(1.中國航天科技集團公司 第四研究院第四十一研究所燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室，西安 710025；2.陜西電器研究所，西安 710025)

0 引言

地面測控系統(tǒng)是指對火箭箭上控制系統(tǒng)性能進行綜合測試，并能對火箭系統(tǒng)實施點火發(fā)射控制的系統(tǒng)，其在火箭地面設備中的重要地位體現(xiàn)在火箭系統(tǒng)的設計、生產、試驗和應用的整個過程中，是火箭系統(tǒng)發(fā)揮技術性能的重要保證，也是控制系統(tǒng)性能檢驗與優(yōu)化設計的重要手段[1]。

近年來，隨著嵌入式計算機和電子電路集成技術的日漸發(fā)展，測量儀器的復雜程度及安裝密度也越來越高，尤其是高頻、高速、高靈敏度和高集成度電路的廣泛應用，使得火箭地面測控系統(tǒng)內部出現(xiàn)了一些新的干擾源，而且電磁干擾的危害性也逐漸增多。另外，地面測控系統(tǒng)在使用期間，還有可能要經歷地面、外部空間惡劣的電磁環(huán)境，人為干擾及自然干擾源(雷電、大氣干擾等)有可能使系統(tǒng)或內部設備的性能發(fā)生有限度的降級，甚至可能使系統(tǒng)或設備失靈；干擾嚴重時，會使系統(tǒng)或設備發(fā)生故障或事故。

因此，要求地面測控系統(tǒng)十分可靠且精確地工作，必須解決的技術問題就是電磁兼容性。亦即要使各電氣、電子設備內部，各設備之間，并與周圍環(huán)境之間避免電磁干擾帶來的不良影響，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的電磁兼容，又要使整個系統(tǒng)在一定的干擾環(huán)境下，能正常地工作，完成既定任務。

為有效提高系統(tǒng)性能，對某型測控系統(tǒng)進行了電磁兼容設計研究，對系統(tǒng)的敏感部位或途徑進行了分類的抗干擾設計，并提出一些有效的方法，以提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

1 電磁兼容設計內容

1.1 概念

電磁兼容性又稱電磁相容性[2]，是指設備在其所處的電磁環(huán)境中，能夠正常工作，而且對處于該環(huán)境中的其余設備的正常工作，不會造成任何影響的特性。簡單的說，就是指在有限的空間和頻譜資源條件下，處于該環(huán)境中的所有用電設備，可以共同正常工作，不會互相影響且導致性能下降的能力。對于一個設備來講，既要求它具有一定的抗干擾能力，使得自身在有其余設備發(fā)出干擾的電磁環(huán)境中也能正常工作，還要求它不能產生過多的干擾，影響所處環(huán)境中的其它設備正常工作。

電磁兼容涉及電磁能量的傳遞、輻射和接收，這三部分組成電磁兼容問題的主體。電磁騷擾源產生能量輻射，耦合途徑將能量傳遞到敏感設備，即“電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設備”是構成電磁兼容問題的3個因素。只有3個因素同時存在，才會產生電磁兼容問題，而解決電磁兼容問題的方法，就是通常使用的濾波、屏蔽、接地。

1.2 設計思想及特點

電磁兼容問題包含電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設備3個因素，3個因素缺少一個，電磁兼容問題就不會存在。因此，在解決電磁兼容問題時，要結合產品特性進行深入研究，從電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設備著手，分析如何能夠有效抑制騷擾源的能量、削減或者盡量消除騷擾源的耦合途徑、降低敏感設備對騷擾的響應能力。具體需要結合所處環(huán)境情況，采取適當措施，消除3個因素中的一項或者多項。

火箭地面測控系統(tǒng)的設備，其電磁兼容性具有如下特點：

1)集成度較高。

考慮載體平臺安置、便于外場攜行、展開撤收便捷等因素，地面測控系統(tǒng)的設備集成度較高。設備單體內部集成了相關功能的各類電路板，系統(tǒng)機柜內集成了各功能的單體設備和電源。從設備內部的腔體到設備外部的空間，結構設計將功能各異的板卡、元件、單體設備逐層有序的組合在緊湊的空間內。系統(tǒng)高集成度的同時，也使得設備間的電磁干擾問題特別突出。

2)高低電壓信號共存。

地面測控系統(tǒng)包含控制、檢測等多種功能，同時處理多種電信號，大體上可以分為高電壓信號和低電壓信號兩類。高電壓信號容易對外部信號產生干擾，影響其正常工作，而低電壓信號因其特性，又對外部干擾極為敏感。所以，必須有效避免高低電壓信號互相影響。

