艦載輕型天線穩(wěn)定平臺(tái)emc設(shè)計(jì)

0　引言
艦載天線穩(wěn)定平臺(tái)是為安裝在船舶桅桿上的微波天線提供一個(gè)不受船舶搖擺影響的安裝水平面,其功能是在艦船搖擺情況下,補(bǔ)償艦體運(yùn)動(dòng)引起的縱、橫搖擺角,使天線始終垂直于水平面。但因其安裝位置處于惡劣電磁干擾環(huán)境下,外部除了自身承載的微波天線的輻射外,還有附近的各種類型雷達(dá)和通信天線的輻射干擾,內(nèi)部電機(jī)的PWM干擾,要保證設(shè)備在惡劣電磁干擾環(huán)境下正常工作,必須對(duì)電磁兼容嚴(yán)格設(shè)計(jì)。
電磁干擾(EMI)即電子設(shè)備或電氣設(shè)備所產(chǎn)生的電噪聲,這些電噪聲表現(xiàn)為多種形式,可以是連續(xù)的、隨機(jī)的或周期性的。EMI的形成必須同時(shí)具有3個(gè)因素:電磁干擾源;對(duì)干擾能量敏感的接收設(shè)備;將干擾能量從干擾源傳播到接收設(shè)備的傳播途徑。如果一個(gè)系統(tǒng)既不是干擾源也不是接收設(shè)備,那么該系統(tǒng)是電磁兼容的。電磁兼容性的研究是圍繞構(gòu)成電磁干擾的3個(gè)因素進(jìn)行:提高抗干擾性能及減少對(duì)其他設(shè)備的干擾輻射和干擾傳導(dǎo)。恰當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)可抑制發(fā)射傳導(dǎo)和輻射干擾,恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)技術(shù)可硬化系統(tǒng)以減小其對(duì)干擾的敏感度,恰當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/屏蔽">屏蔽、接地、濾波以切斷干擾的傳播途徑以保護(hù)受害設(shè)備[3]。
1　電源線尖峰信號(hào)傳感敏感度設(shè)計(jì)
設(shè)備對(duì)尖峰信號(hào)的敏感度即設(shè)備能夠承受規(guī)定水平的瞬態(tài)干擾,不會(huì)出現(xiàn)故障或工作狀態(tài)混亂。電源線尖峰信號(hào)傳感敏感度(CS106)的測(cè)試條件為在設(shè)備不接地的交流電源線上注入脈沖寬度小于5μs、幅值為400 V的尖峰信號(hào),CS106測(cè)試原理圖如圖1所示。

增大,當(dāng)輸出電壓增加至350 V時(shí),設(shè)備的液晶顯示屏出現(xiàn)了白屏,設(shè)備受到了尖峰信號(hào)的干擾,不能正常工作。
1·1　非線性器件瞬態(tài)抑制
無(wú)論是從電源線還是從信號(hào)線進(jìn)入的瞬態(tài),都可以使用非線性器件衰減。將這些器件與被保護(hù)線路并聯(lián),對(duì)于正常的信號(hào)或電壓水平,它表現(xiàn)為高阻態(tài)———主要由它自己的電容和漏電特性決定。當(dāng)干擾源的電壓大于它的擊穿電壓時(shí),器件會(huì)立即轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài),使從瞬態(tài)源過(guò)來(lái)的電流離開保護(hù)電路,限制了保護(hù)電路上的瞬態(tài)電壓。以瞬變電壓吸收二級(jí)管(TVS)為例,TVS就是硅雪崩型二級(jí)管,它體積小、響應(yīng)時(shí)間短。TVS在擊穿前表現(xiàn)為一個(gè)跨接在線路輸入端的高阻抗負(fù)載,而出現(xiàn)瞬態(tài)高壓時(shí),它即被激活,PN結(jié)發(fā)生雪崩效應(yīng),吸收大量能量,因此以箝位方式限制線路電壓在允許范圍內(nèi)。在選取這些非線性器件時(shí),它們必須能夠承受電路的連續(xù)工作電壓,并具有一個(gè)安全裕量,以吸收來(lái)自任何預(yù)期瞬態(tài)的能量。對(duì)瞬態(tài)抑制器的典型安裝位置圖如圖2所示。

