【導讀】馬航事件雖然過去很久,但是留給人們的陰影依然存在,使得想讓雷達能在惡劣的電磁干擾環(huán)境中可靠工作,這就對雷達電路系統(tǒng)的抗電磁干擾能力和電磁兼容設(shè)計提出了更高的要求。本文本著服務(wù)工程師的態(tài)度將360°全面剖析雷達電路的電磁干擾和EMC設(shè)計,供大家學習。
現(xiàn)代雷達對信號頻譜質(zhì)量的要求越來越高,并要求雷達能在惡劣的電磁干擾環(huán)境中可靠工作,這就對雷達電路系統(tǒng)的抗電磁干擾能力和電磁兼容設(shè)計提出了更高的要求。由于雷達信號的寄生輸出,除了在信號變換等過程中產(chǎn)生外,還與系統(tǒng)外部的干擾、電路之間的干擾,電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計及信號傳輸匹配等有關(guān),所以要研制滿足電磁兼容要求的電路系統(tǒng),除了方案合理、設(shè)計正確外,還必須注意以下幾點。
a、采取電路合理接地、電路之間去藕等有效措施,抑制一切無關(guān)信號。
b、裝配設(shè)計、電路布局及排列等必須正確合理。
c、應(yīng)采用先進的工藝設(shè)計。
d、加強單元電路和電纜之間及電路系統(tǒng)之間的屏蔽隔離。
電路系統(tǒng)的電磁兼容分析與設(shè)計
用高質(zhì)量的單元電子電路組成電路系統(tǒng),完成某種功能時,除了系統(tǒng)方案的正確,電磁兼容設(shè)計也是十分重要的。尤其對現(xiàn)代雷達中的高穩(wěn)定信號系統(tǒng)和一些復雜電路系統(tǒng)以及工作在惡劣電磁環(huán)境中的電路系統(tǒng),電磁兼容設(shè)計就更為重要。下面將詳細分析電路系統(tǒng)的電磁兼容間題,并提出有關(guān)的實施措施和方法。
1電源系統(tǒng)的電磁兼容
電源系統(tǒng)方面的干擾有三種形式:第一種是系統(tǒng)外部的干擾串入,如由交流電網(wǎng)進來的干擾及干擾磁場等引起的干擾信號;第二種是系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾信號,例如整流濾波后的波紋干擾,可控硅調(diào)壓產(chǎn)生的尖脈沖,開關(guān)電源引起的高頻脈沖,高頻電源的泄漏及穩(wěn)壓管產(chǎn)生的噪聲等等;第三種是系統(tǒng)連線上的場干擾信號。要抑制或削弱這些干擾信號必須對電源系統(tǒng)進行細心的電磁兼容設(shè)計。
a、對電源變壓器加屏蔽、隔離措施
每只電源變壓器都應(yīng)在初次級之間加靜電屏蔽,以隔離初級電網(wǎng)串進來的干擾。重要電源還應(yīng)對整個變壓器加罩高導磁材料進行磁屏蔽,抑制變壓器磁場及外界磁場引起的干擾。這些靜電隔離和磁屏蔽體均應(yīng)可靠接地。
b、電源變壓器要盡可能遠離電子電路,以便使電源頻率的干擾及交流電源磁場的干擾降到最低水平。
c、電路系統(tǒng)中,若同時有模擬電路和數(shù)字電路時,則必須分別給模擬電路和數(shù)字電路供電。防止數(shù)字電路中上升時間很快的瞬態(tài)過程通過電源影響模擬電路。
d、合理組裝電路,正確接地,正確接線及鋪設(shè)電纜。選用恰當?shù)拇牌帘尾牧虾碗姶牌帘尾牧?,同時必須兼顧尺寸、重量和成本。
2信號傳輸系統(tǒng)的電磁兼容
信號傳輸過程中的干擾主要有兩個方面。一是信號通過傳輸線時,在其周圍產(chǎn)生電磁場,這些電磁場會在周圍的導體中感應(yīng)出電流,形成干擾信號;二是信號在傳輸過程中,一般都有反射,反射信號串入其他電路形成干擾信號??朔鬏斠鸬母蓴_一般可采取下列措施。
a、加強電磁屏蔽,對不同頻率,不同類型的單元電路分別組合屏蔽可減小相互的影響。
