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一、引言

現(xiàn)代艦船裝備了大量電子設(shè)備，使得船載平臺上的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。因此，船載平臺的電磁兼容問題越來越受到關(guān)注，為了使各類船用電子產(chǎn)品在船載平臺能互相之間沒有影響地工作，GB/T10250-2007《船舶電氣與電子設(shè)備的電磁兼容性》對船用電子產(chǎn)品的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility—EMC）的要求做了統(tǒng)一規(guī)定。

現(xiàn)代電子產(chǎn)品越來越重視電磁兼容性設(shè)計，而電磁兼容性設(shè)計是個復(fù)雜的技術(shù)工作，多數(shù)產(chǎn)品都不能一次性通過電磁兼容性的相關(guān)項目測試[1]，均需要根據(jù)測試結(jié)果對電路或結(jié)構(gòu)進(jìn)行整改和優(yōu)化設(shè)計，然后才能通過全部項目的電磁兼容性測試。北斗船載終端是我司研制的國內(nèi)首款集北斗[2]和海事衛(wèi)星[3]于一體的北斗海事雙模一體機(jī)，它集成了海事衛(wèi)星電話和北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航等，實(shí)現(xiàn)語音通信、北斗短信、導(dǎo)航定位、電子海圖等功能。它主要由顯控單元、北斗通信單元、海事衛(wèi)星單元、線纜等組成。在北斗船載終端研制過程中就充分考慮到漁船的電磁環(huán)境復(fù)雜性和GB/T10250-2007的相關(guān)要求，開展了產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計。雖然北斗船載終端在電路設(shè)計、PCB設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計，但由于電磁干擾問題的復(fù)雜性，在樣機(jī)第一次進(jìn)行電磁兼容性測試時還是出現(xiàn)了電磁輻射電平超標(biāo)問題。

本文針對北斗船載終端存在的電磁兼容超標(biāo)問題，通過對電磁輻射產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，確定了電磁輻射源和輻射傳導(dǎo)路徑，并根據(jù)不同的輻射源采取了相對應(yīng)的整改措施，保證了北斗船載終端最終的電磁兼容性能。

二、北斗船載終端原理簡介

北斗船載終端由顯控單元、北斗通信單元、海事單元和各連接電纜組成，如圖1所示。

北斗通信單元把接收到的北斗和GPS位置信息、北斗短報文信息通過北斗電纜傳送給顯控單元進(jìn)行顯示，同時北斗通信單元也接受顯控單元送來的北斗一代的短報文信息并完成發(fā)射。海事單元把接收到的海事衛(wèi)星信號并解調(diào)出語音信號，然后通過海事電纜送入顯控單元，同時海事單元把顯控單元送來的語音信號進(jìn)行調(diào)制放大后發(fā)送給海事衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)語音通信功能。顯控單元通過按鍵和顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，通過與北斗通信單元、海事單元相連接，完成位置顯示、短報文通信、海事衛(wèi)星電話通信等功能。

北斗通信單元由天線、射頻模塊、基帶板、電源電路等組成，它的主要作用是接收北斗定位信號和GPS的信號并解析出位置信息，以及接收和發(fā)射北斗一代的短報文信息。

海事單元由天線、海事核心模塊、電源電路、語音轉(zhuǎn)換電路、控制電路及以太網(wǎng)控制電路等組成，主要實(shí)現(xiàn)Inmarsat系統(tǒng)海事衛(wèi)星信號的收發(fā)和話音處理。

顯控單元主要由顯控板（包括電源電路、話音電路、ARM電路、音頻功放電路等）、按鍵板、接口板、顯示屏等組成。顯控單元通過接口板上與北斗通信單元、海事接發(fā)單元相連，完成位置顯示、短報文的發(fā)送和接收、語音通信等功能。電源電路是把輸入供電電源轉(zhuǎn)換[4]成顯控單元各電路所需的電源，以及海事單元和北斗通信單元所需的供電電源。ARM電路主要完成人機(jī)交互功能（包括按鍵輸入、各類信息顯示等）、各類信息處理等功能，通過USB接口可實(shí)現(xiàn)下載地圖以及程序下載等操作。話音電路主要是將海事單元送來的模擬話音進(jìn)行二線轉(zhuǎn)四線[5]處理，然后送入話柄播放，并把話柄拾取的話音發(fā)送給海事單元。