在傾角儀和陀螺信號(hào)傳輸電路設(shè)計(jì)中,將TVS并聯(lián)在功率管兩端;同時(shí),在供電DC電源兩端并聯(lián)TVS,在CAN總線的信號(hào)線與地線之間并聯(lián)TVS,它們均對(duì)電路起到了保護(hù)和抗電磁干擾作用。
1·2　線纜內(nèi)部的串?dāng)_效應(yīng)控制
系統(tǒng)內(nèi)部的線纜走線布局對(duì)線纜之間本地電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合有極大影響。為了使線纜之間耦合最小,應(yīng)對(duì)不同類型的線纜進(jìn)行劃區(qū),并且相互之間至少保持150 mm的間隔;當(dāng)不同類型的線纜不能避免相鄰走線時(shí),應(yīng)盡量縮短走線長(zhǎng)度。這樣可以減小線纜內(nèi)部的串?dāng)_效應(yīng),對(duì)系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)取得較好效果。
2　電場(chǎng)輻射敏感度(RS103)設(shè)計(jì)
天線穩(wěn)定平臺(tái)為了保證天線始終垂直于水平面而不受艦船搖擺的影響,采用了傾角儀和速率陀螺測(cè)量艦船傾角信號(hào)和搖擺速率信號(hào)分別引入反饋和前饋組成復(fù)合控制策略,實(shí)現(xiàn)天線穩(wěn)定平臺(tái)的伺服控制。在本系統(tǒng)中采用力平衡式傾角儀LCF100測(cè)量艦船傾角信號(hào),將天線穩(wěn)定平臺(tái)置于10 kHz~40 GHz、200 V/m的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)境中進(jìn)行RS103測(cè)試時(shí),天線穩(wěn)定平臺(tái)受到了干擾,系統(tǒng)不能正常工作。
2·1　采用屏蔽技術(shù)降低電場(chǎng)輻射
屏蔽是利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥蓺ぁ?、套、筒等各種形狀的屏蔽體,將電磁能量限制在一定空間范圍內(nèi)抑制輻射干擾的一種有效措施。使用屏蔽體將外來(lái)電場(chǎng)與屏蔽空間隔絕,同時(shí)將屏蔽體接地以消除電勢(shì)的影響,實(shí)現(xiàn)有效屏蔽。由于屏蔽的機(jī)理是電場(chǎng)反射損耗,而且二次反射趨向于減小總體反射損耗,故涂層電阻率越高屏蔽效果越差。在電場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用良導(dǎo)體制成屏蔽體,通過(guò)對(duì)電磁波的反射和吸收作用來(lái)達(dá)到衰減電磁能量,減少輻射干擾的目的。屏蔽體的孔縫在實(shí)際應(yīng)用中是不可避免的,它是影響屏蔽的一個(gè)重要因素。為了保證屏蔽效果,減小屏蔽體的電阻,并且在設(shè)計(jì)屏蔽體時(shí)應(yīng)盡量減小垂直于電場(chǎng)方向的孔縫尺寸。
在本系統(tǒng)中采用鋁殼表面鍍銀做成的屏蔽盒進(jìn)行電場(chǎng)屏蔽,將傾角儀和信號(hào)調(diào)理電路置于此屏蔽盒中,同時(shí)采用了2層屏蔽,控制2層間距盡量接近1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍(由于在頻率很高時(shí),電磁波在2屏蔽層間會(huì)產(chǎn)生諧振。當(dāng)2層間距為1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),雙層屏蔽具有最大的屏效;當(dāng)2層間距為1/4波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí),屏效最小),有效減小了電場(chǎng)輻射對(duì)傾角儀信號(hào)的影響。
2·2　采用接地技術(shù)降低電場(chǎng)輻射
當(dāng)采用屏蔽技術(shù)降低電場(chǎng)輻射時(shí),必須將屏蔽體接地消除電勢(shì)的影響,才能實(shí)現(xiàn)有效的屏蔽。接地技術(shù)是電磁兼容設(shè)計(jì)中十分有效的措施。接地有浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地3種基本形式,這些方法可以單獨(dú)使用也可以組合使用。到底采用什么樣的接地方式需根據(jù)具體情況確定。但有一點(diǎn)需引起重視,接地引線的長(zhǎng)度必須小于工作波長(zhǎng)λ的1/4,這僅是考慮到“地”作用的起碼要求,實(shí)際接地引線的長(zhǎng)度還要看允許電源通過(guò)該接地線所產(chǎn)生的電壓降的大小。如果電路對(duì)此電壓降很敏感,則接地引線的長(zhǎng)度不大于0.05λ或更小;如果只是一般敏感,則接地引線可長(zhǎng)一些,但一般不超過(guò)0.15λ。同時(shí)為了降低接地引線的阻抗,接地引線的端頭應(yīng)平行搭接在接地平面上。
2·3　采用濾波技術(shù)降低電場(chǎng)輻射
濾波是抑制傳導(dǎo)干擾最直接有效的辦法,同時(shí)由于良好的濾波可以抑制干擾源,因而它對(duì)輻射干擾的抑制也有明顯效果。濾波器對(duì)電磁干擾的抑制作用是建立在合理選擇濾波電路的形式和參數(shù)基礎(chǔ)之上的。
在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為2 kHz的貝塞爾低通濾波器,將2 kHz以上的噪聲信號(hào)濾除,從而抑制10 kHz~40 GHz輻射源的輻射干擾。
3　電源線傳導(dǎo)發(fā)射干擾(CE101)設(shè)計(jì)
3·1　試驗(yàn)方法
天線穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)由監(jiān)視單元、驅(qū)動(dòng)控制單元和主機(jī)單元3部分組成。這3部分分別安裝在不同位置,監(jiān)視單元與驅(qū)動(dòng)控制單元之間通過(guò)30 m的電纜相連,驅(qū)動(dòng)控制單元的輸出功率接近1 kW,為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)視單元對(duì)驅(qū)動(dòng)控制單元的遙控,在驅(qū)動(dòng)控制單元中應(yīng)用交流過(guò)零觸發(fā)型固態(tài)繼電器(SSR)進(jìn)行交流開關(guān)控制。CE101試驗(yàn)框圖如圖3所示。

