侯燕春 張 倩 石彥超 楊 雪 陳思陽(yáng)

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

1 引 言

傳導(dǎo)發(fā)射(CE)和輻射發(fā)射(RE)測(cè)試，是電磁兼容測(cè)試中主要測(cè)試項(xiàng)目中的兩類(lèi)。在測(cè)試中，CE、RE發(fā)射值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求限值的現(xiàn)象較為普遍。隨著電子技術(shù)及產(chǎn)品功能的提升，電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)日臻完善[1]，電磁發(fā)射指標(biāo)限值要求也正逐步成為電子設(shè)備及電氣系統(tǒng)必須滿(mǎn)足的性能指標(biāo)和強(qiáng)制要求[2,3]。

本文嘗試探討電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射、設(shè)備輻射發(fā)射超標(biāo)原因，梳理常見(jiàn)的發(fā)射超標(biāo)加固方法。以某控制組合為例，制定排查方案，定位主要發(fā)射部位，提出加固措施并驗(yàn)證，方法有效，為其他電子設(shè)備提升電磁兼容性，通過(guò)發(fā)射類(lèi)測(cè)試，提供參考。

2 發(fā)射超標(biāo)原因

以電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射(CE)為例，分析超標(biāo)主要原因。目前交流供電設(shè)備普遍采用開(kāi)關(guān)電源，直流供電設(shè)備采用逆變器或其他變流器。開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)電路主要由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成，它產(chǎn)生的尖峰電壓有較大幅度的窄脈沖，頻譜較寬且諧波豐富[4,5]。如果EMC設(shè)計(jì)不當(dāng)，干擾可以通過(guò)近場(chǎng)輻射或者耦合的方式，傳輸?shù)诫娫淳€(xiàn)，再傳輸?shù)絃ISN上，被接收機(jī)獲取，造成電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。

設(shè)備輻射發(fā)射(RE)超標(biāo)的主要原因有，電源線(xiàn)輻射發(fā)射、信號(hào)線(xiàn)輻射發(fā)射、機(jī)箱泄漏或線(xiàn)路板的輻射發(fā)射。以電源線(xiàn)的輻射發(fā)射為例，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾信號(hào)，除被接收機(jī)接收到以外，干擾信號(hào)還可能沿著電源線(xiàn)，加之電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合感染上其他電路的干擾信號(hào)向外傳輸，由線(xiàn)纜輻射，被接收天線(xiàn)獲取，造成輻射發(fā)射超標(biāo)[6]。

3 超標(biāo)診斷及定位方法

3.1 診斷方法和定位

對(duì)電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射，觀察干擾波形，可通過(guò)LISN的信號(hào)端連接示波器測(cè)試。對(duì)輻射發(fā)射，可通過(guò)直接插拔外接電纜，判斷輻射發(fā)射來(lái)源。當(dāng)不能插拔外接電纜時(shí)，可使用近場(chǎng)探頭、射頻放大器、頻譜儀方法[7]，測(cè)試線(xiàn)纜、孔縫的泄露，查找主要發(fā)射來(lái)源?？卓p泄露多為磁場(chǎng)輻射，頻率相對(duì)低，可使用磁場(chǎng)探頭查找，還可使用電流鉗測(cè)試電纜或電纜束上的共模電流，共模電流越大，對(duì)外輻射的能力越強(qiáng)。

針對(duì)輻射發(fā)射，根據(jù)頻譜信息確定超標(biāo)頻率，分析由被測(cè)電路哪部分發(fā)出。超標(biāo)頻率可能不是電路工作主頻，而是倍頻、諧波或雜波信號(hào)。根據(jù)近場(chǎng)探頭測(cè)試結(jié)果，判斷主要發(fā)射部位，對(duì)應(yīng)采取措施。

3.2 常用加固方法

電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)的加固方法有電源端口加濾波器[8]，改善開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和使用屏蔽接地電源線(xiàn)等。對(duì)開(kāi)關(guān)電源引起的電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)，可在電源輸入端口添加濾波器。濾波器應(yīng)正確安裝[9]，最有效的安裝位置是在機(jī)殼的進(jìn)線(xiàn)口上。試驗(yàn)證明，添加適當(dāng)?shù)臑V波器，可有效解決電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。同時(shí)，添加濾波器對(duì)改善電源線(xiàn)的輻射發(fā)射，也有幫助。

輻射發(fā)射超標(biāo)的加固方法有減小金屬機(jī)箱孔縫，采用屏蔽電纜和連接器，連接器360度環(huán)接，電纜、電路板輸入輸出端口添加濾波和去耦電路，電纜添加鐵氧體磁環(huán)等[10]。采取加固方法時(shí)，可逐一采取并驗(yàn)證。為滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射限值要求，通常同時(shí)使用多種加固方法。