三、電磁輻射分析與對策

北斗船載艦載終端研制樣機(jī)在某產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院按照GB/T10250-2007進(jìn)行了電磁兼容性檢測，測試頻率范圍為30MHz～300MHz。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)電磁輻射電平超標(biāo)，實(shí)際測試曲線如圖2所示。

GB/T10250-2007對船用電子產(chǎn)品輻射電平規(guī)定限值是在30MHz～300MHz頻率范圍內(nèi)，輻射電平應(yīng)不超過54dB內(nèi)，156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)，輻射電平應(yīng)不超過24dB內(nèi)[6]。從圖2可以看出，北斗艦載終端在30MHz～156MHz頻率范圍內(nèi)的最大輻射電平值為49dB（如圖2中的①所指的尖峰值），在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)的最大輻射電平值為40dB（如圖2中的②所指的峰值），在165MHz～300MHz頻率范圍內(nèi)的最大輻射電平值為47dB（如圖2中的③所指的尖峰值）。對照標(biāo)準(zhǔn)要求可知，北斗艦載終端在156MHz～165MHz頻率范圍的輻射電平比標(biāo)準(zhǔn)要求要高出16dBμV/m，該輻射電平將對船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）造成干擾。

1、確定干擾源

眾所周知，解決電磁輻射問題的手段一般有兩種，一是消除或抑制輻射源，也就是對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少輻射源的對外輻射能量；二是阻斷干擾途徑，也就是從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，加強(qiáng)電磁屏蔽，抑制輻射。因此解決輻射電平超標(biāo)問題，首先要找到輻射干擾源，理清輻射干擾途徑，然后采取措施消除或抑制輻射源和阻斷干擾途徑。

根據(jù)電磁輻射原理，產(chǎn)生輻射干擾源的電路多是一些振蕩電路和數(shù)字電路。對應(yīng)圖1所示的北斗船載終端構(gòu)成，海事單元內(nèi)部有海事衛(wèi)星專用的射頻發(fā)射電路、接收電路以及電源電路等；北斗通信單元內(nèi)部有北斗衛(wèi)星發(fā)射模塊、接收電路、定位信息處理電路以及電源電路等；顯控單元內(nèi)部有電源電路、數(shù)字信號處理電路等。這些電路都不可避免地產(chǎn)生電磁輻射。換言之，顯控單元、北斗通信單元、海事單元都可能存在電磁輻射超標(biāo)的隱患。在北斗終端方案設(shè)計時，確定顯控單元、北斗通信單元、海事單元等采用壓鑄鋁結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備的屏蔽效能。顯控單元由于要安裝顯示屏和按鍵，需在鋁殼上開窗口，因此將出現(xiàn)電磁縫隙泄漏；而北斗通信單元、海事單元的所有電路均安裝在密封的鋁殼中，內(nèi)部電路產(chǎn)生的輻射也將被抑制在鋁殼內(nèi)，對外輻射較小，因此把輻射電平超標(biāo)的整改方向確定在顯控單元上。

2、電源電路分析

顯控單元的電源電路主要是將輸入電源轉(zhuǎn)換成顯控單元各電路所需的電源，以及海事單元和北斗通信單元所需的供電電源，主要有+56V、+12V、+5V和+3.3V等。北斗船載終端外部輸入的供電電源為+12V～+32V，它通過各種單片集成開關(guān)轉(zhuǎn)換芯片，變換為所需的各種電源。這些芯片內(nèi)部都集成了振蕩器和開關(guān)功率轉(zhuǎn)換電路，它們產(chǎn)生的能量與顯控單元內(nèi)部其他電路相比較更大，因此，電源電路作為重點(diǎn)輻射干擾源也需要進(jìn)行電磁兼容性整改。

北斗船載終端設(shè)備是在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)輻射電平超標(biāo)的，因此需要針對各電源芯片工作頻率的諧波進(jìn)行分析。

（1）LT3758芯片

海事單元的供電電源要求為+56V/500mA，要將輸入電源（+12V～+32V）升壓至+56V，并能提供500mA以上的帶載能力。這里選用凌特公司的LT3758芯片實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，選取的芯片工作開關(guān)頻率為300kHz，可以計算出它的開關(guān)頻率的520～550次諧波頻率為156MHz～165MHz，即LT3758芯片工作時，它的高次諧波會落在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)。

（2）TPS5420芯片

顯控內(nèi)部電路所需的+12V電源采用TPS54系列芯片TPS5420實(shí)現(xiàn)。設(shè)計時選取的芯片工作開關(guān)頻率為500kHz，其工作頻率的312～330次諧波頻率為156MHz～165MHz，也會落在 156MHz～165MHz 頻率范圍內(nèi)。

