亢 凱, 王凱國(guó), 潘 進(jìn), 楊進(jìn)候, 張 靜

魚雷電磁兼容性問題分析及改進(jìn)

亢 凱, 王凱國(guó), 潘 進(jìn), 楊進(jìn)候, 張 靜

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

隨著武器系統(tǒng)平臺(tái)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜, 對(duì)所裝載的武器電磁兼容性(EMC)要求越來越高。針對(duì)依據(jù)GJB151A-1997要求進(jìn)行魚雷EMC試驗(yàn)時(shí), 測(cè)試項(xiàng)CE102和RE102試驗(yàn)曲線均超出規(guī)定極限值的問題,為了使武器平臺(tái)與魚雷能夠更好的匹配工作, 通過分析多平臺(tái)使用條件下全雷系統(tǒng)的EMC改進(jìn)案例, 對(duì)雷內(nèi)電子組件的干擾源進(jìn)行排查、定位, 得到雷內(nèi)電磁輻射及傳導(dǎo)頻率特性, 并分別對(duì)魚雷系統(tǒng)內(nèi)部電纜、電源、雷內(nèi)電子組件和殼體結(jié)構(gòu)等采取屏蔽、濾波和接地等有效改進(jìn)措施, 最終順利通過該2項(xiàng)測(cè)試, 為后續(xù)魚雷的EMC設(shè)計(jì)提供參考。

魚雷; 電磁兼容性; 全雷系統(tǒng)

0 引言

在武器裝備領(lǐng)域, 良好的電磁兼容性(elec- tromagnetic compatibility, EMC)不僅關(guān)系到武器內(nèi)電子系統(tǒng)能否協(xié)同匹配工作, 更關(guān)系到武器與裝載平臺(tái)的匹配性[1-2]。一旦兼容性不好, 將有可能造成武器在使用過程中發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)量事故, 甚至安全事故。良好的EMC可以保障武器與裝載平臺(tái)在有限空間、時(shí)間和頻譜資源下正常工作而不產(chǎn)生性能降級(jí)[3]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)武器裝備的EMC研究工作尚處于起步階段, 主要有中國(guó)船舶七〇四所關(guān)于艦船電控設(shè)備的電磁兼容改進(jìn)研究[4]、空空導(dǎo)彈研究院針對(duì)某型號(hào)產(chǎn)品的電磁干擾改進(jìn)[5]、中國(guó)電波傳播所對(duì)某設(shè)備的電磁兼容測(cè)試改進(jìn)[6]、中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所關(guān)于星載大容量固態(tài)存儲(chǔ)器的電磁干擾測(cè)試分析[7]、中電五十二所關(guān)于某機(jī)箱內(nèi)部電纜電磁輻射的研究[8]。

但以上的研究大都針對(duì)的是功能相對(duì)單一的產(chǎn)品或其使用環(huán)境單一, 由于魚雷的多平臺(tái)使用環(huán)境, 導(dǎo)致雷內(nèi)電子系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜, 對(duì)結(jié)構(gòu)特性的要求也極為苛刻, 對(duì)整個(gè)魚雷的EMC設(shè)計(jì)都極具挑戰(zhàn)。文中將以魚雷的EMC改進(jìn)案例進(jìn)行分析總結(jié), 為后續(xù)魚雷和其他武器裝備的研制積累經(jīng)驗(yàn)。

1 總體概述及EMC要求

魚雷內(nèi)部電子系統(tǒng)主要由信號(hào)機(jī)、控制機(jī)、導(dǎo)航機(jī)、壓力傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成, 在發(fā)射前利用外部直流電源供電, 經(jīng)內(nèi)部電源模塊變換成多種電源供其他電子設(shè)備使用。由于魚雷在射前工作中既是干擾源又是敏感設(shè)備, 考慮到雷內(nèi)電氣特性及搭載使用平臺(tái)要求, 參考GJB151A- 1997和GJB152A-1997要求[9-10]對(duì)魚雷進(jìn)行如表1所示的EMC測(cè)試項(xiàng)。

表1 產(chǎn)品EMC測(cè)試項(xiàng)