4 某控制組合加固方法

4.1 干擾定位

被測(cè)件為控制組合，供電電壓DC 28V，工作電流10A，連接8根電纜，分別為供電電纜、備份電纜、通信光纖及網(wǎng)線(xiàn)。被測(cè)件電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射均超標(biāo)。電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 電源正線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射限值及測(cè)試數(shù)據(jù)的幅頻曲線(xiàn)圖Fig.1 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for conducted emission on power line

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件，結(jié)合輻射發(fā)射加固會(huì)改善電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)被測(cè)件電纜、機(jī)箱內(nèi)部板卡、機(jī)箱輻射發(fā)射進(jìn)行測(cè)試。查找主要輻射發(fā)射信號(hào)，確定干擾來(lái)源，相應(yīng)采取加固措施并驗(yàn)證，以達(dá)到發(fā)射滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的目的。

測(cè)試中，采用電流鉗、近場(chǎng)探頭，連接射頻放大器、頻譜儀的測(cè)試系統(tǒng)，完成干擾源定位的定性測(cè)試。

首先開(kāi)展機(jī)箱連接的線(xiàn)纜輻射發(fā)射測(cè)試。

1)將電流鉗卡在被測(cè)件連接的電纜根部，依次測(cè)試，結(jié)果顯示每根電纜對(duì)外輻射波形相似，其中電源線(xiàn)發(fā)射最大，如圖2所示。在測(cè)試頻段內(nèi)，頻譜儀顯示最大發(fā)射約70dBμV；

圖2 電源線(xiàn)輻射特性曲線(xiàn)圖Fig.2 Radiated emission of power line

2)將電流鉗卡在電源線(xiàn)上，依次斷開(kāi)被測(cè)件連接的電纜，觀察電纜對(duì)電源線(xiàn)發(fā)射的影響。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，備份電纜對(duì)電源線(xiàn)發(fā)射影響明顯。當(dāng)斷開(kāi)備份電纜時(shí)，電源線(xiàn)最大發(fā)射降低優(yōu)于20dB，且干擾波形發(fā)生變化，如圖3所示。經(jīng)確認(rèn)，該電纜為測(cè)試用非屏蔽電纜；

圖3 斷開(kāi)備份電纜，電源線(xiàn)輻射發(fā)射測(cè)試曲線(xiàn)圖Fig.3 Radiated emission of power line when the back-up cable was disconnected

3)使用近場(chǎng)探頭測(cè)試控制組合機(jī)箱內(nèi)基帶、電源、寬帶板卡對(duì)外輻射發(fā)射特性。打開(kāi)機(jī)箱前面板，在各板卡側(cè)面及邊緣，使用探頭測(cè)試干擾波形。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，各板卡測(cè)得的干擾波形趨勢(shì)均與圖2相似；

4)對(duì)機(jī)箱前面板、側(cè)面板及孔縫處發(fā)射測(cè)試，如圖4所示。在測(cè)試頻段內(nèi)，發(fā)射頻點(diǎn)與電源線(xiàn)輻射特性(圖2)相似，頻譜儀顯示最大發(fā)射約65dBμV。

圖4 機(jī)箱側(cè)面板測(cè)試曲線(xiàn)圖Fig.4 Radiated emission of the side face of shell

為進(jìn)一步判斷干擾來(lái)源，將機(jī)箱內(nèi)各板卡取掉，僅留電源板測(cè)試。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電源板輻射發(fā)射波形表現(xiàn)為點(diǎn)頻及其倍頻發(fā)射，如圖5所示，波形與電源線(xiàn)輻射發(fā)射干擾波形的發(fā)射頻點(diǎn)、倍頻特性(圖2)吻合，均以約0.25MHz為間隔發(fā)射。

圖5 僅電源板對(duì)外輻射曲線(xiàn)圖Fig.5 Radiated emission of the power panel only

電源板上共有工作在不同頻點(diǎn)的8個(gè)電源模塊，由機(jī)箱前面板3個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵控制電源模塊工作。機(jī)箱內(nèi)僅留電源板，觀察機(jī)箱開(kāi)關(guān)的開(kāi)、關(guān)對(duì)電源板輻射的影響。依次按下開(kāi)關(guān)1～3，測(cè)試波形如圖6至圖8所示。當(dāng)最后接通開(kāi)關(guān)3時(shí)，為全部電源模塊均工作的狀態(tài)。