3)頻譜范圍廣。

地面測控系統(tǒng)的電子設備充分利用頻率資源，占用多個頻帶。有的設備頻率覆蓋范圍較廣，容易對周邊設備造成較強的干擾。

4)易出現(xiàn)耦合、交叉干擾。

在各種載體平臺上，大量電子設備往往共用電源、備份電源和地線，使得通過電源線耦合和地線耦合造成的交叉干擾不能忽視。

5)結構裕量小。

地面測控系統(tǒng)的電子設備結構緊湊，內部裕量空間小。如果在設計研制后期才增加電磁兼容設計，往往會與設備原有的機械結構或電氣布局發(fā)生沖突，這時就難以兼顧各方面的技術性能指標。

綜上所述，地面測控系統(tǒng)的電子設備的EMC設計必須與方案設計緊密結合，同步開始，以便能夠保障產品達到預期功能，縮短設備的調試時間，確保系統(tǒng)內各設備互不干擾，滿足電磁兼容的要求。

2 地面測控系統(tǒng)的電磁兼容設計

某型火箭地面測控系統(tǒng)包括主控計算機、接口適配器、操作控制臺、GPS時統(tǒng)、電源機箱、檢測機箱等設備，是一個包含強電信號、弱電信號的多處理器的綜合計算機系統(tǒng)。在外場應用時，測控系統(tǒng)與外場外測、遙測設備共用一個發(fā)電機組，地面測控系統(tǒng)與箭上設備要進行實時通訊。不管是從用電回路考慮，還是從空間輻射考慮，地面測控系統(tǒng)設備都有容易受到干擾或竄擾的風險，進而影響工作結果。

圖1 某型火箭地面測控系統(tǒng)組成示意圖

2.1 設計工作目標

1)確保某型地面測控系統(tǒng)達到系統(tǒng)間電磁兼容和系統(tǒng)內電磁兼容；

2)最大限度的減少電磁干擾問題，減少對維修人力及其它資源的要求，以降低研制費用和縮短研制周期；

3)提高某型地面測控系統(tǒng)的系統(tǒng)完好性和測控任務的成功性。

2.2 設計工作原則

1)為實現(xiàn)某型地面測控系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境條件下達到系統(tǒng)內和系統(tǒng)間電磁兼容的目標，在設計中堅持以電磁兼容性規(guī)范為依據、電磁兼容性設計為重點，全面進行電磁兼容性試驗的工作方針，開展電磁兼容性設計工作；

2)綜合權衡電磁兼容性與系統(tǒng)功能特性，以“結構和功能”設計結合電磁兼容性設計的方式，進行地面測控系統(tǒng)的電磁兼容性設計工作，把電磁兼容性要求和電磁兼容性設計準則充分落實到產品的設計、研試過程中，以便提高產品的電磁兼容性。

2.3 電磁兼容性設計分析

電磁兼容性分析工作貫穿于某型地面測控系統(tǒng)的整個研制過程。現(xiàn)對某型地面測控系統(tǒng)的電磁環(huán)境進行分析，用以確定電磁環(huán)境對系統(tǒng)性能的影響和系統(tǒng)對電磁環(huán)境的防護能力。

在進行電磁兼容性分析時，要充分考慮到相互鄰近的設備，有信號接口的每一對組合、設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)，乃至整個系統(tǒng)的電氣與機械結構、電參數(shù)、電磁環(huán)境條件等對電磁兼容性產生的影響，為系統(tǒng)性的電磁兼容性設計或措施改進提供依據。

在某型地面測控系統(tǒng)的方案論證階段，進行了電磁環(huán)境剖面、功能特性、敏感性和電參數(shù)的分析。為制定電磁兼容性設計方案和協(xié)助確定主要技術特性及條件，如信號電平、頻率、靈敏度、增益、數(shù)據傳輸速率等，結合某型地面測控系統(tǒng)的技術參數(shù)和指標要求，對下列內容進行了電磁兼容性分析：

1)設備、組合、電路間的電磁干擾；

2)系統(tǒng)單元之間的電磁干擾；

3)系統(tǒng)的頻率分配、頻段分布。

在某型地面測控系統(tǒng)的方案研制階段，結合系統(tǒng)的技術參數(shù)和指標要求，重點對下列內容進行了電磁兼容性分析：

1)電磁環(huán)境干擾和設備間電磁干擾；

2)電纜線束的線間干擾耦合；

3)容易受到電磁干擾的敏感部位定位；

4)各功能設備箱的屏蔽效能。

通過對上述不同階段的電磁兼容問題進行分析，確保所設計的某型地面測控系統(tǒng)的電磁兼容設計方案得以詳細、順利的實施。

2.4 電磁兼容性設計

電磁兼容性設計的目的是控制電磁干擾發(fā)射和降低電磁干擾敏感性，使設備和分系統(tǒng)滿足電磁兼容性要求。對某型地面測控系統(tǒng)和系統(tǒng)各單元的具體設計方案進行電磁兼容性分析，針對可能存在的電磁干擾問題，提出電磁兼容性設計方案，在系統(tǒng)方案的設計研試過程中，按照要求進行具體實施。

