王小宇+劉昕+張德

【摘要】 本文采用近場(chǎng)電磁干擾源探測(cè)定位法分析了某機(jī)載天線伺服系統(tǒng)的輻射發(fā)射問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)確定碼盤及開關(guān)電源為主要輻射源，針對(duì)碼盤和開關(guān)電源輻射超標(biāo)的問(wèn)題采用屏蔽、接地和濾波等措施進(jìn)行整改。在設(shè)計(jì)共模濾波器時(shí)使用仿真軟件CST對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行仿真，最后通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證整改效果，確定伺服系統(tǒng)的電磁兼容性有明顯的改善。

【關(guān)鍵詞】 電磁兼容 輻射發(fā)射 屏蔽 濾波器設(shè)計(jì)

Design and Analysis of Electromagnetic Compatibility Problems of Airborne Antenna Servo System

Wang Xiao-yu，Liu Xin，Zhang De

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

Abstract：In this paper， electromagnetic interference sources detection method is used for the analysis of radiated emission problem of the airborne antenna servo system. By comparing the test data， it is confirmed that the main source of radiation is the encoder and switching power supply. In order to solve the problem of the encoder and switch power source radiation exceed the standard， a series of measures such as shielding， grounding and filtering are adopted to carry out rectification. The parameters of filter are simulated using the CST simulation software in the design of common mode filter. Furthermore， the rectification effect is verified by the electromagnetic compatibility test. It is found that the electromagnetic compatibility of the servo system is improved obviously.

Keywords：Electromagnetic compatibility，Radiation emission，Shielding，F(xiàn)ilter design

一、引言

電磁兼容（EMC）作為一門綜合性的前沿學(xué)科，在20世紀(jì)末、21世紀(jì)初的電氣及電子科學(xué)中得到迅速發(fā)展，對(duì)理論及工程實(shí)踐緊密結(jié)合的要求越來(lái)越高[1]。

現(xiàn)代社會(huì)中飛機(jī)、艦艇、汽車等各種平臺(tái)在狹窄的空間中安裝了各種功能的電子設(shè)備，在工作時(shí)這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)其它設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響[2，3]。短波通信是現(xiàn)代飛機(jī)等載體完成任務(wù)、保障安全的重要通信手段。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種飛行器對(duì)通信質(zhì)量的要求日益高漲，導(dǎo)致飛行器上電子通信設(shè)備的種類和數(shù)量不斷增長(zhǎng)。由于通信設(shè)備都安裝在飛行器殼體上，以殼體作為共地點(diǎn)，而在飛行期間殼體與大地并無(wú)連接，導(dǎo)致設(shè)備間的電磁兼容成為不可忽視的問(wèn)題 [4，5]。

二、故障現(xiàn)象及分析

用戶在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)伺服系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致短波/超短波系統(tǒng)有效通信距離縮短。使用頻譜儀觀察短波/超短波天線接收信號(hào)頻譜，在伺服系統(tǒng)工作時(shí)，在10MHz～200MHz頻段范圍內(nèi)短波/超短波天線底噪有明顯抬升，抬升幅度隨頻點(diǎn)不同，但最小幅度也大于10dBm。伺服系統(tǒng)組成如圖1所示，組成伺服系統(tǒng)的各設(shè)備通過(guò)互聯(lián)線纜進(jìn)行通信。

采用電磁兼容三原則法進(jìn)行分析，伺服系統(tǒng)是輻射源，短波/超短波天線是受影響設(shè)備，而伺服系統(tǒng)和短波/超短波天線之間無(wú)任何線纜連接，并分別由各自系統(tǒng)的隔離電源供電，因此干擾信號(hào)無(wú)法通過(guò)傳導(dǎo)方式達(dá)到受影響設(shè)備。并且由于伺服系統(tǒng)的供電和信號(hào)電纜長(zhǎng)度超過(guò)10m，而10MHz信號(hào)的波長(zhǎng)約為30m，電纜長(zhǎng)度已滿足L≥（λ/20）的輻射發(fā)射條件，由以上條件判斷輻射發(fā)射為干擾信號(hào)的傳輸路徑。為解決該輻射發(fā)射問(wèn)題，按照GJB 151A-97中對(duì)機(jī)載設(shè)備的輻射發(fā)射要求，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行垂直極化RE102測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，測(cè)試曲線在30KHz～500MHz范圍內(nèi)頻譜嚴(yán)重超限，同時(shí)包括窄帶尖峰噪聲、寬帶噪聲和高密集型尖峰群噪聲三種情況。