在標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室按照規(guī)定對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試時(shí), 其中測(cè)試項(xiàng)CE102、RE102均超出規(guī)定極限值。為保證產(chǎn)品與武器平臺(tái)的可靠匹配, 通過分析測(cè)試曲線, 結(jié)合雷內(nèi)電氣和結(jié)構(gòu)等特點(diǎn), 制定了相應(yīng)的EMC改進(jìn)措施并加以驗(yàn)證。

2 EMC試驗(yàn)

2.1 電源線傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)

電源線傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)主要是為了測(cè)試產(chǎn)品工作時(shí)通過電源線以傳導(dǎo)的方式對(duì)外部武器平臺(tái)造成的干擾, 如果電源線上的傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo), 會(huì)導(dǎo)致武器平臺(tái)輸出電壓的波動(dòng), 將有可能造成武器平臺(tái)的故障, 從而影響到整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)的安全可靠性。

在標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室按照國(guó)軍標(biāo)要求進(jìn)行CE102測(cè)試, 利用檢查臺(tái)供電, 電源正線上的測(cè)試曲線如圖1所示, 可以看到在1.5～8 MHz頻帶內(nèi)測(cè)試曲線先整體上升后又逐漸下降, 并在相應(yīng)的倍頻點(diǎn)處超過極限線值。

圖1 CE102測(cè)試結(jié)果

2.2 電場(chǎng)輻射發(fā)射試驗(yàn)

電場(chǎng)輻射發(fā)射試驗(yàn)主要是為了測(cè)試魚雷工作時(shí)通過電纜線和殼體向外輻射的電場(chǎng)分布情況, 如果電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo), 輻射干擾將會(huì)耦合到武器平臺(tái)的電纜或殼體上, 有可能導(dǎo)致武器平臺(tái)的使用故障。

在標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室按照國(guó)軍標(biāo)要求進(jìn)行RE102測(cè)試, 魚雷分別在垂直和水平極化方向上的電場(chǎng)輻射曲線如圖2所示。

圖2 RE102測(cè)試結(jié)果

由圖可知, 在垂直極化方向上, 10～30 MHz頻率范圍內(nèi)超出極限線, 最大處超過極限線值接近20 dBμV/m。在水平極化方向上, 20～40 MHz、80～ 100 MHz頻率范圍內(nèi)超出極限線接近20 dBμV/m。

3 EMC超標(biāo)原因分析

3.1 電源線傳導(dǎo)發(fā)射干擾原理

CE102在1～8 MHz頻率內(nèi)超標(biāo)的原因主要有: 內(nèi)部干擾源通過傳導(dǎo)進(jìn)入到電源線對(duì)外發(fā)射; 外界環(huán)境和雷內(nèi)干擾源通過電場(chǎng)耦合至電源線后對(duì)外發(fā)射。由于在雷內(nèi)存在開關(guān)電源、高速信號(hào)和非理想電源導(dǎo)線, 存在著分布電容電感, 工作時(shí)分別通過傳導(dǎo)和耦合進(jìn)入到電源線產(chǎn)生共模和差模噪聲, 從而造成CE102測(cè)試項(xiàng)的超標(biāo)。

改進(jìn)流程如圖3所示, 針對(duì)電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)一般可采取的措施有: 利用濾波器對(duì)干擾源進(jìn)行隔離和雙絞屏蔽電源線。

圖3 CE102改進(jìn)流程圖

3.2 電場(chǎng)輻射干擾原理

與電源線傳導(dǎo)發(fā)射相比, 造成電場(chǎng)輻射超標(biāo)的原因更為復(fù)雜。對(duì)于電場(chǎng)輻射而言不僅僅需要對(duì)干擾源的傳輸途徑進(jìn)行隔離, 還需要對(duì)雷內(nèi)的干擾源進(jìn)行定位改進(jìn), 具體流程如圖4所示。

3.2.1 電場(chǎng)輻射干擾源定位

形成電磁干擾的三要素為干擾源、傳輸途徑和敏感設(shè)備, 從干擾源處對(duì)干擾進(jìn)行抑制是最為有效的方法[11]。首先對(duì)雷內(nèi)干擾源進(jìn)行隔離定位, 利用電池在雷內(nèi)供電排除檢查臺(tái)、設(shè)定電纜等外界因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響, 具體流程如圖5所示。分別對(duì)雷內(nèi)電子組件依次上電后測(cè)試, 并將所測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比分析, 找到相應(yīng)組件的超標(biāo)頻率范圍。

