姚靜波，辛朝軍，解維奇

（裝備指揮技術(shù)學院航天裝備系，北京 101416）

航天測試產(chǎn)品系統(tǒng)級電磁兼容性設(shè)計研究

姚靜波，辛朝軍，解維奇

（裝備指揮技術(shù)學院航天裝備系，北京 101416）

航天發(fā)射和運載火箭發(fā)射場的惡劣電磁環(huán)境對航天測試產(chǎn)品的電磁兼容性提出了非常嚴格的要求，需要設(shè)計師在設(shè)計初期充分考慮系統(tǒng)的電磁環(huán)境適應(yīng)性問題。通過對國軍標和航天發(fā)射對測試系統(tǒng)電磁兼容性要求的分析，結(jié)合工程設(shè)計實踐，提出了一套航天測試產(chǎn)品系統(tǒng)級電磁兼容設(shè)計的方法，為整機系統(tǒng)的航天測試產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計提供了思路。

電磁兼容；航天測試；設(shè)計

隨著電子設(shè)備在航天測試領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來越多的電子設(shè)備安裝在了發(fā)射場塔架附近狹小的空間范圍內(nèi)，這些設(shè)備在工作時產(chǎn)生的各種電磁能量使得航天器及其測試電子設(shè)備所處的電磁環(huán)境非常復(fù)雜［1］。如何在惡劣的電磁環(huán)境中保證箭上及地面電氣設(shè)備工作的高可靠性，提高各種電氣電子系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和元件的抗干擾能力，并使之達到完全兼容的工作狀態(tài)，已經(jīng)成為航天領(lǐng)域電子設(shè)備設(shè)計必須面對的研究課題。

航天發(fā)射對航天測試系統(tǒng)的要求極為嚴格，而航天測試系統(tǒng)的電磁兼容性又對測試的精度及準確度以及被測對象有著至關(guān)重要的影響，因此必須從測試系統(tǒng)總體設(shè)計角度高度重視電磁兼容性的設(shè)計，必須將電磁兼容設(shè)計貫穿體現(xiàn)于航天測試產(chǎn)品系統(tǒng)、分系統(tǒng)的整個設(shè)計過程中。

筆者結(jié)合某型號運載火箭綜合測試系統(tǒng)工程設(shè)計實踐，從提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定度的角度出發(fā)，就航天測試產(chǎn)品系統(tǒng)級EMC設(shè)計進行研究分析。

1 航天測試系統(tǒng)EMC設(shè)計要求

航天發(fā)射的特殊性對航天測試類產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC，electromagnetic compatibility）設(shè)計要求非常嚴格，它要求測試系統(tǒng)在滿足GJB 151A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》的基礎(chǔ)上，EMC設(shè)計必須貫穿于系統(tǒng)設(shè)計的全部過程，并能夠顯著提升系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)的電磁兼容性必須有一定的安全裕度，并必須采取措施避免因自身或外部的電磁環(huán)境引起性能異常。同時還要采取措施減少系統(tǒng)工作時的非預(yù)期電磁干擾，將自身的電磁能量控制在一定的范圍內(nèi)，使之能夠與其他系統(tǒng)兼容工作。

此外，系統(tǒng)的EMC設(shè)計必須兼顧系統(tǒng)設(shè)計的其他技術(shù)指標。一般情況下，航天測試產(chǎn)品系統(tǒng)級的EMC設(shè)計可分電氣設(shè)備、機械設(shè)備以及軟件的EMC設(shè)計3個方面內(nèi)容進行并行設(shè)計。

2 電氣設(shè)備的EMC設(shè)計

干擾源、耦合通道和敏感設(shè)備是電磁干擾的3個要素，EMC設(shè)計的目的就是要針對上述3個要素，采取各種手段切斷干擾源、阻止其耦合通道并提高敏感設(shè)備的敏感度閾值。

EMC設(shè)計的內(nèi)容主要包括優(yōu)化信號設(shè)計、完善線路設(shè)計、合理布局、隔離、對消與限幅、濾波、接地、搭接、屏蔽等［2］。航天測試產(chǎn)品在進行系統(tǒng)級的EMC設(shè)計時，必須通盤考慮上述所有因素，以期取得最好的設(shè)計效果。

2.1 元器件的選擇

電氣設(shè)備的EMC設(shè)計，一個關(guān)鍵步驟在于模擬和邏輯器件的選擇，這樣既可以降低產(chǎn)品的成本，而且措施簡單、方便、易于實施和檢測，同時又能提高產(chǎn)品的可靠性，將電磁干擾抑制在萌芽狀態(tài)。在設(shè)計初期對電子元器件的選擇過程中，首先必須關(guān)注有源器件固有的電磁敏感度特性，選擇與系統(tǒng)電磁特性最匹配的有源器件。由于表面貼裝元件具有低寄生參數(shù)以及不需要PCB板上的安裝孔等特點，因此在元器件選擇時在滿足系統(tǒng)性能要求的情況下，應(yīng)盡量選擇低電壓、低功耗的表面貼片元件；在數(shù)字電路設(shè)計時，應(yīng)盡量降低系統(tǒng)工作頻率，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)電磁輻射。