采用頻譜儀和德國(guó)安諾尼公司生產(chǎn)的PBS系列近場(chǎng)探頭對(duì)組成伺服系統(tǒng)的每個(gè)設(shè)備和設(shè)備間的互聯(lián)線纜進(jìn)行輻射發(fā)射檢查。使用電場(chǎng)探頭分別在距互聯(lián)線纜10cm和20cm的位置進(jìn)行測(cè)量，觀察頻譜儀上測(cè)試曲線的峰值變化并將數(shù)據(jù)記錄于表1。采用對(duì)比法分析，由峰值變化可判斷輻射類型主要為電場(chǎng)輻射。同時(shí)按照頻譜儀上曲線峰值及包絡(luò)的強(qiáng)弱排列，可得開關(guān)電源、碼盤、設(shè)備間的互聯(lián)電纜為主要輻射源。

三、分析及整改措施

針對(duì)產(chǎn)生輻射的設(shè)備進(jìn)行分析和整改，按照整改措施的難易程度進(jìn)行排序?yàn)榛ヂ?lián)電纜、碼盤和開關(guān)電源，具體措施如下。

3.1 互聯(lián)線纜

由于在進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮電磁兼容設(shè)計(jì)，所有的傳輸線均未使用屏蔽線纜，同時(shí)為走線美觀，將信號(hào)線和電源線集中捆扎，導(dǎo)致線纜間耦合嚴(yán)重，線纜整體成為發(fā)射天線。

3.2 碼盤

由于碼盤在設(shè)計(jì)時(shí)已采用金屬殼體進(jìn)行屏蔽，因此對(duì)其使用近場(chǎng)探頭進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)輻射發(fā)射在碼盤插座與殼體連接處最強(qiáng)，拆下插座發(fā)現(xiàn)插座上安裝的密封膠圈是絕緣體，破壞了碼盤整體的電連續(xù)，將該密封膠圈更換為導(dǎo)電膠圈后，插座連接處的輻射發(fā)射有明顯降低。同時(shí)在碼盤的電源線和信號(hào)線上采用饋通濾波器LT1-200-332進(jìn)行濾波，并將濾波器外殼有效接地，再次進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試曲線已滿足GJB151A-97的要求。

3.3 開關(guān)電源

采用靠測(cè)法，使用200MHz帶寬的示波器測(cè)量開關(guān)電源的輸入及輸出端的電壓變化，在開關(guān)電源工作時(shí)觀察到輸入輸出端電壓均疊加有高頻共模噪聲，將共模噪聲在時(shí)域展寬后如圖3所示。

在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）軟件，該軟件強(qiáng)大的仿真能力解決了以上濾波器設(shè)計(jì)所面對(duì)的問(wèn)題。設(shè)計(jì)共模濾波器如圖4所示，采用該共模濾波器并匹配合適的參數(shù)可有效抑制開關(guān)電源輸入和輸出端的共模噪聲。經(jīng)仿真可得共模濾波器在不同參數(shù)下的特性曲線，如圖5所示。

按照仿真結(jié)果設(shè)計(jì)共模濾波器，在電源輸入及輸出端串入共模濾波器后，對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，開關(guān)電源的輻射發(fā)射已滿足GJB151A-97的要求。

采用以上措施對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行整改后，再次進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試曲線如圖7所示，圖7-a為水平極化測(cè)試曲線，圖7-b為垂直極化測(cè)試曲線，由圖7可知，伺服系統(tǒng)的輻射發(fā)射在垂直和水平兩個(gè)極化方向上都能滿足GJB 151A-97中機(jī)載設(shè)備的電磁輻射發(fā)射要求。

四、結(jié)論

本文采用近場(chǎng)電磁干擾源探測(cè)定位法對(duì)組成伺服系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備與互聯(lián)線纜的輻射發(fā)射情況進(jìn)行了分析，依據(jù)分析結(jié)果確定電場(chǎng)輻射是干擾信號(hào)的主要傳輸路徑。從電磁兼容問(wèn)題產(chǎn)生所必需具備的三要素出發(fā)，采用切斷傳輸路徑及減少輻射源等措施對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了整改。在設(shè)計(jì)共模濾波器時(shí)引入仿真分析軟件CST對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確保整改后的伺服系統(tǒng)順利通過(guò)了水平和垂直兩個(gè)極化方向的RE102測(cè)試，改善了伺服系統(tǒng)的電磁兼容性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 戴斌，張炫. 某雷達(dá)產(chǎn)品關(guān)于RE102試驗(yàn)問(wèn)題分析[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)，2012，41（1）：76-80