圖4 RE102改進(jìn)流程圖

圖5 魚雷內(nèi)部干擾源隔離流程圖

圖6中采用電池供電, 發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)電源模塊上電, RE102測(cè)試項(xiàng)在6～10 MHz頻率范圍內(nèi)已經(jīng)超出規(guī)定的極限線值, 因此需要首先對(duì)電源模塊產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行改進(jìn)。

在此基礎(chǔ)上將控制機(jī)上電, 發(fā)現(xiàn)在20 MHz頻率附近處明顯增高并超出極限值。將導(dǎo)航機(jī)和壓力傳感器上電后, 測(cè)試曲線整體保持不變, 沒有新的頻帶和頻點(diǎn)超標(biāo)。將信號(hào)機(jī)上電后, 在0.1 MHz、20 MHz頻率附近處幅值變高, 在6～20 MHz頻率內(nèi)曲線毛刺明顯變多。將執(zhí)行機(jī)構(gòu)上電后, 曲線在6～8 MHz頻率內(nèi)增大并超出極限值, 在20 MHz頻率附近幅值變高。

圖6 組件依次上電后RE102在0.01～20MHz測(cè)試結(jié)果

通過排查定位可以得出, 雷內(nèi)的電源、控制機(jī)、信號(hào)機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同頻點(diǎn)處電磁輻射較大, 導(dǎo)航機(jī)和壓力傳感器的電磁輻射較弱。

在20～100 MHz頻率內(nèi), 采用雙錐天線對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)機(jī)和控制機(jī)進(jìn)行排查定位, 得到如圖7所示曲線。

圖7 組件依次上電后RE102在20～100 MHz測(cè)試結(jié)果

由圖7可以看出, 對(duì)信號(hào)機(jī)進(jìn)行上電后, 在50 MHz頻點(diǎn)處有尖峰產(chǎn)生, 在40～100 MHz頻率范圍內(nèi)較未上電前曲線整體上移; 對(duì)控制機(jī)上電后, 在30、50、70 MHz頻率附近較未上電前曲線整體上移; 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上電后曲線整體與未上電前類似, 在20～30 MHz頻率范圍內(nèi)倍頻點(diǎn)毛刺明顯增多, 經(jīng)檢查是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)中開關(guān)電源頻率引起的。

在信號(hào)機(jī)內(nèi)部集成了多塊印制電路板(printed circuit boards, PCB), 經(jīng)過排除隔離后, 圖8同時(shí)去掉信號(hào)機(jī)中模-數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital, AD)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換(digital to analog, DA)板后, 測(cè)試曲線在50～100 MHz頻率范圍內(nèi)明顯下降, 在各個(gè)頻點(diǎn)處的尖峰也消失了。對(duì)信號(hào)機(jī)進(jìn)行電磁干擾排查時(shí)發(fā)現(xiàn)DA板的晶振在PCB板的邊緣, 并且在DA板上的2個(gè)DA小板與DA板之間存在縫隙。

圖8 對(duì)信號(hào)機(jī)內(nèi)部干擾源的定位

信號(hào)機(jī)中DA板晶振時(shí)鐘信號(hào)引腳上的電壓與魚雷殼體間存在寄生回路, 回路中的共模電流通過電纜線產(chǎn)生了共模輻射, 其中共模輻射電流[12]為

共模輻射公式

由式(2)可知, 電纜線上流過微安量級(jí)的共模電流足以造成輻射發(fā)射測(cè)試的超標(biāo)[13]。其中的大小與晶振和殼體間的電場(chǎng)分布有關(guān), 當(dāng)晶振在DA板邊緣中間時(shí), 與殼體間的電場(chǎng)分布如圖9所示。

圖9 晶振與殼體地間電場(chǎng)分布

從圖9可以看出, 當(dāng)晶振在DA板中間時(shí), 由于DA板中工作地平面的存在, 使得分布到魚雷殼體上的電場(chǎng)減少, 晶振與殼體間的寄生電容容值減少, 則共模電流值也相應(yīng)減少, 從而導(dǎo)致共模干擾輻射有效降低。