2.4.1 頻率分配

1)在系統(tǒng)設計過程中，按照全國無線電管理委員會頒布的無線電頻率劃分規(guī)定，選擇無線電頻段和頻率；

2)在諧波、本振、中頻、鏡象等多種頻率中，綜合考慮可能造成同頻干擾的組合，在設計中進行相應的頻率調整，形成頻率分配表；

3)利用試驗驗證頻率分配的合理性，發(fā)現(xiàn)可能存在的缺陷，對頻率分配表做進一步的調整，從而確保不同信號的頻率不重合或不在同一頻帶內，大功率發(fā)射頻率和小信號頻率之間有足夠的間隔；

4)對整個系統(tǒng)中不同信號的頻率進行相互隔離。

2.4.2 信號電平的選擇

1)在系統(tǒng)設計中，充分考慮信號的電磁特性、傳遞要求和電路、設備、電纜干擾發(fā)射的極限要求，按照盡量選擇低電平的原則，規(guī)定每一類信號的電平幅值；

2)降低可能產生干擾的信號的電平，確保信號在傳遞和發(fā)射過程中對任何端口(電路、組合或設備)產生的干擾比端口的干擾敏感度至少低6 dB；

3)若信號電平不能滿足電磁兼容性要求或無法調整，在設計時采取屏蔽或隔離措施。

2.4.3 機箱屏蔽設計

1)為保證屏蔽層的導電連續(xù)性，機箱結構的所有外部縫隙都要保證連續(xù)且有良好的導電接觸。對于直徑小于屏蔽機箱厚度的小孔，可以不做處理；

2)對機箱的各種開口進行妥善處理。機箱的開口主要用來安裝開關、按鈕、指示燈與顯示屏等分組件。對于穿孔安裝的器件，要對其采取屏蔽措施，如加裝隔離墊等，并對穿過屏蔽層的導線做濾波處理；

3)正確選擇機箱接插件的類型和安裝方式，首推選擇屏蔽型連接器。機箱上安裝插座的接觸面不能有漆膜或涂塑層等任何絕緣材料，設備外部的連接電纜選擇帶屏蔽層的電纜，并且其屏蔽層要和機箱的屏蔽層保持導電連續(xù)性；

4)機箱散熱采用自然風冷的方式，設備內部器件盡量布局在風道上。如果空間允許，可安裝散熱風扇，但要在風扇外側安裝屏蔽通風板。

2.4.4 布線設計

1)根據布線原則和要求，系統(tǒng)中不同類型的電纜芯線捆扎成一束，不論是否相互鄰近，都需采取屏蔽措施；

2)根據對信號類型的分析，在設計中詳細規(guī)定了每一根電纜線的規(guī)格、位置、走向、傳遞的信號、兩端無屏蔽層的長度、與其它電纜線的間距和耦合度等，以及電纜線的接地和屏蔽要求，從而確保系統(tǒng)內電纜線間的干擾耦合不會對易受干擾電纜的輸入及輸出電路，或設備產生任何干擾；

3)低頻信號傳輸線纜采用雙絞線或屏蔽線。

2.4.5 電路設計

系統(tǒng)設計中為控制電磁干擾發(fā)射和降低電磁干擾敏感度，在電路設計中采取以下措施和方法：

1)在某型地面測控系統(tǒng)的定制板卡的設計中，按照電子線路的布局規(guī)范要求，合理規(guī)劃布置電子線路的走線；應用具有電源層和地線層的4層及以上的多層印制電路板，選用表面貼裝元器件(其等效電磁輻射面積可明顯小于插裝式元器件)，該類型電路板的電磁兼容特性較好；

2)根據元器件選擇原則或要求，電路中選用高浪涌電壓電容器、低電流和電壓噪聲的電阻器、低帶內敏感度的模擬器件和數(shù)字器件、可對前后級信號可靠隔離的光電隔離器、有效抑制電路瞬態(tài)干擾的容性濾波電路、可靠降低數(shù)傳誤碼的隔離通訊芯片、抑制反向電動勢的釋放器件。