圖6 僅開(kāi)關(guān)1接通曲線(xiàn)圖Fig.6 Radiated emission of the switch 1 on only

圖7 再接通開(kāi)關(guān)2曲線(xiàn)圖Fig.7 Radiated emission of the switch 1 and switch 2 on

圖8 再按下開(kāi)關(guān)3曲線(xiàn)圖Fig.8 Radiated emission of three switches on

經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，接通開(kāi)關(guān)1，發(fā)射頻點(diǎn)以0.25MHz為間隔(圖6)；再接通開(kāi)關(guān)2，在已有發(fā)射頻點(diǎn)附近新增一發(fā)射頻點(diǎn)(圖7)；再接通開(kāi)關(guān)3，再次新增一發(fā)射頻點(diǎn)(圖8)。此時(shí)發(fā)射波形與電源線(xiàn)輻射特性測(cè)試(圖2)相似。

通過(guò)上述測(cè)試，發(fā)現(xiàn)：

1)電纜、板卡、電源板及機(jī)箱面板的輻射測(cè)試曲線(xiàn)，發(fā)射頻點(diǎn)相似；

2)屏蔽不連續(xù)的備份電纜對(duì)電源線(xiàn)發(fā)射影響明顯；

3)電源板、電源線(xiàn)為干擾發(fā)射主要來(lái)源，其中電源板上的電源模塊為干擾信號(hào)主要產(chǎn)生部位。

4.2 加固驗(yàn)證

1)在備份電纜上添加鐵氧體磁環(huán)，觀察備份電纜輻射變化情況，如圖9和圖10所示。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：添加鐵氧體磁環(huán)后，備份電纜最大發(fā)射降低優(yōu)于10dB，該方法對(duì)改善備份電纜輻射發(fā)射有效。

圖9 未添加鐵氧體磁環(huán)前，備份電纜輻射發(fā)射曲線(xiàn)圖Fig.9 Radiated emission of back-up cable before adding the ferrite magnet ring

圖10 添加鐵氧體磁環(huán)后，備份電纜輻射發(fā)射曲線(xiàn)圖Fig.10 Radiated emission of back-up cable after adding the ferrite magnet ring

進(jìn)一步，將控制組合電源線(xiàn)包裹屏蔽層，其他電纜均用防波套包裹，接插件處用銅箔包裹，機(jī)箱孔縫處粘貼銅箔屏蔽；

2)在電源線(xiàn)處添加殼體接地良好的濾波器，濾波器輸入輸出線(xiàn)包屏蔽層，將電源板上的每個(gè)電源模塊的輸入、輸出端均添加0.1μF電容，就近接地。

采取上述措施后，進(jìn)行電源線(xiàn)傳導(dǎo)、輻射發(fā)射測(cè)試，結(jié)果如圖11和圖12所示。

綜上所述，采取本文設(shè)計(jì)的加固措施后，控制組合能夠通過(guò)電源線(xiàn)傳導(dǎo)和設(shè)備輻射發(fā)射測(cè)試。

圖11 加固后電源正線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射限值及測(cè)試數(shù)據(jù)的幅頻曲線(xiàn)圖Fig.11 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for conducted emission on power line after modification

圖12 加固后(2～30)MHz輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)的幅頻曲線(xiàn)圖Fig.12 The limit line and test data amplitude-frequency curve graph of test data for (2～30)MHz radiated emission after modification

5 結(jié)束語(yǔ)

在電子設(shè)備研制過(guò)程中，抗干擾設(shè)計(jì)和措施可在設(shè)備設(shè)計(jì)之初完成，能有效避免后續(xù)測(cè)試階段電磁干擾問(wèn)題。經(jīng)上述分析與加固梳理，初步發(fā)現(xiàn)：電源輸入端連接適當(dāng)?shù)臑V波電路(濾波器)且濾波器封裝、接地良好情況下，能有效改善傳導(dǎo)發(fā)射；線(xiàn)纜、接插件及孔縫良好屏蔽，能有效改善輻射發(fā)射。

在排查確認(rèn)發(fā)射干擾源、驗(yàn)證加固措施有效性時(shí)，可采取逐一斷電纜、逐一斷板卡、電源模塊分步加電的方法，判斷干擾信號(hào)特性和確定干擾源；應(yīng)用加固措施時(shí)，可使用首先采取一種加固措施并驗(yàn)證，繼而在該措施基礎(chǔ)上，逐一添加加固措施并驗(yàn)證的方法。本文所述排查方法和加固措施，可為其他電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)和通過(guò)測(cè)試提供借鑒。