2.2 PCB設(shè)計

由于航天測試產(chǎn)品在尺寸上的嚴格要求，使得系統(tǒng)中PCB上電子元器件和線路的密集度不斷增加，不可避免地降低了系統(tǒng)的抗干擾特性。PCB上元器件、信號線、電源線以及地線位置的擺放，必須從EMC設(shè)計的角度整體考慮，采取正確的措施，才能既起到抗干擾又抑制電磁發(fā)射的作用［3］。

在進行PCB設(shè)計時，首先要根據(jù)實際需要，選擇合適的印制板類型，一般從EMC的角度考慮選取多層板，因為多層板可以設(shè)置專門的電源層和地層。這樣，一方面相當于地線變粗，保證了設(shè)備中電平的穩(wěn)定，抗噪聲能力得到增強；另一方面也可以使信號線與地線之間形成一個極板間距很小的大電容，在提高PCB板抗干擾能力的同時降低了信號回路面積，使差模輻射大幅度減小。

為了避免器件之間的相互干擾，元器件的布局應(yīng)按照電源、模擬、數(shù)字、高速、低速以及元器件之間的聯(lián)系進行分類，再依次設(shè)計地線、電源線、高速信號線、低速信號線等。信號線的布置最好根據(jù)信號的流向按順序安排，使PCB板上的信號走向流暢，同時盡可能減少元器件之間的走線長度，以進一步降低輻射和干擾。布線時信號線應(yīng)過渡平滑，盡量避免線寬或走線方向的突變引起的電磁輻射，所有信號的回路面積應(yīng)盡可能小，以盡量減少差模輻射。同一層上的信號線至少應(yīng)保持8 mil以上的間距，不同層上的信號線走向應(yīng)互相垂直，以減少信號線之間的電場和磁場耦合干擾。

2.3 濾波與隔離設(shè)計

濾波主要是解決通過傳導(dǎo)途徑造成的干擾［4］，一般可以通過選擇合適的濾波器實現(xiàn)。但由于航天測試產(chǎn)品的特殊性，普通的濾波器難以滿足其高可靠性的要求，因此需要對濾波電路，尤其是電源供電電路進行詳細設(shè)計，防止電源輸入端高頻信號竄入對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在進行電源供電電路設(shè)計時，應(yīng)充分考慮雷電、電源濾波、屏蔽、接地等多方面因素，以保證良好的EMC效果。

由于在發(fā)射場附近存在著非常多的大功率干擾源，這些設(shè)備的啟動或停止瞬間，會產(chǎn)生浪涌電壓且伴隨火花干擾，并可能通過電源線進入設(shè)備，這些干擾僅靠電源濾波器或電容是無法完全消除的，因此，系統(tǒng)在包含F(xiàn)PGA的電路中，設(shè)計了數(shù)字濾波電路。數(shù)字濾波電路的基本原理是：設(shè)計一個獨立的計數(shù)器，當有輸入信號時，計數(shù)器對采樣脈沖進行計數(shù)，只有在采樣時間內(nèi)連續(xù)計數(shù)到預(yù)定值時，即有效信號持續(xù)一定的時間時，視輸入信號有效，否則視為偽信號剔除。數(shù)字濾波電路的基本設(shè)計原理如圖1所示。

電路的隔離設(shè)計需要根據(jù)不同的電氣信號單獨設(shè)計，其主要功能是將從信號線竄入的干擾信號隔離在測量電路之前，使之對系統(tǒng)測試精度的影響降至最小。在模擬電路中，其供電系統(tǒng)的隔離主要采用電源隔離變換器來抑制被測對象和測試系統(tǒng)之間的電磁干擾，而其信號的隔離則采用有源或無源隔離變送器等。數(shù)字電路中的隔離器件主要使用光電耦合器件或電磁繼電器實現(xiàn)。

圖1 數(shù)字濾波原理圖

3 機械設(shè)備結(jié)構(gòu)的EMC設(shè)計

測試系統(tǒng)機械設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計甚至個別器件安裝位置的設(shè)計，對系統(tǒng)的電磁兼容特性也有非常重要的影響，在機械設(shè)備結(jié)構(gòu)的EMC設(shè)計方面，需要重點關(guān)注的是系統(tǒng)的接地設(shè)計和屏蔽設(shè)計。