3.2.2 電場(chǎng)輻射傳輸路徑定位

雖然從干擾源頭處理效果最為明顯, 但受制于空間體積和質(zhì)量的限制, 從源頭難以進(jìn)行處理, 而所有的干擾均通過一定的傳播途徑才能形成, 因此當(dāng)對(duì)干擾源無法進(jìn)行有效處理時(shí), 切斷干擾源的傳播途徑成為最現(xiàn)實(shí)有效的方法。

利用近場(chǎng)探頭和頻譜分析儀對(duì)上電后魚雷的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè), 確定電場(chǎng)輻射發(fā)射的傳輸途徑和主要泄漏位置。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在殼體縫隙間存在電磁泄漏, 同時(shí)在檢查臺(tái)和設(shè)定電纜上存在著較大的電場(chǎng)輻射。

經(jīng)過對(duì)干擾源與干擾源傳輸路徑的定位, 可以確認(rèn)引起測(cè)試項(xiàng)RE102輻射超標(biāo)的主要原因有: 1) 殼體結(jié)構(gòu)的屏蔽效能不佳, 雖然殼體為金屬材質(zhì), 但由于艙段間及安裝蓋板上都涂有金屬保護(hù)漆, 不利于艙段間360°的電氣連續(xù)性; 2) 魚雷的設(shè)定電纜未做屏蔽處理, 裸露的電源線可等效為單極子天線; 3) 電源模塊、信號(hào)機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等本身就是很強(qiáng)的干擾源。

4 EMC改進(jìn)及驗(yàn)證

4.1 電源線傳導(dǎo)發(fā)射改進(jìn)及驗(yàn)證

通過在設(shè)定插座入口處添加濾波器, 利用共模電感和差、共模電容組成濾波電路接入設(shè)定電纜, 經(jīng)過測(cè)試后發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射干擾的頻率發(fā)生了轉(zhuǎn)移, 在7 MHz頻率附近仍有大量頻點(diǎn)超出。排查原因后發(fā)現(xiàn)濾波器外殼通過一條導(dǎo)線連接到了魚雷外殼上, 導(dǎo)致在接地線上有一定的接地阻抗, 高頻噪聲經(jīng)該阻抗路徑流過濾波器, 使濾波器失去效果。

重新設(shè)計(jì)濾波器結(jié)構(gòu), 將其改為面板插針式, 濾波器通過整面接觸到魚雷殼體上, 有效地減少了電源引線長(zhǎng)度, 防止濾波前后電源線之間的互相耦合干擾。經(jīng)過調(diào)整濾波器電容和電感的參數(shù)后, 重新測(cè)試后順利通過, CE102測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后的CE102測(cè)試結(jié)果

4.2 電場(chǎng)輻射改進(jìn)及驗(yàn)證

4.2.1 對(duì)干擾源的改進(jìn)及驗(yàn)證

通過對(duì)電場(chǎng)輻射干擾源的定位, 對(duì)不同輻射的組件采取相應(yīng)改進(jìn)措施并加以驗(yàn)證。

首先是針對(duì)電源模塊的電場(chǎng)輻射超標(biāo), 由于在電源模塊中DC-DC模塊工作時(shí)產(chǎn)生較大的dd, 導(dǎo)致共模干擾增大, 并且由于共模電感中寄生電容的存在, 其對(duì)高頻干擾的抑制作用有限。在電源濾波模塊中加入47 nF和1 μF的共模電容, 得到新的測(cè)試曲線如圖11所示。

圖11 電源濾波模塊中添加共模電容后的測(cè)試結(jié)果

由圖可以發(fā)現(xiàn), 在20～40 MHz頻率范圍內(nèi)和80 MHz頻率處輻射強(qiáng)度有明顯降低, 說明魚雷內(nèi)部的電場(chǎng)輻射干擾得到了有效抑制。

針對(duì)信號(hào)輻射超標(biāo)的問題, 將信號(hào)機(jī)DA板上的晶振、2個(gè)DA小板及其之間的縫隙進(jìn)行屏蔽處理, 并進(jìn)行良好接地后, 在50 MHz和90 MHz頻率附近處試驗(yàn)結(jié)果明顯降低。

針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的倍頻超標(biāo), 在電源輸入端處增加濾波器, 防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)中電源開關(guān)頻率干擾反串至內(nèi)部的電纜線上, 再通過殼體間的縫隙泄漏到空間中去。