（3）LT3508芯片

北斗船載終端選擇凌特公司的LT3508芯片來實(shí)現(xiàn)顯控內(nèi)部電路所需的+5V和+3.3V電源。選取的芯片工作開關(guān)頻率為320kHz，由計算可知，該芯片工作開關(guān)頻率的488～515次諧波頻率為156.16MHz～164.8MHz， 落 在 156MHz～165MHz 頻 率范圍內(nèi)。

（4）整改措施

通過上面分析可知，顯控單元的各電源電路的工作開關(guān)頻率的諧波均會落在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)。為了減少開關(guān)電源諧波輻射信號，采取以下整改措施：

① 對電源電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，把顯控單元的各電源電路集中布置，并優(yōu)化PCB地層設(shè)計及層疊設(shè)計，使得地線盡量粗短，且圍成的回路面積最小，減少了輻射能量；

② 加強(qiáng)屏蔽，各電源電路集中布置后，就可以對電源電路部分采取加屏蔽罩方式，把電源電路產(chǎn)生的輻射能量抑制在屏蔽體內(nèi)，減少了對外輻射，從而減小電源輻射與其他電路串?dāng)_的機(jī)會。

3、信號輸出端

顯控單元與北斗通信單元之間存在數(shù)字通信接口，數(shù)據(jù)信號都是由各種脈沖序列構(gòu)成，且脈沖序列隨數(shù)據(jù)不同而不斷變化。根據(jù)傅里葉變換可知，數(shù)據(jù)脈沖的上升沿越陡，諧波分量就越豐富。為了減少數(shù)據(jù)脈沖信號產(chǎn)生的輻射能量，在信號線的輸出端均增加RC濾波電路[7]，使其上升沿變緩，致使其高頻分量急劇減少，從而達(dá)到消除信號的輻射干擾。增加RC濾波電路會影響到數(shù)據(jù)信號的速率，因此，RC濾波電路的參數(shù)選擇需考慮數(shù)據(jù)信號在最高速率下能正常工作。這里在綜合考慮各種因素后選取RC濾波電路的參數(shù)為：R=22Ω，C=15pF。

四、試驗驗證

為了驗證以上分析的正確性和采取改進(jìn)措施的有效性，先對每種分析和措施進(jìn)行單獨(dú)的電磁輻射項目測試，然后再對最終優(yōu)化整改后的樣機(jī)進(jìn)行測試。

1、北斗通信單元和海事單元驗證

根據(jù)北斗通信單元、海事單元這兩個部件接通電源即可單獨(dú)工作的特性，分別對北斗通信單元、海事單元進(jìn)行了單獨(dú)的電磁輻射項目測試，測試結(jié)果如圖3所示，北斗通信單元和海事單元在156MHz～165MHz頻率范圍內(nèi)的輻射電平分別為20dB的輻射電和23dB的輻射電，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2、電源整改

根據(jù)上文，對顯控單元僅進(jìn)行電源方面的優(yōu)化整改，然后對北斗船載終端設(shè)備進(jìn)行電磁輻射項目測試，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，終端對外輻射信號降低了很多，與圖2測試結(jié)果相比約降低了10dB，但比標(biāo)準(zhǔn)限值高約6dB，還是存在輻射電平超標(biāo)。

3、信號輸出端整改

根據(jù)上文，對顯控單元僅進(jìn)行信號輸出方面的優(yōu)化整改，整改后的輻射電平測試結(jié)果如圖5所示。與圖2測試結(jié)果相比約降低了12dB，但還是超出標(biāo)準(zhǔn)限值約4dB，該整改措施也未能使輻射電平達(dá)標(biāo)。

4、綜合整改

對顯控單元的電源電路和信號輸出端同時進(jìn)行優(yōu)化整改，整改后的輻射電平測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，北斗船載終端的輻射電平達(dá)到GB/T10250-2007規(guī)定的要求。

五、結(jié)束語

本文通過對北斗終端的各部分單元模塊輻射信號產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析的方法，確定了電磁輻射源和輻射傳導(dǎo)路徑，并根據(jù)不同輻射源的特點(diǎn)采取屏蔽以及濾波等整改措施，最終保證了北斗終端的電磁兼容性能滿足GB/T10250-2007規(guī)定的要求。本文所述的方法可以作為其他產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計的參考。