臺受到了干擾,系統不能正常工作。
2·1　采用屏蔽技術(shù)降低電場(chǎng)輻射
屏蔽是利用導電或導磁材料制成殼、板、套、筒等各種形狀的屏蔽體,將電磁能量限制在一定空間范圍內抑制輻射干擾的一種有效措施。使用屏蔽體將外來(lái)電場(chǎng)與屏蔽空間隔絕,同時(shí)將屏蔽體接地以消除電勢的影響,實(shí)現有效屏蔽。由于屏蔽的機理是電場(chǎng)反射損耗,而且二次反射趨向于減小總體反射損耗,故涂層電阻率越高屏蔽效果越差。在電場(chǎng)屏蔽設計時(shí)應采用良導體制成屏蔽體,通過(guò)對電磁波的反射和吸收作用來(lái)達到衰減電磁能量,減少輻射干擾的目的。屏蔽體的孔縫在實(shí)際應用中是不可避免的,它是影響屏蔽的一個(gè)重要因素。為了保證屏蔽效果,減小屏蔽體的電阻,并且在設計屏蔽體時(shí)應盡量減小垂直于電場(chǎng)方向的孔縫尺寸。
在本系統中采用鋁殼表面鍍銀做成的屏蔽盒進(jìn)行電場(chǎng)屏蔽,將傾角儀和信號調理電路置于此屏蔽盒中,同時(shí)采用了2層屏蔽,控制2層間距盡量接近1/4波長(cháng)的奇數倍(由于在頻率很高時(shí),電磁波在2屏蔽層間會(huì )產(chǎn)生諧振。當2層間距為1/4波長(cháng)的奇數倍時(shí),雙層屏蔽具有最大的屏效;當2層間距為1/4波長(cháng)的偶數倍時(shí),屏效最小),有效減小了電場(chǎng)輻射對傾角儀信號的影響。
2·2　采用接地技術(shù)降低電場(chǎng)輻射
當采用屏蔽技術(shù)降低電場(chǎng)輻射時(shí),必須將屏蔽體接地消除電勢的影響,才能實(shí)現有效的屏蔽。接地技術(shù)是電磁兼容設計中十分有效的措施。接地有浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地3種基本形式,這些方法可以單獨使用也可以組合使用。到底采用什么樣的接地方式需根據具體情況確定。但有一點(diǎn)需引起重視,接地引線(xiàn)的長(cháng)度必須小于工作波長(cháng)λ的1/4,這僅是考慮到“地”作用的起碼要求,實(shí)際接地引線(xiàn)的長(cháng)度還要看允許電源通過(guò)該接地線(xiàn)所產(chǎn)生的電壓降的大小。如果電路對此電壓降很敏感,則接地引線(xiàn)的長(cháng)度不大于0.05λ或更小;如果只是一般敏感,則接地引線(xiàn)可長(cháng)一些,但一般不超過(guò)0.15λ。同時(shí)為了降低接地引線(xiàn)的阻抗,接地引線(xiàn)的端頭應平行搭接在接地平面上。
2·3　采用濾波技術(shù)降低電場(chǎng)輻射
濾波是抑制傳導干擾最直接有效的辦法,同時(shí)由于良好的濾波可以抑制干擾源,因而它對輻射干擾的抑制也有明顯效果。濾波器對電磁干擾的抑制作用是建立在合理選擇濾波電路的形式和參數基礎之上的。
在本系統設計中,通過(guò)設計一個(gè)截止頻率為2 kHz的貝塞爾低通濾波器,將2 kHz以上的噪聲信號濾除,從而抑制10 kHz~40 GHz輻射源的輻射干擾。
3　電源線(xiàn)傳導發(fā)射干擾(CE101)設計
3·1　試驗方法
天線(xiàn)穩定平臺系統由監視單元、驅動(dòng)控制單元和主機單元3部分組成。這3部分分別安裝在不同位置,監視單元與驅動(dòng)控制單元之間通過(guò)30 m的電纜相連,驅動(dòng)控制單元的輸出功率接近1 kW,為了實(shí)現監視單元對驅動(dòng)控制單元的遙控,在驅動(dòng)控制單元中應用交流過(guò)零觸發(fā)型固態(tài)繼電器(SSR)進(jìn)行交流開(kāi)關(guān)控制。CE101試驗框圖如圖3所示。

