席 鵬

(航空工業(yè)計(jì)算所，陜西 西安 710065)

機(jī)載計(jì)算機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

席 鵬

(航空工業(yè)計(jì)算所，陜西 西安 710065)

本文首先介紹了GJB 151B-2013中對(duì)在電子設(shè)備電磁兼容性方面的要求，隨后對(duì)各種可能的電磁耦合方式進(jìn)行了分析，最后在PCB設(shè)計(jì)、接地、屏蔽等方面提出了一系列有效抑制電磁輻射的技術(shù)方法。

電磁兼容性；屏蔽；濾波

隨著航空電子技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)載計(jì)算機(jī)在各類飛機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用，機(jī)載計(jì)算機(jī)集計(jì)算、處理和通信功能于一體，大大的提升了飛機(jī)各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)，但同時(shí)使得機(jī)上電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。引起飛機(jī)上部分電子設(shè)備運(yùn)行出錯(cuò)或者無(wú)線電設(shè)備無(wú)法正常工作等不良影響，非常嚴(yán)重的情況下甚至?xí)?duì)飛行安全產(chǎn)生直接影響[1]。本文通過(guò)分析機(jī)載計(jì)算機(jī)電磁兼容問(wèn)題產(chǎn)生的原因及傳播途徑，提出了一整套有效抑制電磁干擾的設(shè)計(jì)方法。

1 軍用電子產(chǎn)品電磁兼容性要求

電磁兼容性的檢驗(yàn)不僅要考核設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，還要考核該設(shè)備的存在是否會(huì)造成不利于容納其他設(shè)備正常工作的電磁環(huán)境。因此，電磁兼容性試驗(yàn)是雙向性的試驗(yàn)，受測(cè)試設(shè)備(EUT)必須在承受外部電磁干擾和不對(duì)外產(chǎn)生電磁干擾兩方面同時(shí)達(dá)標(biāo)才算合格[2]。

目前，我國(guó)執(zhí)行的電磁兼容試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》(替代GJB 151A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》和GJB 152A-1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測(cè)量》)，根據(jù)GJB 151B-2013標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，軍用電子設(shè)備的EMC試驗(yàn)包括表1中的21項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)于各種不同的電子設(shè)備，根據(jù)其軍用安裝平臺(tái)的不同,所開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目也是不同的。

表1 電磁發(fā)射和敏感度測(cè)試項(xiàng)目

在上述試驗(yàn)項(xiàng)目中，有5項(xiàng)與電線有關(guān)，機(jī)載計(jì)算機(jī)都是非天線類電子產(chǎn)品，機(jī)載計(jì)算機(jī)一般為非無(wú)線通訊類設(shè)備，這5項(xiàng)試驗(yàn)一般不用考慮，其余的16項(xiàng)試驗(yàn)按其性質(zhì)可分為以下4類：

1) 傳導(dǎo)發(fā)射(Conducte Emission)是沿電源線、控制線或信號(hào)線傳輸?shù)碾姶判盘?hào)電平的度量。

2) 輻射發(fā)射(Radiate Emission)是通過(guò)空間傳播的、有用的或不希望的電磁信號(hào)電平的度量。

3) 傳導(dǎo)敏感度(Conducted Susceptibility)對(duì)造成設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)性能劣化或不希望有的響應(yīng)所需的傳導(dǎo)干擾電平的度量。

4) 輻射敏感度(Radiated Susceptibility)對(duì)造成設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)性能劣化或不希望有的響應(yīng)所需輻射干擾電平的度量[3]。

2 電子設(shè)備電磁干擾傳播途徑

按照電磁兼容的原理，電子設(shè)備通過(guò)輻射耦合和傳導(dǎo)耦合兩種途徑進(jìn)行電磁干擾，其中，傳導(dǎo)耦合必須在干擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接，電磁干擾沿著這一連接電路從干擾源傳輸至敏感設(shè)備。

輻射耦合是通過(guò)空間電磁場(chǎng)的耦合，按干擾源和敏感設(shè)備之間的距離、干擾信號(hào)波長(zhǎng)和設(shè)備外形尺寸的關(guān)系，可分為空中輻射耦合( 又稱遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合) 干擾、電磁感應(yīng)耦合和靜電感應(yīng)耦合( 又稱近場(chǎng)輻射耦合) 干擾。

2.1 傳導(dǎo)耦合

傳導(dǎo)耦合是干擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)電路具有公共導(dǎo)體如公共參考地時(shí)將發(fā)生這種耦合，另一個(gè)例子是兩個(gè)或多個(gè)電路公用一個(gè)電源線，來(lái)自其中一個(gè)環(huán)(電路)的電流穿過(guò)公共阻抗時(shí)將產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓疊加在第二個(gè)環(huán)(電路)的有用信號(hào)上。當(dāng)然。兩個(gè)環(huán)即是相互作用的“干擾源”，同時(shí)也是“受擾者”。

