艦載天線穩(wěn)定平臺EMC設計

0　引言

艦載天線穩(wěn)定平臺是為安裝在船舶桅桿上的微波天線提供一個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,補償艦體運動引起的縱、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和通信天線的輻射干擾,內部電機的PWM干擾,要保證設備在惡劣電磁干擾環(huán)境下正常工作,必須對電磁兼容嚴格設計。電磁干擾(EMI)即電子設備或電氣設備所產(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、隨機的或周期性的。EMI的形成必須同時具有3個因素:電磁干擾源;對干擾能量敏感的接收設備;將干擾能量從干擾源傳播到接收設備的傳播途徑。如果一個系統(tǒng)既不是干擾源也不是接收設備,那么該系統(tǒng)是電磁兼容的。電磁兼容性的研究是圍繞構成電磁干擾的3個因素進行:提高抗干擾性能及減少對其他設備的干擾輻射和干擾傳導。恰當?shù)南到y(tǒng)設計技術可抑制發(fā)射傳導和輻射干擾,恰當?shù)脑O計技術可硬化系統(tǒng)以減小其對干擾的敏感度,恰當?shù)钠帘?、接地、濾波以切斷干擾的傳播途徑以保護受害設備。1　電源線尖峰信號傳感敏感度設計設備對尖峰信號的敏感度即設備能夠承受規(guī)定水平的瞬態(tài)干擾,不會出現(xiàn)故障或工作狀態(tài)混亂。電源線尖峰信號傳感敏感度(CS106)的測試條件為在設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,CS106測試原理圖如圖1所示。

試驗過程中，尖峰信號與交流信號波形的峰值同步，同時為了產(chǎn)生最大跟隨能量，尖峰信號均施加在過零點，即分別在0度、90度、180度、270度的相角上進行測試。尖峰信號發(fā)生器的輸出電壓從0V開始逐漸增大,當輸出電壓增加至350 V時,設備的液晶顯示屏出現(xiàn)了白屏,設備受到了尖峰信號的干擾,不能正常工作。1.1　非線性器件瞬態(tài)抑制無論是從電源線還是從信號線進入的瞬態(tài),都可以使用非線性器件衰減。將這些器件與被保護線路并聯(lián),對于正常的信號或電壓水平,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。當干擾源的電壓大于它的擊穿電壓時,器件會立即轉變?yōu)榈妥钁B(tài),使從瞬態(tài)源過來的電流離開保護電路,限制了保護電路上的瞬態(tài)電壓。以瞬變電壓吸收二級管(TVS)為例,TVS就是硅雪崩型二級管,它體積小、響應時間短。TVS在擊穿前表現(xiàn)為一個跨接在線路輸入端的高阻抗負載,而出現(xiàn)瞬態(tài)高壓時,它即被激活,PN結發(fā)生雪崩效應,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。在選取這些非線性器件時,它們必須能夠承受電路的連續(xù)工作電壓,并具有一個安全裕量,以吸收來自任何預期瞬態(tài)的能量。對瞬態(tài)抑制器的典型安裝位置圖如圖2所示（略）。本系統(tǒng)設計時，采用壓敏電阻和瞬變電壓吸收二級管進行電磁兼容設計。在天線穩(wěn)定平臺控制器電源進線間并聯(lián)了壓敏電阻。壓敏電阻耐浪涌電流、電壓有一定的容量，一般按式（1）選擇其標稱電壓：

式中，Um為線路額定電壓峰值，為電壓升高率，一般取1.05~1.10在傾角儀和陀螺信號傳輸電路設計中,將TVS并聯(lián)在功率管兩端;同時,在供電DC電源兩端并聯(lián)TVS,在CAN總線的信號線與地線之間并聯(lián)TVS,它們均對電路起到了保護和抗電磁干擾作用。1.2　線纜內部的串擾效應控制系統(tǒng)內部的線纜走線布局對線纜之間本地電場和磁場的耦合有極大影響。為了使線纜之間耦合最小,應對不同類型的線纜進行劃區(qū),并且相互之間至少保持150 mm的間隔;當不同類型的線纜不能避免相鄰走線時,應盡量縮短走線長度。這樣可以減小線纜內部的串擾效應,對系統(tǒng)電磁兼容設計取得較好效果。2　電場輻射敏感度(RS103)設計天線穩(wěn)定平臺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量艦船傾角信號和搖擺速率信號分別引入反饋和前饋組成復合控制策略,實現(xiàn)天線穩(wěn)定平臺的伺服控制。在本系統(tǒng)中采用力平衡式傾角儀LCF100測量艦船傾角信號,將天線穩(wěn)定平臺置于10 kHz~40 GHz、200 V/m的輻射電場強度的環(huán)境中進行RS103測試時,天線穩(wěn)定平臺受到了干擾,系統(tǒng)不能正常工作。2.1　采用屏蔽技術降低電場輻射屏蔽是利用導電或導磁材料制成殼、板、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抑制輻射干擾的一種有效措施。使用屏蔽體將外來電場與屏蔽空間隔絕,同時將屏蔽體接地以消除電勢的影響,實現(xiàn)有效屏蔽。由于屏蔽的機理是電場反射損耗,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。在電場屏蔽設計時應采用良導體制成屏蔽體,通過對電磁波的反射和吸收作用來達到衰減電磁能量,減少輻射干擾的目的。屏蔽體的孔縫在實際應用中是不可避免的,它是影響屏蔽的一個重要因素。為了保證屏蔽效果,減小屏蔽體的電阻,并且在設計屏蔽體時應盡量減小垂直于電場方向的孔縫尺寸。在本系統(tǒng)中采用鋁殼表面鍍銀做成的屏蔽盒進行電場屏蔽,將傾角儀和信號調理電路置于此屏蔽盒中,同時采用了2層屏蔽,控制2層間距盡量接近1/4波長的奇數(shù)倍(由于在頻率很高時,電磁波在2屏蔽層間會產(chǎn)生諧振。當2層間距為1/4波長的奇數(shù)倍時,雙層屏蔽具有最大的屏效;當2層間距為1/4波長的偶數(shù)倍時,屏效最小),有效減小了電場輻射對傾角儀信號的影響。