驅動(dòng)控制單元,通過(guò)濾波器濾波后經(jīng)線(xiàn)性電源給目標系統供電。使AC220V輸入端的一根火線(xiàn)穿過(guò)傳感探頭,將傳感探頭的測試端接入EMI接收機。當監視單元給驅動(dòng)控制單元遙控供電時(shí),EMI接收機按照CE101標準進(jìn)行測試并記錄測試曲線(xiàn)。結果發(fā)現測試曲線(xiàn)中在50 Hz的奇數倍頻率和偶數倍頻率處均有正弦半波出現,同時(shí)波形在偶數倍頻率處有超出標準曲線(xiàn)的部分。CE101項電磁兼容測試不合格。
3·2　原因分析
為了找到電磁干擾的原因,先對交流過(guò)零觸發(fā)型SSR原理和結構做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹[1]。SSR是一種由固態(tài)電子元器件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)器件,一般由耦合電路、過(guò)零電路、開(kāi)關(guān)器件和吸收電路等部分組成。SSR一般為4端組件,其中2端為輸入端,另2端為輸出端。在輸入端加一控制信號,就可以控制輸出端的“通”與“斷”,完成開(kāi)關(guān)功能。
耦合電路是以光電耦合器作為輸入、輸出間的通道,在電氣上完全隔離,以防止輸出端對輸入端的干擾。過(guò)零電路保證當開(kāi)關(guān)器件2端電壓過(guò)零瞬間時(shí)輸入信號觸發(fā)開(kāi)關(guān)器件,從而完成在電壓過(guò)零條件下的通、斷動(dòng)作,減少了開(kāi)關(guān)過(guò)程所產(chǎn)生的干擾和污染。
吸收回路由R、C組成,其作用是為了防止電源中帶來(lái)尖峰電壓、浪涌電流對開(kāi)關(guān)器件的沖擊和干擾。
由SSR的原理可知,SSR的輸入信號在開(kāi)關(guān)器件2端電壓過(guò)零瞬間觸發(fā)開(kāi)關(guān)器件,從而完成在電壓過(guò)零條件下的通、斷動(dòng)作。電壓過(guò)零點(diǎn)并非真的是在0 V處,而是在±10~±25 V區域內,即輸入信號總是在交流電壓過(guò)零附近才能觸發(fā)SSR,實(shí)現過(guò)零觸發(fā)。以一個(gè)周期A(yíng)C220V正弦波為例進(jìn)行說(shuō)明,當使用固態(tài)繼電器時(shí),0Hz、 50Hz、100Hz處均為過(guò)零點(diǎn),此時(shí)開(kāi)關(guān)器件快速導通和關(guān)斷,功率電路電流變化率di/dt、電壓變化率du/dt較大,從而產(chǎn)生電磁干擾[2]。
3·3　解決辦法
針對電磁干擾產(chǎn)生的機理,采用PHOTOMOS繼電器代替交流過(guò)零觸發(fā)型SSR,按照上述方法進(jìn)行CE101電磁兼容測試。測試結果僅在50 Hz的奇數倍頻率處有正弦半波出現,并且奇數倍頻率處的波形完全相同,偶數倍頻率處不再有正弦半波出現,測試曲線(xiàn)位于CE101標準曲線(xiàn)范圍內,完成25 Hz~10 kHz電源線(xiàn)傳導發(fā)射干擾的電磁兼容設計。

4　結束語(yǔ)
艦載天線(xiàn)穩定平臺由于所處環(huán)境惡劣,電磁干擾產(chǎn)生的因素及傳遞途徑是十分復雜的。因此,各種措施的有效性也隨之而異,指望一種既簡(jiǎn)單又萬(wàn)能的方法是不現實(shí)的。需要在開(kāi)始設計時(shí)便著(zhù)手考慮電磁兼容設計,并始終貫穿在電路設計、元器件選擇和結構工藝布局等方面。本文以項目設計過(guò)程中遇到的電磁兼容問(wèn)題為研究對象,對電磁干擾產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析并提出了解決辦法,并在實(shí)際應用中收到了較好的效果。