2.2 容性耦合(靜電感應(yīng)耦合)

當(dāng)兩條走線(導(dǎo)體)間有電壓差時(shí)，特別是當(dāng)兩條走線平行布置時(shí)，相當(dāng)于在兩條導(dǎo)線之間存在一個(gè)電容，那么就會(huì)有干擾電流流過(guò)該電容，這個(gè)電流將通過(guò)被干擾的環(huán)路阻抗產(chǎn)生壓降，并且這個(gè)干擾電壓將疊加在有用信號(hào)上。如果兩條走線變長(zhǎng)，或者兩條走線間距變得更接近，又或者線上電壓值或頻率增加，那么容性耦合效應(yīng)將增強(qiáng)。

2.3 感性耦合(電磁感應(yīng)耦合)

根據(jù)電感自感定律，當(dāng)有電流流過(guò)導(dǎo)線線圈時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)磁力線，該磁力線將貫穿其它周圍的導(dǎo)體線圈，此時(shí)將產(chǎn)生這種磁耦合，這種磁力線將對(duì)這些電流環(huán)產(chǎn)生干擾電壓，在平行線之間這種感應(yīng)磁耦合效應(yīng)特別高，與電容性耦合類似，如果相關(guān)導(dǎo)體變的更長(zhǎng)、距離變得更接近、電流或頻率增加都將會(huì)使得電感性耦合增加。

2.4 電磁波耦合(空中輻射耦合)

在上節(jié)中描述的電容性及電感性耦合屬于近場(chǎng)耦合機(jī)制，在這里電場(chǎng)和磁場(chǎng)是互相獨(dú)立的，而在更遠(yuǎn)的區(qū)域，通過(guò)自由空間的波阻抗電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H建立了關(guān)聯(lián)關(guān)系。輻射耦合是以電磁波的形式將電磁能量從干擾源經(jīng)空間傳輸?shù)绞軘_設(shè)備。受擾設(shè)備接收到干擾信號(hào)并傳到敏感電路，便形成電磁干擾，這就是電磁波耦合。

3 機(jī)載計(jì)算機(jī)電磁兼容性(EMI)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)其磁耦合路徑進(jìn)行分析，對(duì)于具體的機(jī)載計(jì)算機(jī)，找出可能的干擾源和受擾者，此時(shí)就可以相應(yīng)的采取一些措施，從布局布線、接地、屏蔽、濾波等方面進(jìn)行全面考慮。

3.1 PCB布局布線

機(jī)載計(jì)算機(jī)內(nèi)部電子模塊上采用了大量的高速數(shù)字電路，對(duì)外輻射的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都比較大，通常在PCB設(shè)計(jì)階段采用下列措施可以有效的改善內(nèi)部電子模塊的EMC。

1) 增加印制板上內(nèi)部走線和過(guò)孔之間的距離：走線和過(guò)孔之間的距離遠(yuǎn)大，則信號(hào)之間的干擾越小。

2) 增加內(nèi)部電磁干擾源和信號(hào)出線之間的距離：特別是當(dāng)模塊上的出線會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)耦合方式將干擾信號(hào)帶到其它EMC區(qū)域(如其它電子模塊)，因此出線和電磁干擾源之間的間距應(yīng)該設(shè)計(jì)的較大一些。

3) 走短線：通過(guò)走短線，可以有效降低感性和容性耦合，信號(hào)流應(yīng)該盡可能干凈，不受干擾(走直線，不走蜿蜒的曲線)。

4) 導(dǎo)體面附近布線：這個(gè)措施主要是為了降低感性耦合。當(dāng)信號(hào)線本身為非屏蔽線同時(shí)該信號(hào)線又在干擾源(如晶振)或電磁敏感器件附近時(shí)，盡可能將該走線接近地平面可以有效地降低電感性耦合。

5) 對(duì)稱性：將信號(hào)的出線和回線采用成對(duì)并行走線，可以使干擾電流較小 。同時(shí)因兩條走線上的電流方向相反，則各自電流產(chǎn)生的干擾可以互相補(bǔ)償。

6) 增大線間距：為了降低感性耦合和容性耦合，應(yīng)該盡可能增大線與線之間的距離。這個(gè)對(duì)于不同種類的走線來(lái)說(shuō)特別重要(這種方法不適用于同一信號(hào)的出線和回線之間距離布線情況-參見(jiàn)第5)條)。