4.2.2 對(duì)傳輸路徑的改進(jìn)及驗(yàn)證

按上一章傳輸途徑定位方式最終確認(rèn)電纜是輻射發(fā)射的主要傳輸途徑。利用導(dǎo)電布和電磁防波套對(duì)設(shè)定電纜進(jìn)行屏蔽處理, 保證屏蔽層的連續(xù)性和屏蔽阻抗的均勻分布后, 進(jìn)行可靠接地。對(duì)魚雷內(nèi)部所有的電纜互連線進(jìn)行屏蔽處理, 并在連接器的插頭處進(jìn)行360°環(huán)形包裹, 避免由于屏蔽阻抗的突變影響到屏蔽效果。定位到頭段的電場(chǎng)輻射超標(biāo)問題, 利用屏蔽蓋板對(duì)魚雷頭段內(nèi)的縫隙進(jìn)行屏蔽處理并接地。

重新利用近場(chǎng)探頭對(duì)以上干擾源的傳輸路徑進(jìn)行檢測(cè), 發(fā)現(xiàn)電磁輻射已經(jīng)得到了有效抑制, 對(duì)魚雷整體電場(chǎng)輻射的下降起到了一定作用。

對(duì)干擾源及其傳輸路徑進(jìn)行有效改進(jìn)后的RE102測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一系列改進(jìn)措施后, 魚雷對(duì)外電場(chǎng)輻射強(qiáng)度得到了有效抑制, 不僅順利通過了RE102測(cè)試項(xiàng)并留有裕量。在垂直極化方向上, 10～30 MHz頻率范圍內(nèi)電場(chǎng)輻射強(qiáng)度減少了約16 dBμV/m, 在其他頻率范圍內(nèi)均有不同程度的下降; 在水平極化方向上, 20～40 MHz、70～90 MHz頻率范圍內(nèi)電場(chǎng)輻射強(qiáng)度減少了23 dBμV/m, 在其他頻率范圍內(nèi)均有不同程度的下降。

5 結(jié)束語

以往對(duì)EMC分析改進(jìn)的對(duì)象為功能或使用環(huán)境單一的產(chǎn)品, 并且CE102和RE102測(cè)試項(xiàng)對(duì)大多數(shù)武器裝備而言又很難通過。文中通過分析多平臺(tái)使用條件下的全雷系統(tǒng)EMC的改進(jìn)案例, 進(jìn)行魚雷電磁干擾源及傳輸路徑的分析定位, 并分別采取相應(yīng)的有效改進(jìn)措施。最終試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)效果非常顯著, 對(duì)外的電場(chǎng)輻射強(qiáng)度得到了有效抑制。

文中的工作目前還處于對(duì)魚雷EMC的后期改進(jìn)階段, 下一步將根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)將EMC設(shè)計(jì)融入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期中去。

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Analysis and Improvement of Electromagnetic Compatibility for Torpedo

KANG Kai, WANG Kai-Guo, PAN Jin, YANG Jin-hou, ZHANG Jing

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

In an electromagnetic compatibility(EMC) test of torpedo according to the standard GJB151A-1997, the test curves of CE102 and RE102 exceed the prescribed limit value. In order to solve this problem and to better match the weapon platform with torpedo, this study analyzes a case of EMC improvement of the whole torpedo system under the condition of multi-platform operation, investigates and locates the interference sources of the electronic components in the torpedo, obtains the frequency characteristics of the electromagnetic radiation and conduction in the torpedo, and separately improvements the cable, power supply, electronic components and shell structure of the torpedo by means of the measures, such as shielding, filtering and grounding. Finally, the torpedo successfully passes these two test items. This study may facilitate the EMC design of torpedo.

torpedo; electromagnetic compatibility(EMC); whole torpedo system

TJ630; O441

A

2096-3920(2021)03-0338-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.014

亢凱, 王凱國(guó), 潘進(jìn), 等. 魚雷電磁兼容性問題分析及改進(jìn)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(4): 338-343.

2020-06-10;

2020-09-20.

亢 凱(1994-), 男, 碩士, 工程師, 主要從事魚雷電磁兼容性領(lǐng)域研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)