[2] 薛正輝，高本慶. 機(jī)載短波天線間隔離度的全波分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，15（4）：477-481

[3] 紀(jì)奕才，邱楊，陳偉，等. 車載多天線系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題分析[J]. 電子學(xué)報(bào)，2002，30（4）：560-563

[4] 劉瑩，謝擁軍，張勇. 車載集群通信系統(tǒng)“自頂向下”電磁兼容設(shè)計(jì)[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（5）：720-724

[5] 田錦，謝擁軍，辛紅全，等. 復(fù)雜系統(tǒng)電磁兼容評(píng)估的改進(jìn)TOPSIS方法[J]. 電子學(xué)報(bào)，2013，41（1）：105-109

3.2 碼盤

由于碼盤在設(shè)計(jì)時(shí)已采用金屬殼體進(jìn)行屏蔽，因此對(duì)其使用近場(chǎng)探頭進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)輻射發(fā)射在碼盤插座與殼體連接處最強(qiáng)，拆下插座發(fā)現(xiàn)插座上安裝的密封膠圈是絕緣體，破壞了碼盤整體的電連續(xù)，將該密封膠圈更換為導(dǎo)電膠圈后，插座連接處的輻射發(fā)射有明顯降低。同時(shí)在碼盤的電源線和信號(hào)線上采用饋通濾波器LT1-200-332進(jìn)行濾波，并將濾波器外殼有效接地，再次進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試曲線已滿足GJB151A-97的要求。

3.3 開關(guān)電源

采用靠測(cè)法，使用200MHz帶寬的示波器測(cè)量開關(guān)電源的輸入及輸出端的電壓變化，在開關(guān)電源工作時(shí)觀察到輸入輸出端電壓均疊加有高頻共模噪聲，將共模噪聲在時(shí)域展寬后如圖3所示。

在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）軟件，該軟件強(qiáng)大的仿真能力解決了以上濾波器設(shè)計(jì)所面對(duì)的問(wèn)題。設(shè)計(jì)共模濾波器如圖4所示，采用該共模濾波器并匹配合適的參數(shù)可有效抑制開關(guān)電源輸入和輸出端的共模噪聲。經(jīng)仿真可得共模濾波器在不同參數(shù)下的特性曲線，如圖5所示。

按照仿真結(jié)果設(shè)計(jì)共模濾波器，在電源輸入及輸出端串入共模濾波器后，對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，開關(guān)電源的輻射發(fā)射已滿足GJB151A-97的要求。

采用以上措施對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行整改后，再次進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試曲線如圖7所示，圖7-a為水平極化測(cè)試曲線，圖7-b為垂直極化測(cè)試曲線，由圖7可知，伺服系統(tǒng)的輻射發(fā)射在垂直和水平兩個(gè)極化方向上都能滿足GJB 151A-97中機(jī)載設(shè)備的電磁輻射發(fā)射要求。

四、結(jié)論

本文采用近場(chǎng)電磁干擾源探測(cè)定位法對(duì)組成伺服系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備與互聯(lián)線纜的輻射發(fā)射情況進(jìn)行了分析，依據(jù)分析結(jié)果確定電場(chǎng)輻射是干擾信號(hào)的主要傳輸路徑。從電磁兼容問(wèn)題產(chǎn)生所必需具備的三要素出發(fā)，采用切斷傳輸路徑及減少輻射源等措施對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了整改。在設(shè)計(jì)共模濾波器時(shí)引入仿真分析軟件CST對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確保整改后的伺服系統(tǒng)順利通過(guò)了水平和垂直兩個(gè)極化方向的RE102測(cè)試，改善了伺服系統(tǒng)的電磁兼容性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 戴斌，張炫. 某雷達(dá)產(chǎn)品關(guān)于RE102試驗(yàn)問(wèn)題分析[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)，2012，41（1）：76-80

[2] 薛正輝，高本慶. 機(jī)載短波天線間隔離度的全波分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，15（4）：477-481