2.2　采用接地技術降低電場輻射
　　當采用屏蔽技術降低電場輻射時,必須將屏蔽體接地消除電勢的影響,才能實現(xiàn)有效的屏蔽。接地技術是電磁兼容設計中十分有效的措施。接地有浮地、單點接地和多點接地3種基本形式,這些方法可以單獨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。但有一點需引起重視,接地引線的長度必須小于工作波長λ的1/4,這僅是考慮到“地”作用的起碼要求,實際接地引線的長度還要看允許電源通過該接地線所產(chǎn)生的電壓降的大小。如果電路對此電壓降很敏感,則接地引線的長度不大于0.05λ或更小;如果只是一般敏感,則接地引線可長一些,但一般不超過0.15λ。同時為了降低接地引線的阻抗,接地引線的端頭應平行搭接在接地平面上。　2.3　采用濾波技術降低電場輻射
　濾波是抑制傳導干擾最直接有效的辦法,同時由于良好的濾波可以抑制干擾源,因而它對輻射干擾的抑制也有明顯效果。濾波器對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)基礎之上的?！　≡诒鞠到y(tǒng)設計中,通過設計一個截止頻率為2 kHz的貝塞爾低通濾波器,將2 kHz以上的噪聲信號濾除,從而抑制10 kHz~40 GHz輻射源的輻射干擾。
　3　電源線傳導發(fā)射干擾(CE101)設計
　3.1　試驗方法
天線穩(wěn)定平臺系統(tǒng)由監(jiān)視單元、驅動控制單元和主機單元3部分組成。這3部分分別安裝在不同位置,監(jiān)視單元與驅動控制單元之間通過30 m的電纜相連,驅動控制單元的輸出功率接近1 kW,為了實現(xiàn)監(jiān)視單元對驅動控制單元的遙控,在驅動控制單元中應用交流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器(SSR)進行交流開關控制。CE101試驗框圖如圖3所示。　　

圖3中由監(jiān)視單元控制SSR的輸入端，監(jiān)視單元對SSR的控制電壓為DC12V，當DC12V加在SSR的輸入端時，SSR的輸出端接通，AC220V接入驅動控制單元,通過濾波器濾波后經(jīng)線性電源給目標系統(tǒng)供電。使AC220V輸入端的一根火線穿過傳感探頭,將傳感探頭的測試端接入EMI接收機。當監(jiān)視單元給驅動控制單元遙控供電時,EMI接收機按照CE101標準進行測試并記錄測試曲線。結果發(fā)現(xiàn)測試曲線中在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),同時波形在偶數(shù)倍頻率處有超出標準曲線的部分。CE101項電磁兼容測試不合格。

3.2　原因分析　　
為了找到電磁干擾的原因,先對交流過零觸發(fā)型SSR原理和結構做一個簡單介紹[1]。SSR是一種由固態(tài)電子元器件組成的新型無觸點電子開關器件,一般由耦合電路、過零電路、開關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,就可以控制輸出端的“通”與“斷”,完成開關功能?！　●詈想娐肥且怨怆婑詈掀髯鳛檩斎搿⑤敵鲩g的通道,在電氣上完全隔離,以防止輸出端對輸入端的干擾。過零電路保證當開關器件2端電壓過零瞬間時輸入信號觸發(fā)開關器件,從而完成在電壓過零條件下的通、斷動作,減少了開關過程所產(chǎn)生的干擾和污染?！　∥栈芈酚蒖、C組成,其作用是為了防止電源中帶來尖峰電壓、浪涌電流對開關器件的沖擊和干擾?！　∮蒘SR的原理可知,SSR的輸入信號在開關器件2端電壓過零瞬間觸發(fā)開關器件,從而完成在電壓過零條件下的通、斷動作。電壓過零點并非真的是在0 V處,而是在±10~±25 V區(qū)域內,即輸入信號總是在交流電壓過零附近才能觸發(fā)SSR,實現(xiàn)過零觸發(fā)。以一個周期AC220V正弦波為例進行說明,當使用固態(tài)繼電器時,0Hz、 50Hz、100Hz處均為過零點,此時開關器件快速導通和關斷,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。

3.3　解決辦法　　
針對電磁干擾產(chǎn)生的機理,采用PHOTOMOS繼電器代替交流過零觸發(fā)型SSR,按照上述方法進行CE101電磁兼容測試。測試結果僅在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),測試曲線位于CE101標準曲線范圍內,完成25 Hz~10 kHz電源線傳導發(fā)射干擾的電磁兼容設計。 　　
4　結束語　　
艦載天線穩(wěn)定平臺由于所處環(huán)境惡劣,電磁干擾產(chǎn)生的因素及傳遞途徑是十分復雜的。因此,各種措施的有效性也隨之而異,指望一種既簡單又萬能的方法是不現(xiàn)實的。需要在開始設計時便著手考慮電磁兼容設計,并始終貫穿在電路設計、元器件選擇和結構工藝布局等方面。本文以項目設計過程中遇到的電磁兼容問題為研究對象,對電磁干擾產(chǎn)生的原因進行了分析并提出了解決辦法,并在實際應用中收到了較好的效果。