驅(qū)動(dòng)控制單元,通過(guò)濾波器濾波后經(jīng)線性電源給目標(biāo)系統(tǒng)供電。使AC220V輸入端的一根火線穿過(guò)傳感探頭,將傳感探頭的測(cè)試端接入EMI接收機(jī)。當(dāng)監(jiān)視單元給驅(qū)動(dòng)控制單元遙控供電時(shí),EMI接收機(jī)按照CE101標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試并記錄測(cè)試曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)試曲線中在50 Hz的奇數(shù)倍頻率和偶數(shù)倍頻率處均有正弦半波出現(xiàn),同時(shí)波形在偶數(shù)倍頻率處有超出標(biāo)準(zhǔn)曲線的部分。CE101項(xiàng)電磁兼容測(cè)試不合格。
3·2　原因分析
為了找到電磁干擾的原因,先對(duì)交流過(guò)零觸發(fā)型SSR原理和結(jié)構(gòu)做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹[1]。SSR是一種由固態(tài)電子元器件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)器件,一般由耦合電路、過(guò)零電路、開關(guān)器件和吸收電路等部分組成。SSR一般為4端組件,其中2端為輸入端,另2端為輸出端。在輸入端加一控制信號(hào),就可以控制輸出端的“通”與“斷”,完成開關(guān)功能。
耦合電路是以光電耦合器作為輸入、輸出間的通道,在電氣上完全隔離,以防止輸出端對(duì)輸入端的干擾。過(guò)零電路保證當(dāng)開關(guān)器件2端電壓過(guò)零瞬間時(shí)輸入信號(hào)觸發(fā)開關(guān)器件,從而完成在電壓過(guò)零條件下的通、斷動(dòng)作,減少了開關(guān)過(guò)程所產(chǎn)生的干擾和污染。
吸收回路由R、C組成,其作用是為了防止電源中帶來(lái)尖峰電壓、浪涌電流對(duì)開關(guān)器件的沖擊和干擾。
由SSR的原理可知,SSR的輸入信號(hào)在開關(guān)器件2端電壓過(guò)零瞬間觸發(fā)開關(guān)器件,從而完成在電壓過(guò)零條件下的通、斷動(dòng)作。電壓過(guò)零點(diǎn)并非真的是在0 V處,而是在±10~±25 V區(qū)域內(nèi),即輸入信號(hào)總是在交流電壓過(guò)零附近才能觸發(fā)SSR,實(shí)現(xiàn)過(guò)零觸發(fā)。以一個(gè)周期AC220V正弦波為例進(jìn)行說(shuō)明,當(dāng)使用固態(tài)繼電器時(shí),0Hz、 50Hz、100Hz處均為過(guò)零點(diǎn),此時(shí)開關(guān)器件快速導(dǎo)通和關(guān)斷,功率電路電流變化率di/dt、電壓變化率du/dt較大,從而產(chǎn)生電磁干擾[2]。
3·3　解決辦法
針對(duì)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理,采用PHOTOMOS繼電器代替交流過(guò)零觸發(fā)型SSR,按照上述方法進(jìn)行CE101電磁兼容測(cè)試。測(cè)試結(jié)果僅在50 Hz的奇數(shù)倍頻率處有正弦半波出現(xiàn),并且奇數(shù)倍頻率處的波形完全相同,偶數(shù)倍頻率處不再有正弦半波出現(xiàn),測(cè)試曲線位于CE101標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi),完成25 Hz~10 kHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射干擾的電磁兼容設(shè)計(jì)。

4　結(jié)束語(yǔ)
艦載天線穩(wěn)定平臺(tái)由于所處環(huán)境惡劣,電磁干擾產(chǎn)生的因素及傳遞途徑是十分復(fù)雜的。因此,各種措施的有效性也隨之而異,指望一種既簡(jiǎn)單又萬(wàn)能的方法是不現(xiàn)實(shí)的。需要在開始設(shè)計(jì)時(shí)便著手考慮電磁兼容設(shè)計(jì),并始終貫穿在電路設(shè)計(jì)、元器件選擇和結(jié)構(gòu)工藝布局等方面。本文以項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的電磁兼容問(wèn)題為研究對(duì)象,對(duì)電磁干擾產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析并提出了解決辦法,并在實(shí)際應(yīng)用中收到了較好的效果。