2.4.6 濾波設計

根據電磁兼容性要求和可能遭遇到的最大電磁干擾輻射，考慮安裝、接地、體積、重量等相關要求，系統(tǒng)各單元的設計中都增加相應的濾波設計，加入濾波電容器，或者信號輸入、輸出濾波電路。

2.4.7 接地設計

接地質量首先體現(xiàn)在要正確接地，即選擇正確的接地點和接地方式；其次是要可靠接地，接地面積要大、接地線要粗而短、接地螺栓要安裝緊固，以減小接地電阻?；谝陨峡紤]因素，對系統(tǒng)的接地采取如下措施：

1)系統(tǒng)各設備均備有接地線及相關組件，以確保能夠可靠連接至接地樁；

2)采用短、粗、直型的接地線束，有效增加導電、干擾泄放的導體截面積；

3)系統(tǒng)采取單點接地，有效消除地環(huán)路；

4)采用樹型地線連接方案，避免產生交叉干擾。

2.4.8 電源設計

從信號隔離、防止電源前后級竄擾，保證系統(tǒng)各設備用電安全性的角度出發(fā)，對系統(tǒng)的工作激勵信號進行如下處理：

1)電源信號進入設備機箱后，直接連接至電源濾波器上，要選擇輸出線和輸入線分布于兩側的電源濾波器，其金屬外殼要大面積接地，或者掛壁安裝于機箱側板，通過機箱側板與接地設施連接；

2)對于交流電源模塊，最好使用隔離變壓器，以便能夠起到安全防護、變壓、隔離地線環(huán)流、提高共模干擾抑制能力等多種作用，且其濾波特性能夠和電源濾波器互補；

3)對二次電源模塊進行合理選擇，因為開關電源模塊對外界的干擾有一定的抑制能力，但對外界的輻射發(fā)射和傳導發(fā)射過大，故在低功耗電路中，盡量選用線性電源模塊；

4)電源模塊的輸入端和集成電路的供電端，增加濾波電路和防反向擊穿電路，減少電源的諧波干擾。

3 電磁兼容設計應用實施例

3.1 檢測機箱顯示控制終端重啟

3.1.1 現(xiàn)象

在地面測控系統(tǒng)的臺面聯(lián)試過程中，執(zhí)行“地面供電”控制后，檢測機箱的顯示控制終端出現(xiàn)黑屏并重啟。

3.1.2 原因分析

對地面測控系統(tǒng)的供電電路進行梳理，整理出供電原理示意圖如下圖2所示。地面測控系統(tǒng)的前端設備經由不同的供電電源進行配電，不同的電源均從實驗室的一處墻電插排進行取電。V1、V1GND為電源1的輸出，用于為顯示控制終端供電。V2、V2GND為電源2的輸出，用于為箭上設備提供工作激勵信號。當?shù)孛鏈y控系統(tǒng)執(zhí)行“地面供電”控制后，箭上設備供電電路中的瞬態(tài)工作電流較大，有可能產生竄擾信號，從該電路通過墻電插排220 V的前級，耦合竄擾至顯示控制終端的供電電路。

顯示控制終端為包含顯示和屏邊控制功能一體的綜合終端，內部包含了主控板、電源板、顯示板等多塊板卡，其主控板的重啟信號的幅值約為0.5 V。當?shù)孛鏈y控系統(tǒng)執(zhí)行“地面供電”控制后，有可能產生竄擾信號，通過耦合的方式，經由220 V的前級，竄入顯示控制終端的供電電路，對主控板相關電路進行作用，使其誤以為收到了重啟信號，進而執(zhí)行顯示控制終端的重啟操作。

圖2 地面測控系統(tǒng)的供電電路原理示意圖

3.1.3 電磁兼容改進設計

在進行詳盡分析后，對顯示控制終端的后續(xù)產品增加電磁兼容設計，具體如下所示。

措施1：在顯示控制終端的后背板設置“機殼地”和“信號地”兩個端子，兩個端子通過地線與實驗室接地銅排進行連接。機殼地用于將顯示控制終端機殼上的竄擾信號進行實時泄放，信號地與內部電路的VGA信號地、控制信號地、通訊信號地、二次電源地等信號地進行連接，用于將地信號上的竄擾進行實時泄放?？紤]接地效果，在端子上設置搭接片，可以通過搭接片將兩端子連通，如圖3所示，連通后通過地線與接地銅排連接；也可以在接地銅排處連接在一起，如圖4所示。如何選擇主要視實際接地效果處理(因實驗室空間較大，不同試驗，各設備的擺放位置不同，兩端子與接地銅排的距離就不同，首選就近接地，泄放效果更好)。

