【導(dǎo)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(dá)能在惡劣的電磁干擾環(huán)境中可靠工作，這就對(duì)雷達(dá)電路系統(tǒng)的抗電磁干擾能力和電磁兼容設(shè)計(jì)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(dá)電路的電磁干擾和EMC設(shè)計(jì)，供大家學(xué)習(xí)。
現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)信號(hào)頻譜質(zhì)量的要求越來越高，并要求雷達(dá)能在惡劣的電磁干擾環(huán)境中可靠工作，這就對(duì)雷達(dá)電路系統(tǒng)的抗電磁干擾能力和電磁兼容設(shè)計(jì)提出了更高的要求。由于雷達(dá)信號(hào)的寄生輸出，除了在信號(hào)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(jì)、工藝設(shè)計(jì)及信號(hào)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(jì)正確外，還必須注意以下幾點(diǎn)。
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(hào)。
b、裝配設(shè)計(jì)、電路布局及排列等必須正確合理。
c、應(yīng)采用先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)。
d、加強(qiáng)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(jì)
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(shí)，除了系統(tǒng)方案的正確，電磁兼容設(shè)計(jì)也是十分重要的。尤其對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)中的高穩(wěn)定信號(hào)系統(tǒng)和一些復(fù)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(jì)就更為重要。下面將詳細(xì)分析電路系統(tǒng)的電磁兼容間題，并提出有關(guān)的實(shí)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(jìn)來的干擾及干擾磁場(chǎng)等引起的干擾信號(hào);第二種是系統(tǒng)本身產(chǎn)生的干擾信號(hào)，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(chǎng)干擾信號(hào)。要抑制或削弱這些干擾信號(hào)必須對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)心的電磁兼容設(shè)計(jì)。
a、對(duì)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(jí)之間加靜電屏蔽，以隔離初級(jí)電網(wǎng)串進(jìn)來的干擾。重要電源還應(yīng)對(duì)整個(gè)變壓器加罩高導(dǎo)磁材料進(jìn)行磁屏蔽，抑制變壓器磁場(chǎng)及外界磁場(chǎng)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(yuǎn)離電子電路，以便使電源頻率的干擾及交流電源磁場(chǎng)的干擾降到最低水平。
c、電路系統(tǒng)中，若同時(shí)有模擬電路和數(shù)字電路時(shí)，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(shí)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(dāng)?shù)拇牌帘尾牧虾碗姶牌帘尾牧希瑫r(shí)必須兼顧尺寸、重量和成本。
2信號(hào)傳輸系統(tǒng)的電磁兼容
信號(hào)傳輸過程中的干擾主要有兩個(gè)方面。一是信號(hào)通過傳輸線時(shí)，在其周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，這些電磁場(chǎng)會(huì)在周圍的導(dǎo)體中感應(yīng)出電流，形成干擾信號(hào);二是信號(hào)在傳輸過程中，一般都有反射，反射信號(hào)串入其他電路形成干擾信號(hào)。克服傳輸引起的干擾一般可采取下列措施。
a、加強(qiáng)電磁屏蔽，對(duì)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(qiáng)傳輸信號(hào)的匹配、隔離，使信號(hào)的輸入、輸出均有匹配網(wǎng)絡(luò)，適當(dāng)增加隔離級(jí)以降低反射干擾。
c、抑制一切無用信號(hào)，即使落在電路頻帶外的信號(hào)，也應(yīng)采取抑制措施。因?yàn)槠胀ǖ姆糯笃鳌⒈额l器、混頻器和分頻器中均有非線性存在，都可能把帶外信號(hào)變換到電路的有效頻帶范圍內(nèi)。因此，必要時(shí)應(yīng)增加各種濾波器以抑制無用信號(hào)。
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(duì)它們合理布置，并盡量縮短其長(zhǎng)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(hào)地，數(shù)字信號(hào)地和噪聲地分開，有些系統(tǒng)還要單獨(dú)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(hào)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(jī)等。這幾種地線在電路系統(tǒng)中不應(yīng)混淆相連，使它們?cè)谙到y(tǒng)外單點(diǎn)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(jì)
