太原航空儀表有限公司 趙 巖

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展、電子設(shè)備應(yīng)用的普及，電子系統(tǒng)的規(guī)模越來越龐大，安裝越來越密集，設(shè)備內(nèi)部元器件密度也越來越高。同時，設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信頻率也越來越高。使得電子設(shè)備之間、設(shè)備內(nèi)部電路之間的干擾問題越來越突出。特別是在現(xiàn)代飛機(jī)座艙儀表，普遍采用電子儀表，并且高度集中，各設(shè)備的電磁兼容（干擾與抗干擾）問題異常突出，本文主要的研究對象是飛機(jī)座艙顯示器的電磁兼容設(shè)計(jì)，講述了常用的設(shè)計(jì)思路以及問題解決方法。

2 電磁兼容相關(guān)理論

電磁兼容性（EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。通俗的來講，是在有限的空間、時間和頻譜資源條件下，各種用電設(shè)備（廣義的包括生物體）可以共存、且不會引起降級的能力。

電磁兼容涉及電磁能量的發(fā)射、傳輸和接受，這三個方面構(gòu)成電磁兼容問題的基本框架。源產(chǎn)生輻射，傳輸途徑或耦合將輻射能量傳遞到接受者，即“干擾源→干擾途徑→被干擾對象”構(gòu)成了電磁兼容問題的三要素。這三要素同時存在，電磁問題才會出現(xiàn)，而解決電磁兼容問題的方向也在這三要素中，也就是通常使用的濾波、屏蔽、接地。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)

3.1 濾波設(shè)計(jì)

分離信號、抑制干擾時濾波器的基本功能，常用的濾波器件包括電阻、電容、電感和磁珠磁環(huán)（高頻信號使用），通過這些器件可以構(gòu)成無源低通網(wǎng)絡(luò)，也就是濾波器。

在低頻電源濾波時，要考慮到產(chǎn)品開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲干擾，但是一般電源線上濾波器在超過30MHz時，性能開始變差，干擾會造成空間耦合。這時需要進(jìn)行以下改善：

（1）濾波器的連線要按照電路結(jié)構(gòu)向一個方向布置，在空間允許的情況下，電感和電容保持一定距離，必要時進(jìn)行隔離，減少耦合；

（2）控制電感寄生電容，必要時，可以多個電感串聯(lián)，電容的引線要盡量短；

（3）有效的接地，必須保證電容、殼體的有效接地。

在高頻信號濾波時，要考慮PCB上信號的時鐘頻率以及信號完整性要求，進(jìn)行以下改善：

（1）采用大面積銅皮作電源面（濾波后的干凈電源），替代總線形式的電源走線，同時將電源面靠近接地平面；

（2）信號走線時，避免天線效應(yīng)和阻抗突變情況，避免出現(xiàn)磁平面切割走線；

（3）合理使用旁路電容和去耦電容；

（4）避免信號地（濾波后的地平面）和電源地（濾波前的地平面）出現(xiàn)共地干擾，使濾波失去作用。

3.2 屏蔽設(shè)計(jì)

屏蔽就是對兩個空間區(qū)域進(jìn)行電磁隔離，控制電場、磁場和電磁波對外輻射，同時防止自身受到的干擾。屏蔽針對的干擾不同，采取的措施也不同，對于磁場屏蔽，也就是對低阻抗源的屏蔽，為磁場提供一條低磁阻通路，使屏蔽體內(nèi)部空間的磁場大大減少；對于電場屏蔽，也就是在干擾源和感受器之間插入銅、鋁之類的良導(dǎo)體，其目的就是要減少兩者之間的分布電容。

而對于座艙儀表，直接安裝在儀表板上，一般是考慮電磁屏蔽，也就是用屏蔽體來阻止電磁場在空間傳播，屏蔽的效果與電磁場的性質(zhì)以及屏蔽體自身的特性有關(guān)。電磁屏蔽設(shè)計(jì)時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）判斷干擾源、敏感設(shè)備及耦合方式，確定屏蔽對象。一般來說高電平電路時干擾源，低電平電路時敏感設(shè)備。在儀表設(shè)計(jì)時，電源轉(zhuǎn)換電路被當(dāng)做干擾源，需要在整個線路板上進(jìn)行鋪銅（殼體地）進(jìn)行屏蔽，高頻信號如視頻信號等容易受干擾的信號盡量與電源進(jìn)行空間上的隔離或者保持一定的空間距離；判斷產(chǎn)品容易出現(xiàn)屏蔽泄露的地方，由于座艙儀表是作為顯示終端和進(jìn)行人機(jī)工效的輸入端，在屏蔽時，前面顯示模塊和操作部件使整個產(chǎn)品機(jī)體無法形成一個完整的屏蔽腔體，屬于容易造成屏蔽泄露的地方，所以在拼接和走線部分注意在保證足夠拼接面的情況下，通常可以使用金屬絲網(wǎng)襯墊(帶橡膠芯的和空心的)、導(dǎo)電橡膠(不同導(dǎo)電填充物的)、指形簧片和導(dǎo)電布等幾種方式對拼接縫隙進(jìn)行處理。

（2）儀表結(jié)構(gòu)避免不必要的拼接，由于目前通訊信號頻率越來越高，信號波長和拼接縫隙變的可比擬（約十分之一），干擾通過縫隙可干擾到內(nèi)部電路或者輻射到外部。