[3] 紀(jì)奕才，邱楊，陳偉，等. 車載多天線系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題分析[J]. 電子學(xué)報(bào)，2002，30（4）：560-563

[4] 劉瑩，謝擁軍，張勇. 車載集群通信系統(tǒng)“自頂向下”電磁兼容設(shè)計(jì)[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（5）：720-724

[5] 田錦，謝擁軍，辛紅全，等. 復(fù)雜系統(tǒng)電磁兼容評(píng)估的改進(jìn)TOPSIS方法[J]. 電子學(xué)報(bào)，2013，41（1）：105-109

3.2 碼盤

由于碼盤在設(shè)計(jì)時(shí)已采用金屬殼體進(jìn)行屏蔽，因此對(duì)其使用近場(chǎng)探頭進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)輻射發(fā)射在碼盤插座與殼體連接處最強(qiáng)，拆下插座發(fā)現(xiàn)插座上安裝的密封膠圈是絕緣體，破壞了碼盤整體的電連續(xù)，將該密封膠圈更換為導(dǎo)電膠圈后，插座連接處的輻射發(fā)射有明顯降低。同時(shí)在碼盤的電源線和信號(hào)線上采用饋通濾波器LT1-200-332進(jìn)行濾波，并將濾波器外殼有效接地，再次進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試曲線已滿足GJB151A-97的要求。

3.3 開關(guān)電源

采用靠測(cè)法，使用200MHz帶寬的示波器測(cè)量開關(guān)電源的輸入及輸出端的電壓變化，在開關(guān)電源工作時(shí)觀察到輸入輸出端電壓均疊加有高頻共模噪聲，將共模噪聲在時(shí)域展寬后如圖3所示。

在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）軟件，該軟件強(qiáng)大的仿真能力解決了以上濾波器設(shè)計(jì)所面對(duì)的問(wèn)題。設(shè)計(jì)共模濾波器如圖4所示，采用該共模濾波器并匹配合適的參數(shù)可有效抑制開關(guān)電源輸入和輸出端的共模噪聲。經(jīng)仿真可得共模濾波器在不同參數(shù)下的特性曲線，如圖5所示。

按照仿真結(jié)果設(shè)計(jì)共模濾波器，在電源輸入及輸出端串入共模濾波器后，對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，開關(guān)電源的輻射發(fā)射已滿足GJB151A-97的要求。

采用以上措施對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行整改后，再次進(jìn)行RE102測(cè)試，測(cè)試曲線如圖7所示，圖7-a為水平極化測(cè)試曲線，圖7-b為垂直極化測(cè)試曲線，由圖7可知，伺服系統(tǒng)的輻射發(fā)射在垂直和水平兩個(gè)極化方向上都能滿足GJB 151A-97中機(jī)載設(shè)備的電磁輻射發(fā)射要求。

四、結(jié)論

本文采用近場(chǎng)電磁干擾源探測(cè)定位法對(duì)組成伺服系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備與互聯(lián)線纜的輻射發(fā)射情況進(jìn)行了分析，依據(jù)分析結(jié)果確定電場(chǎng)輻射是干擾信號(hào)的主要傳輸路徑。從電磁兼容問(wèn)題產(chǎn)生所必需具備的三要素出發(fā)，采用切斷傳輸路徑及減少輻射源等措施對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了整改。在設(shè)計(jì)共模濾波器時(shí)引入仿真分析軟件CST對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確保整改后的伺服系統(tǒng)順利通過(guò)了水平和垂直兩個(gè)極化方向的RE102測(cè)試，改善了伺服系統(tǒng)的電磁兼容性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 戴斌，張炫. 某雷達(dá)產(chǎn)品關(guān)于RE102試驗(yàn)問(wèn)題分析[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)，2012，41（1）：76-80

[2] 薛正輝，高本慶. 機(jī)載短波天線間隔離度的全波分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，15（4）：477-481

[3] 紀(jì)奕才，邱楊，陳偉，等. 車載多天線系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題分析[J]. 電子學(xué)報(bào)，2002，30（4）：560-563

[4] 劉瑩，謝擁軍，張勇. 車載集群通信系統(tǒng)“自頂向下”電磁兼容設(shè)計(jì)[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（5）：720-724

[5] 田錦，謝擁軍，辛紅全，等. 復(fù)雜系統(tǒng)電磁兼容評(píng)估的改進(jìn)TOPSIS方法[J]. 電子學(xué)報(bào)，2013，41（1）：105-109