電磁兼容不能只看成是電路設(shè)計(jì)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(jì)。因?yàn)椴徽撌墙拥鼐€的設(shè)置，電纜走向安排，還是電子組合的屏蔽體設(shè)計(jì)，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(dǎo)效果，這是工藝方面的問題。下述幾個(gè)問題設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)周期性脈沖信號(hào)電路，最好讓它起止于同一個(gè)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(shí)可用光電耦合器件將它們完全隔離。
c、傳輸高穩(wěn)定信號(hào)的電纜，必要時(shí)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(hào)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(duì)電磁場(chǎng)的輻射抵制優(yōu)于立體電路，可大大降低場(chǎng)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(jì)
在電磁兼容的設(shè)計(jì)中，屏蔽體設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)方面。屏蔽是抑制一切無關(guān)信號(hào)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(gè)帶電物體均可產(chǎn)生靜電場(chǎng)，其中一方電壓的變化必定會(huì)引起另一方的變化，產(chǎn)生靜電禍合。靜電藕合的機(jī)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(gè)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(duì)雜散電容禍合作用的屏蔽，應(yīng)該在設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)的電力線也達(dá)不到B點(diǎn)，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(dǎo)電防腐處理，所用螺釘，鉚釘?shù)裙潭ú灰颂。M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(dǎo)線中流動(dòng)，流過電感線圈和變壓器時(shí)，其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)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(chǎng)引起的，但解決磁屏蔽往往既昂貴又困難。在雷達(dá)中，磁屏蔽主要針對(duì)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(dá)不到良好效果。
3電磁屏蔽
任何一種交流電路都會(huì)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。電磁屏蔽與電磁場(chǎng)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(dá)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(duì)300MHz信號(hào)屏蔽隔離可達(dá)100dB以上。當(dāng)頻率在］KHz以下，主要對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，應(yīng)選擇高導(dǎo)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(shí)為了通風(fēng)、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(diǎn)，引起信號(hào)泄漏，形成干擾，設(shè)計(jì)者應(yīng)認(rèn)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(shí)可將孔改用截止波導(dǎo)管，使孔輻射進(jìn)一步削弱。
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屏蔽組裝設(shè)計(jì)
除了屏蔽設(shè)計(jì)以外，組裝技術(shù)也很重要，尤其是對(duì)射頻系統(tǒng)的組裝，更應(yīng)細(xì)心設(shè)計(jì)。
一般應(yīng)注意下面幾點(diǎn)。
a、內(nèi)部電路的屏蔽設(shè)計(jì)，應(yīng)能防止電子線路自身的射頻能量泄漏，同時(shí)也防止外界電磁能量對(duì)它的影響。
b、采取措施，防止電路級(jí)與級(jí)之間不必要的反饋和禍合。
c、對(duì)電源加濾波去鍋措施，衰減抑制射頻信號(hào)在電子組合內(nèi)部和電子組合與組合之間傳導(dǎo)。
d、射頻接地電阻越小越好。
當(dāng)然還必須兼顧體積、重量、成本等方面的要求。
當(dāng)電路之間對(duì)寄生場(chǎng)的衰減要求較高時(shí)，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(jì)成多個(gè)隔離室形式，即一個(gè)屏蔽盒，內(nèi)分幾個(gè)隔離室，這樣的組裝盒對(duì)靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)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(duì)雷達(dá)的電路系統(tǒng)，隔離效果一般都很好。
在裝配這些屏蔽體時(shí)，常遇到長(zhǎng)縫泄漏，對(duì)此應(yīng)采取必要措施，使長(zhǎng)縫上能有許多接觸點(diǎn)。可用增加螺釘，加設(shè)彈性片和加襯導(dǎo)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(zhǎng)期保持滿意的效果。
還應(yīng)考慮射頻導(dǎo)線的干擾，合理選取傳輸信號(hào)的幅度，正確安排系統(tǒng)電纜走向，脈沖信號(hào)線。交流信號(hào)線相互不應(yīng)綁在一起，尤其大幅度的脈沖信號(hào)，與高純度的信號(hào)在傳輸時(shí)應(yīng)嚴(yán)加區(qū)別。
總之，屏蔽設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，它不僅需要機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，還必須熟悉所涉及的電尸各和多方而的知識(shí)。