b、加強傳輸信號的匹配、隔離,使信號的輸入、輸出均有匹配網(wǎng)絡(luò),適當增加隔離級以降低反射干擾。
c、抑制一切無用信號,即使落在電路頻帶外的信號,也應(yīng)采取抑制措施。因為普通的放大器、倍頻器、混頻器和分頻器中均有非線性存在,都可能把帶外信號變換到電路的有效頻帶范圍內(nèi)。因此,必要時應(yīng)增加各種濾波器以抑制無用信號。
d、合理布線、合理排列電路。印制板上的傳輸線,既可能成為發(fā)射天線,也可能成為接收天線,因此,必須對它們合理布置,并盡量縮短其長度,以降低它們的相互干擾。
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地線系統(tǒng)的電磁兼容
作為電路系統(tǒng)的地線,首要的任務(wù)是必須接觸良好,盡量減少接地電感及接地電阻。
使地電流少鍋合,減小相互感應(yīng)。
在電路系統(tǒng)中,一般應(yīng)把模擬信號地,數(shù)字信號地和噪聲地分開,有些系統(tǒng)還要單獨設(shè)屏蔽地。模擬地用于模擬電路和它們的電源;數(shù)字信號地用于數(shù)字電路和它們的饋電電源;噪聲地用于交流電源變壓器的靜電屏蔽及變壓器屏蔽、交流供電線的屏蔽和發(fā)射機等。這幾種地線在電路系統(tǒng)中不應(yīng)混淆相連,使它們在系統(tǒng)外單點相接與大地相連。
電路工藝及結(jié)構(gòu)方面的電磁兼容設(shè)計
電磁兼容不能只看成是電路設(shè)計人員的事,還必須由工藝和結(jié)構(gòu)人員配合,才能共同完成合理的設(shè)計。因為不論是接地線的設(shè)置,電纜走向安排,還是電子組合的屏蔽體設(shè)計,電子組合的排列及變壓器的放置位置,和各種材料的選擇等都屬于電子結(jié)構(gòu)問題。
而屏蔽體的加工,印制板的制遣,電路的裝配等將直接影響屏蔽,輻射及傳導效果,這是工藝方面的問題。下述幾個問題設(shè)計時應(yīng)加以注意。
a、合理劃分、組合單元電子電路,使它們按其功能組合成不同的功能塊電路。尤其對周期性脈沖信號電路,最好讓它起止于同一個功能塊內(nèi),即組裝在同一屏蔽盒里。
b、數(shù)字電路與模擬電路必須分開組裝,相互間的連接應(yīng)加以隔離,必要時可用光電耦合器件將它們完全隔離。
c、傳輸高穩(wěn)定信號的電纜,必要時給電纜再加屏蔽套,或選用半剛性電纜和剛性電纜。
d、電路和元器件排列應(yīng)合理,不要使信號迂回,盡量減小輸出輸入及各種情況上的相互耦合。
e、盡量選用平面安裝電路,不要大面積接地,它對電磁場的輻射抵制優(yōu)于立體電路,可大大降低場輻射。
f、特別注意噪聲電路,噪聲元器件的裝配位置,處理了它們的地線,例如:繼電器、電源變壓器、高功率大電流器件及高壓脈沖電路等等。
g、不要在屏蔽體上安裝大功率、大電流元件,防止它們的返回電流通過屏蔽體產(chǎn)生不必要的耦合干擾。
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屏蔽設(shè)計
在電磁兼容的設(shè)計中,屏蔽體設(shè)計是非常重要的一個方面。屏蔽是抑制一切無關(guān)信號的重要手段,一般可分三種類型:靜電屏蔽、磁屏蔽、電磁屏蔽。
1靜電屏蔽
空間任何兩個帶電物體均可產(chǎn)生靜電場,其中一方電壓的變化必定會引起另一方的變化,產(chǎn)生靜電禍合。靜電藕合的機理是通過電路之間存在的電容拙合作用引起的。
克服靜電荊合最好的方法是利用金屬板作靜電屏蔽體。把受干擾的兩個源用金屬板隔離開,或者把電路上的所有元器件安裝在金屬板的一邊,如同表面安裝電路那樣,可獲得良好的靜電屏蔽。具體的屏蔽方法,尤其對雜散電容禍合作用的屏蔽,應(yīng)該在設(shè)計初始階段就全面加以考慮。