圖3 地信號搭接接地示意圖

圖4 地信號遠端接地示意圖

措施2：在顯示控制終端內部增加隔離電源模塊，及相關RC濾波電路，如圖5所示，將地面測控系統(tǒng)為顯示控制終端供電的V1、V1GND 信號調理成二次供電信號V1′、V1GND′后，再為內部電路各器件提供工作用電。這樣可以有效濾除毛刺干擾，避免電源模塊的前級供電電路中產生或者竄入的干擾對后級電路的用電設備造成不良影響。

圖5 地面測控系統(tǒng)的供電電路原理示意圖(電磁兼容改進設計后)

3.2 數(shù)據采集曲線的毛刺問題

3.2.1 現(xiàn)象

在進行箭架聯(lián)合匹配試驗時，地面測控系統(tǒng)的脫落插頭脫落后，進行箭上數(shù)據下載，發(fā)現(xiàn)下載的數(shù)據文件有時無法打開，而能夠打開的數(shù)據文件中，曲線毛刺很多。

3.2.2 原因分析

在箭架聯(lián)合匹配試驗前的電氣綜合聯(lián)試中，多次完成了地面測控系統(tǒng)的真實脫落試驗。在真實脫落試驗中，采集下載的箭上數(shù)據全部正常，并未出現(xiàn)毛刺問題。而箭架聯(lián)合匹配試驗與電氣綜合聯(lián)試的區(qū)別就在于被測箭體放置在發(fā)射架上進行試驗，其它試驗設備組成及條件基本相同。

對發(fā)射架的供電及接地情況檢測后發(fā)現(xiàn)，整個試驗廠房的交流零線與交流保護地相通，而發(fā)射架架體與交流保護地也相通，由于箭體通過金屬滑塊放置在發(fā)射架上，因此箭體與交流保護地也相通。當試驗廠房的接地系統(tǒng)中存在較強的干擾時，干擾信號就會沿著這一通路影響箭上設備的工作狀態(tài)，所以在采集數(shù)據中會出現(xiàn)毛刺。經檢查，發(fā)射架與交流保護地相通的原因是試驗廠房中設置了多根導軌，這些導軌與交流保護地相通，發(fā)射架放置在地上，與導軌接觸，導致了與交流保護地的接通。

3.2.3 電磁兼容改進設計

為了避免試驗廠房接地系統(tǒng)中的干擾信號對地面測控系統(tǒng)的采集測量工作造成不良影響，對試驗廠房供電系統(tǒng)的接地、發(fā)射架的接地進行了改進，在發(fā)射架的固定支撐與導軌之間墊上絕緣膠板，使發(fā)射架體與導軌隔離，即與交流保護地隔離；另外，在試驗廠房外面埋設獨立的交流保護接地樁，作為地面測控系統(tǒng)的交流供電的保護接地，確保交流保護地與交流零線隔離，減少交流干擾。

如圖6所示，當一組接地線路上存在較大干擾的時候，就會通過接地樁上的共地點對其余的接地線路產生竄擾。即當a點的地電位因干擾而造成波動時，就會因為接地樁的共地點，影響b、c點的電壓信號，引起其地電位的變化，造成電壓波動，進而對其余設備產生影響。如下圖7所示，將地面測控系統(tǒng)和發(fā)射架的接地線分別連接至試驗廠房的兩個獨立的接地樁后，兩系統(tǒng)不再有可通過地線干擾的途徑，有效避免干擾信號通過接地點對其余設備產生影響。改進后再次進行箭架聯(lián)合匹配試驗，試驗結果正常，采集文件可正常打開，數(shù)據曲線只有很少量毛刺。

圖7 兩系統(tǒng)單獨接地示意圖

4 結束語

電磁兼容性設計與產品的功能設計是同等重要的設計內容，在產品的方案設計初期，應進行充分的調研，根據電磁兼容要求，落實相應的技術措施。只有這樣，設計生產出的產品才是技術指標過硬的產品。本文通過運用電磁兼容的基本理論和技術，對某型地面測控系統(tǒng)進行電磁兼容性設計分析，歸納總結出系統(tǒng)中存在的主要敏感部位，并針對存在的電磁干擾隱患，提出了相應的解決措施。本文所述的某型地面測控系統(tǒng)，應用了所設計的各項電磁兼容性措施后，在后續(xù)的實體研試、聯(lián)合試驗中，進行了充分的驗證與考核。試驗結果表明，某型地面測控系統(tǒng)工作正常，抗干擾效果良好，可供后續(xù)設計參考借鑒。