3.1 接地設(shè)計

接地是為了向系統(tǒng)提供一個等電位的面，好的接地設(shè)計必須保證接地系統(tǒng)具有很低的公共阻抗，使系統(tǒng)中各路接地電路通過公共阻抗產(chǎn)生的直接傳導(dǎo)噪聲電壓最小。接地方式分為單點接地、多點接地、混合接地和浮地等。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，低于1 MHz的模擬信號和數(shù)字信號采用單點接地方式，10 MHz以上的信號采用多點接地方式，頻率在兩者之間的信號采用混合接地的方式。數(shù)字地線、模擬地線和高頻信號地線分別采用專用電纜獨立設(shè)計，3類地線最終匯接到系統(tǒng)機殼接地點，通過該點接入大地。為了減小地線阻抗，機箱內(nèi)部的地線均選用了AF-1.0以上線徑的導(dǎo)線，機殼接至大地的地線選用的是寬厚比為6∶1的編織銅帶。

3.2 屏蔽設(shè)計

屏蔽是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硗庖粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。系統(tǒng)的屏蔽設(shè)計主要從兩點考慮，一是屏蔽材料的選擇，二是屏蔽體的電連續(xù)性設(shè)計。系統(tǒng)機箱的箱體作為系統(tǒng)的屏蔽體，材料類型和厚度對各類信號屏蔽所起的作用各不相同。鋁合金材質(zhì)的機箱具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性，是一種較高效能的屏蔽體，可滿足測試系統(tǒng)設(shè)計要求，因此本系統(tǒng)選用鋁合金材質(zhì)的全封閉機箱作為屏蔽體。在進行機箱的設(shè)計制作和安裝時，應(yīng)盡量減小各接口處的縫隙，焊接焊縫必須平滑連續(xù)，可拆卸式接縫處應(yīng)采用間距適宜的螺釘緊固，在通風孔處應(yīng)安裝截止波導(dǎo)通風板，所有安裝連接處必須加導(dǎo)電襯墊以實現(xiàn)系統(tǒng)良好的導(dǎo)電連續(xù)性。

4 軟件的EMC設(shè)計

由于航天發(fā)射場電磁環(huán)境復(fù)雜多變，僅靠硬件措施不能完全消除電磁干擾的影響，當外界的干擾竄入系統(tǒng)并破壞程序的正常運行時，就有可能導(dǎo)致程序跑飛、紊亂、死鎖、甚至死機等故障的發(fā)生。軟件EMC設(shè)計的目的就是在保證系統(tǒng)在無干擾信號時正常工作，系統(tǒng)受到干擾發(fā)生故障時，軟件能及時返回正常狀態(tài)。

在進行程序設(shè)計時，首先應(yīng)該構(gòu)架工程化、模塊化的程序結(jié)構(gòu)體系，這種類型的程序結(jié)構(gòu)對于發(fā)現(xiàn)故障、定位診斷故障有著良好的幫助效果。

軟件設(shè)計中“看門狗”技術(shù)的應(yīng)用，可以將陷入死循環(huán)的失控程序恢復(fù)到正常狀態(tài)，尤其是當系統(tǒng)受到嚴重干擾導(dǎo)致中斷方式控制字被破壞，使硬件中斷關(guān)閉的情況發(fā)生時，軟件實現(xiàn)的“看門狗”技術(shù)可以體現(xiàn)出更好的優(yōu)勢。

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，軟件設(shè)計使用了 “心跳”探測技術(shù)，即當系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)每次發(fā)生變化時，系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)及時上傳，而當系統(tǒng)較長時間無數(shù)據(jù)交互時，系統(tǒng)仍然定時送出一組特定數(shù)據(jù)，以確認系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，類似于人的心跳特性。如較長時間無 “心跳”信號，則認為系統(tǒng)故障，自動跳入系統(tǒng)出錯處理模塊。

此外，在程序設(shè)計中還可以利用軟件靈活方便的特點，充分利用信息冗余技術(shù)、設(shè)置軟件陷阱等方法，設(shè)計防抖動、防跑飛、延時確認等功能，以有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

5 結(jié) 語

電磁兼容性設(shè)計是保證航天測試產(chǎn)品可靠和安全穩(wěn)定的重要指標，也是在進行系統(tǒng)設(shè)計時面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，系統(tǒng)級航天測試產(chǎn)品的EMC設(shè)計必須參照實際的電磁環(huán)境，從系統(tǒng)的開發(fā)階段開始，并貫穿于系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)的全過程，從電氣設(shè)備、機械結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計等多方面采取相應(yīng)的電磁兼容措施，最大限度地減小電磁環(huán)境對系統(tǒng)工作性能的影響，保證航天測試產(chǎn)品高可靠性地運行。

［1］ 王志強，陳啟忠，顧幸生.某航天系統(tǒng)控制器的電磁兼容設(shè)計［J］.宇航學報，2009，30（3）：1 159-1 163.

［2］ 曾 斌.關(guān)于航天電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的 EMC設(shè)計［J］.電子機械工程，2002，18（1）：56-58.

［3］ 王 丹，閆利超.高速 DSP系統(tǒng)的電路板級電磁兼容性設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（14）：1-3.

［4］ 高社生，張玲霞.可靠性理論與工程應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

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1008-1542（2011）07-0042-03

2011-06-20；責任編輯:張士瑩

姚靜波（1969-），男，甘肅甘谷人，副教授，主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置方面的研究。