7) 防止平行電路：當(dāng)兩個(gè)電路走線平行時(shí)，感性耦合和容性耦合是最大的。最好的解決措施是兩個(gè)電路之間的走線是正交的，即兩個(gè)線路之間的夾角應(yīng)該是90度，特別當(dāng)一個(gè)為信號(hào)線，一個(gè)為電源線時(shí)更應(yīng)注意(這種方法不適用于同一信號(hào)的出線和回線之間距離布線情況-參見(jiàn)第5)條)。

8) 避免公共回路：兩個(gè)電路之間的公共回路會(huì)引起阻抗耦合。為了防止阻抗耦合，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能避免公共回路。

9) 在PCB布局布線時(shí)，頻率最高的信號(hào)需布在板子的中間。通過(guò)布局布線位置的調(diào)整，利用板級(jí)濾波，這樣在高頻發(fā)射通過(guò)板級(jí)線纜耦合到下一級(jí)電路之前削弱其影響。

3.2 接地設(shè)計(jì)

接地技術(shù)是電磁兼容技術(shù)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，接地方式是否正確和合理直接影響到機(jī)載計(jì)算機(jī)電磁兼容試驗(yàn)結(jié)果。在電子線路中，任何導(dǎo)線都具有一定的阻抗，該阻抗使兩個(gè)不同的接地點(diǎn)很難得到等電位，這樣，公共阻抗使兩接地點(diǎn)間形成一定的電壓，從而產(chǎn)生接地干擾。接地分為：保護(hù)性接地和功能性接地。保護(hù)性接地又分為防電擊接地、防雷接地和防靜電接地。功能性接地又分為功率接地、邏輯接地和屏蔽接地[4]。

3.2.1 接地改善措施

在進(jìn)行機(jī)載計(jì)算機(jī)接地設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮采用如下措施，改善產(chǎn)品的接地性能。

1) 機(jī)殼地和信號(hào)地的隔離：機(jī)殼地和信號(hào)地不能連接在一起，這樣通過(guò)機(jī)殼地的電壓衰減就不會(huì)影響正常的計(jì)算機(jī)信號(hào)。

2) 單點(diǎn)接地：在一個(gè)單點(diǎn)接地系統(tǒng)中，所有的功能電路的地回路都應(yīng)通過(guò)單點(diǎn)接地。這樣可以避免因?yàn)閰⒖茧妷旱碾妱?shì)不同而造成的干擾。然而，對(duì)于分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如果需要非常長(zhǎng)的導(dǎo)線接地時(shí)，則不能應(yīng)用單點(diǎn)接地。因?yàn)殚L(zhǎng)導(dǎo)線除了具有較高的阻抗外也會(huì)增加容性和感性耦合。

3) 接地層：如果系統(tǒng)中采用多點(diǎn)接地，為了避免在工作頻率段的公共阻抗耦合，各個(gè)導(dǎo)體到地之間應(yīng)該具有較小的阻抗。在這種情況下，通常采用在多層電路板中增加地層來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于一整層都接地，因此地層具有較低的直流阻抗。不僅如此，而且由于電流走的是最小化了電流環(huán)區(qū)域的路徑，因此感抗(決定著高頻的阻抗)也較小。

4) 隔離大電流回路：為防止小電流信號(hào)被干擾，大電流不能經(jīng)過(guò)信號(hào)地來(lái)建立回路。因此，需要將大電流回路與信號(hào)地進(jìn)行隔離。

5) 不同信號(hào)地的隔離：在電路中可以采用多種類型的信號(hào)地進(jìn)行隔離，將電路的地細(xì)分為模擬電路和數(shù)字電路隔離的地系統(tǒng)，相對(duì)于模擬電路，數(shù)字電路在高頻率信號(hào)時(shí)噪聲更大。因此，一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該包含多個(gè)隔離地系統(tǒng)(包括機(jī)殼地)。

3.3 機(jī)箱EMI設(shè)計(jì)

機(jī)箱電磁屏蔽設(shè)計(jì)是提高機(jī)載計(jì)算機(jī)電磁兼容性能的重要措施，對(duì)于抑制電磁輻射起著十分重要的作用。根據(jù)屏蔽原理，針對(duì)開(kāi)孔、縫隙，導(dǎo)線和電纜進(jìn)出機(jī)箱等問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1) 機(jī)箱屏蔽：機(jī)載計(jì)算機(jī)對(duì)于重量相當(dāng)敏感，因此在機(jī)箱材料的選擇上通常要選用航空鑄鋁，為了減少孔縫電磁泄露，除連接器面板和頂?shù)咨w板外，通常采用一體化鑄造成型后進(jìn)行精加工。在結(jié)構(gòu)件的接縫位置，應(yīng)當(dāng)采用電磁干擾墊圈或者導(dǎo)電密封劑。這樣可以有效地避免電磁漏磁。機(jī)箱屏蔽效果的實(shí)現(xiàn)都是依賴于機(jī)箱結(jié)構(gòu)體的良好接地，因此需要將機(jī)箱通過(guò)搭鐵線與飛機(jī)機(jī)體可靠連接。