（3）對于高頻信號，電纜屏蔽采用3600屏蔽，保證屏蔽的可靠性。

（4）屏蔽體需要有效的接地。

3.3 接地設(shè)計(jì)

飛機(jī)上電子設(shè)備的接地方式是將機(jī)體作為等位面，所有組件的殼體都連接到飛機(jī)的基本結(jié)構(gòu)上，可以使由于靜電感應(yīng)而在機(jī)殼上積累的大量電荷通過機(jī)體釋放，同時，還能提供電源電流返回通路。

由于飛機(jī)上的殼體地是所有設(shè)備的公共地，各個設(shè)備對地的處理方式也不盡相同，實(shí)際上，底線上各點(diǎn)的點(diǎn)位是存在差異的，也就是存在大量地線噪聲。同時，對于高頻信號的地平面，相當(dāng)于一個交流回路，電流返回通路并不是尋找電阻的最小通路，而是阻抗的最小通路。直流電時，電流在導(dǎo)體界面內(nèi)均勻分布，交流時，會出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，電流會趨向于導(dǎo)體表面流動，頻率越大，內(nèi)部的阻性越強(qiáng)。也就是說，交流時，在截面積相同的情況下，扁線要比園線的阻抗要低，因?yàn)榫匦谓孛娴闹荛L要大于圓截面的周長。接地設(shè)計(jì)時一般注意以下幾點(diǎn)：

（1）確定產(chǎn)品的地種類，信號地，電源地，大地（安全地、機(jī)殼地、屏蔽地、防雷接地）等，各地之間盡量隔離，尤其是機(jī)上殼體地干擾較嚴(yán)重，要與其他信號地進(jìn)行隔離；

（2）通常情況下，低頻電路采用單點(diǎn)（并聯(lián)和串聯(lián)）接地，而高頻電路采用多點(diǎn)接地，這種結(jié)構(gòu)能夠提供較低的接地阻抗，每條地線可以做到很短，并能降低接地導(dǎo)體的總電感；混合接地時兩者的結(jié)合，在有些設(shè)備中，有高頻、低頻電路，各電路單元內(nèi)部采用自己的接地方式（多點(diǎn)或單點(diǎn)接地），再將各單元地線采用并聯(lián)一點(diǎn)接地接到系統(tǒng)地；

（3）電流總返回其源，要保證每個電流回路都有一個地回路，同時，回路也可能有不同的路徑，每條路徑上的電流幅值不同，這與該路徑的阻抗有關(guān)，避免在不想出現(xiàn)電流的路徑上設(shè)計(jì)成回路；

（4）一旦電流流過有限的阻抗，就會出現(xiàn)壓差，要注意不同地平面的電勢差，避免因電勢不同，造成產(chǎn)品故障；

（5）在設(shè)計(jì)期間，就考慮接地是解決電磁兼容問題最經(jīng)濟(jì)的方法。

4 問題驗(yàn)證

某座艙儀表在進(jìn)行整機(jī)EMC試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)儀表出現(xiàn)復(fù)位重啟，在大功率輻射1G頻率左右，畫面出現(xiàn)干擾，并且對電臺通話進(jìn)行干擾。對產(chǎn)品進(jìn)行分析如下：

（1）儀表內(nèi)部具有DVI視頻總線，分辨率為1920×1080，時鐘頻率達(dá)到148.5MHz。DVI是通過4組差分線傳輸，單組數(shù)據(jù)差分線帶寬為1.48G。當(dāng)干擾頻率與視頻信號帶寬范圍內(nèi)，會對視頻信號產(chǎn)生較大干擾，電磁波的波長=光速/頻率，1G～4G的對應(yīng)的波長為30cm～7.5cm左右，而波長與縫隙長度可比擬時（約1/4左右），電磁輻射最敏感，與儀表目前的縫隙長度比較吻合；

（2）目前儀表將電纜的屏蔽層作為信號地，同時與飛機(jī)機(jī)體相連，失去了屏蔽作用，造成兩面隱患，一是在高頻信號上，整個電纜作為一個天線，對外發(fā)生輻射，二是引入的地平面干擾，信號地的電流回路可以通過殼體直接回到飛機(jī)的匯流條，而不再經(jīng)過儀表的濾波電路。

針對以上問題，進(jìn)行改進(jìn)，減少儀表的拼接縫隙，采用一體化設(shè)計(jì)，在有縫隙的地方，增加拼接面積，鋪設(shè)導(dǎo)電膠條；儀表的信號地和殼體地進(jìn)行隔離；在電纜外增加防波套，兩端進(jìn)行3600屏蔽處理。改進(jìn)后進(jìn)行試驗(yàn)，電磁兼容問題解決。

5 結(jié)束語

主要介紹了飛機(jī)座艙顯示器的電磁兼容設(shè)計(jì)。分析了電磁兼容問題中濾波設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)和接地設(shè)計(jì)，并對出現(xiàn)電磁兼容問題進(jìn)行分析處理，通過試驗(yàn)表明該措施合理可行。

[1]蘇東林,戴飛,謝樹果．系統(tǒng)級電磁兼容量化設(shè)計(jì)理論與方法[M]．北京∶國防出版社,2015．