屏蔽方法:將一塊金屬板置于兩個被屏蔽的電路中間,并使各金屬板與地作電氣連接,如圖l所示。這樣從一點發(fā)出的電力線均被屏蔽板擋住,即起到靜電屏蔽作用。
也可作成屏蔽罩,如圖2所示,也能獲得好的屏蔽效果。由圖2看出,A點的電力線也達不到B點,因此也能起到良好的靜電屏蔽作用。
加大A、B距離,以減小雜散電容,也可減弱電容禍合作用,但這種方法受到體積限制,一般無法采用。特別要注意靜電屏蔽體與地之間的接觸必須良好,若接觸不好,屏蔽體與地之間將有電位差,影響屏蔽效果。因此要求屏蔽盒應(yīng)作導電防腐處理,所用螺釘,鉚釘?shù)裙潭ú灰颂?,盡量使電接觸良好,減小接地電阻,減小接地電感。
2磁屏蔽
電流在導線中流動,流過電感線圈和變壓器時,其周圍產(chǎn)生磁場,磁場通過電路中的互感來傳播,電流產(chǎn)生的磁力線,通過互感在其它電路中感應(yīng)出電壓。
尤其在3KH:以下的低頻條件下,主要干擾影響是由磁場引起的,但解決磁屏蔽往往既昂貴又困難。在雷達中,磁屏蔽主要針對電源變壓器和高壓調(diào)制器。一般低紋波電源的變壓器常都采用坡莫合金加以屏蔽,否則達不到良好效果。
3電磁屏蔽
任何一種交流電路都會產(chǎn)生交變的電場和磁場。電磁屏蔽與電磁場的性質(zhì)、變化頻率、及輻射源和受感器之間的距離等有關(guān)。在雷達電子電路系統(tǒng)中,工作頻率一般都較高,在IKHz以上,一般可選用鋁為電磁屏蔽材料。用切削工藝制成的鋁屏蔽盒,對300MHz信號屏蔽隔離可達100dB以上。當頻率在]KHz以下,主要對磁場進行屏蔽,應(yīng)選擇高導磁率的材料。
在電子電路系統(tǒng)中,為了內(nèi)部走線及取出放置電路方便,給屏蔽組裝盒加有蓋板,有時為了通風、散熱等需要,在屏蔽板上打孔,開縫,造成屏蔽體出現(xiàn)間斷點,引起信號泄漏,形成干擾,設(shè)計者應(yīng)認真考慮。正確排列元件的位置,使縫和孔不要切斷感應(yīng)電流,必要時可將孔改用截止波導管,使孔輻射進一步削弱。
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屏蔽組裝設(shè)計
除了屏蔽設(shè)計以外,組裝技術(shù)也很重要,尤其是對射頻系統(tǒng)的組裝,更應(yīng)細心設(shè)計。
一般應(yīng)注意下面幾點。
a、內(nèi)部電路的屏蔽設(shè)計,應(yīng)能防止電子線路自身的射頻能量泄漏,同時也防止外界電磁能量對它的影響。
b、采取措施,防止電路級與級之間不必要的反饋和禍合。
c、對電源加濾波去鍋措施,衰減抑制射頻信號在電子組合內(nèi)部和電子組合與組合之間傳導。
d、射頻接地電阻越小越好。
當然還必須兼顧體積、重量、成本等方面的要求。
當電路之間對寄生場的衰減要求較高時,用組裝盒結(jié)構(gòu)形式較好,它可作成單隔離室形式,也可設(shè)計成多個隔離室形式,即一個屏蔽盒,內(nèi)分幾個隔離室,這樣的組裝盒對靜電場和電磁場均有較好的隔離。制造組裝盒的材料最好選用鋁,它既便宜又輕,對雷達的電路系統(tǒng),隔離效果一般都很好。
在裝配這些屏蔽體時,常遇到長縫泄漏,對此應(yīng)采取必要措施,使長縫上能有許多接觸點??捎迷黾勇葆敚釉O(shè)彈性片和加襯導電襯墊等措施。但是這樣作一定要注意防腐蝕,尤其電化防腐蝕,否則不能長期保持滿意的效果。
還應(yīng)考慮射頻導線的干擾,合理選取傳輸信號的幅度,正確安排系統(tǒng)電纜走向,脈沖信號線。交流信號線相互不應(yīng)綁在一起,尤其大幅度的脈沖信號,與高純度的信號在傳輸時應(yīng)嚴加區(qū)別。
總之,屏蔽設(shè)計是一項較為復雜的設(shè)計,它不僅需要機械設(shè)計知識,還必須熟悉所涉及的電尸各和多方而的知識。