2) 機(jī)箱開(kāi)孔：機(jī)箱如果需要的開(kāi)孔面積是同樣大的，則設(shè)計(jì)數(shù)量多尺寸小的孔比數(shù)量少尺寸大的孔的屏蔽效果要好。同理，如需要對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)內(nèi)部模塊進(jìn)行風(fēng)冷時(shí)，則機(jī)箱上的通風(fēng)孔也應(yīng)當(dāng)做成蜂巢狀。

3.4 線纜及連接器EMI設(shè)計(jì)

電纜是效率很高的電磁波接收和輻射天線，空間的電磁干擾往往首先被電纜接收到，在設(shè)備內(nèi)部相互干擾或傳入、傳出設(shè)備，產(chǎn)生干擾[5]。

3.4.1 屏蔽電纜

使用金屬篩網(wǎng)對(duì)信號(hào)線纜進(jìn)行屏蔽，可以有效地降低信號(hào)傳輸線的容性、感性以及電磁的耦合。屏蔽線的兩端均應(yīng)與機(jī)殼地連接，可以通過(guò)以下兩個(gè)措施來(lái)保證線纜屏蔽效果在經(jīng)過(guò)連接器接頭處時(shí)屏蔽效率不下降。

1) 將插頭的金屬外圈都焊接至線纜屏蔽層。減少屏蔽層與連接器插頭殼體接觸部位的電磁泄露。

2) 在機(jī)箱與插座之間增加導(dǎo)電墊圈(不可使用絕緣密封圈)，保證連接器的法蘭和機(jī)箱面板之間的接觸面縫隙被完全填充，減少計(jì)算機(jī)孔縫泄露。

3.4.2 濾波連接器

濾波連接器通常在普通電連接器的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)，增加濾波電路(濾波網(wǎng)絡(luò) )研制而成。它既具備普通電連接器的所有功能，又兼具抑制電磁干擾的特性[6]。濾波連接器是從信號(hào)上直接對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行濾除，相比屏蔽電纜從外部對(duì)輻射信號(hào)進(jìn)行隔離的方法，其對(duì)噪聲信號(hào)輻射的抑制效果要優(yōu)于屏蔽電纜。目前國(guó)內(nèi)已有多家廠商可以提供JY27、J599系列板式濾波連接器，其濾波部分電路通常采用π型板式電容陣列，在工程應(yīng)用時(shí)，此類型濾波連接器可與普通電連接器直接互換。

3.4.3 電源線濾器

電源濾波器是電子、通信、電器等設(shè)備廣泛應(yīng)用的一種抑制電磁干擾的器件。它的工作原理是雙向式的，既可以抑制沿外部電纜傳導(dǎo)給電路的電磁干擾，也可以抑制設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的干擾反饋到外部供電網(wǎng)絡(luò)，電源濾波器及內(nèi)部電源應(yīng)該盡可能近地布置在電源的入口位置，那樣的話內(nèi)部噪聲不管在濾波器前還是后都不能耦合到電源線。同時(shí)濾波器輸入輸出引線不能并行，要交叉。

4 結(jié)束語(yǔ)

電子產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)包括信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學(xué)科內(nèi)容，同時(shí)又具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，需要產(chǎn)品工程師具有豐富的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文結(jié)合機(jī)載計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品特點(diǎn)，分析了電子產(chǎn)品電磁干擾的問(wèn)題來(lái)源 ，根據(jù)電磁工程學(xué)理論，給出了機(jī)載計(jì)算機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)方法和原則，可為相關(guān)技術(shù)研究工作提供參考。

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AnalysisontheTechniquesforEMCDesigninAirborneComputer

Xi Peng

(AeronauticsComputingTechniqueResearchInstitute，Xi′anShaanxi710065,China)

At first, this paper introduces the demands for EMC performances of electronic equipment which in GJB 151B-2013，and then analyzes the different kinds of electromagnetic coupling that may occur. Finally, it proposes the effective methods for the electromagnetic radiation suppression base on PCB design, grounding design and electromagnetic shielding design.

EMC; shielding; filtering

2017-09-21

席 鵬(1980- )，男，陜西耀州人，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件技術(shù)。

1674- 4578(2017)06- 0007- 04

V247；TP302

A