【導(dǎo)讀】筆者結(jié)合十幾年來對(duì)海、陸、空各種安裝平臺(tái)上的軍工電子設(shè)備從事電磁兼容性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作的實(shí)踐，針對(duì)軍標(biāo)電磁兼容性試驗(yàn)的各項(xiàng)主要考核要求，提供一些有利于使試驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)標(biāo)的實(shí)用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。
近20年來，軍工電子設(shè)備對(duì)于電磁工作環(huán)境的兼容性能日益受到重視。EMC不僅與溫度、濕度、振動(dòng)等并列成為考核軍工設(shè)備環(huán)境適應(yīng)能力的重要指標(biāo)，而且對(duì)某些軍工電子設(shè)備來講，電磁兼容性更是提到了所有各種環(huán)境要求中最重要的位置。這是因?yàn)楝F(xiàn)代軍工裝備的電子化程度大幅度提高后，軍工電子設(shè)備的功率譜和頻率譜不斷向高端和低端兩個(gè)方向延伸，軍工電子設(shè)備在海、陸、空各種平臺(tái)上的安裝密集度也大幅增加，導(dǎo)致各電子設(shè)備相互之間的電磁干擾(EMI)問題越來越突出。因此，要求軍工電子設(shè)備必須具有規(guī)定的電磁兼容能力已成為從事設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用有關(guān)各方的共識(shí)。
為了考核軍工電子設(shè)備的EMC性能，幾乎所有的軍工電子設(shè)備都要求必須通過國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁兼容性試驗(yàn)測(cè)試。因此，近年來有關(guān)軍工電子設(shè)備電磁兼容性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和達(dá)標(biāo)技術(shù)受到了前所未有的關(guān)注。
與其他環(huán)境條件的考核要求不同，“電磁兼容性”的檢驗(yàn)不僅要考核設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，還要考核該設(shè)備的存在是否會(huì)造成不利于容納其他設(shè)備正常工作的電磁環(huán)境。因此，電磁兼容性試驗(yàn)是雙向性的試驗(yàn)，受測(cè)試設(shè)備(EUT)必須在承受外部電磁干擾和不對(duì)外產(chǎn)生電磁干擾兩方面同時(shí)達(dá)標(biāo)才算合格。又因?yàn)殡姶判盘?hào)能夠通過電路傳導(dǎo)和空間輻射2種途徑產(chǎn)生效應(yīng)，所以，為使軍工電子設(shè)備能夠在電磁兼容性試驗(yàn)中達(dá)標(biāo)，必須在設(shè)備的電子電氣系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)兩方面協(xié)調(diào)采取措施。這些因素決定了電磁兼容性試驗(yàn)相對(duì)其他的例行環(huán)境試驗(yàn)來說更為復(fù)雜，達(dá)標(biāo)也更不容易。
對(duì)從事軍工電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的人員來說，除了要掌握與設(shè)備有關(guān)的專業(yè)知識(shí)和必不可少的電磁學(xué)、電子學(xué)、電工學(xué)方面的基礎(chǔ)知識(shí)以及有關(guān)材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)外，還必須熟悉有關(guān)電磁兼容性試驗(yàn)的軍用標(biāo)準(zhǔn)，并盡可能詳細(xì)地了解各項(xiàng)試驗(yàn)的物理含義及對(duì)試驗(yàn)測(cè)試的要求等方面的內(nèi)容。
圍繞GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)¨ 的主要條文，筆者結(jié)合十幾年來對(duì)海、陸、空各種安裝平臺(tái)上的軍工電子設(shè)備從事電磁兼容性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作的實(shí)踐，針對(duì)軍標(biāo)電磁兼容性試驗(yàn)的各項(xiàng)主要考核要求，提供一些有利于使試驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)標(biāo)的實(shí)用技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。
1 GJB151A一97標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介
GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)全稱為“軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求”，是我國(guó)為軍用電子、電氣、機(jī)電等設(shè)備和分系統(tǒng)的研制和訂購制定的關(guān)于設(shè)備電磁發(fā)射和敏感度特性的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了軍用設(shè)備必須滿足的EMC要求。該標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)批準(zhǔn)，發(fā)布于1997年5月23日，于1997年12月1日起實(shí)施。與該標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)并同期發(fā)布和實(shí)施的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是GJB152A－97標(biāo)準(zhǔn)[2]“軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測(cè)量”，規(guī)定了GJB151A－97標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)量方法。
GJB151A－97標(biāo)準(zhǔn)的前身是發(fā)布于1986年的GJB151A－86標(biāo)準(zhǔn)，新版標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)外軍標(biāo)(主要是美國(guó)軍標(biāo)MIL)對(duì)老標(biāo)準(zhǔn)作了修訂，對(duì)一些指標(biāo)作出了更嚴(yán)格的要求。
根據(jù)GJB151A－97標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，軍用電子設(shè)備的EMC試驗(yàn)包括下列19項(xiàng)：
· CE101 25 Hz～10 kHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射
· CE102 10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射
· CE106 10 kHz～40 GHz天線端子傳導(dǎo)發(fā)射
· CE107電源線尖峰信號(hào)(時(shí)域)傳導(dǎo)發(fā)射
· CS101 25 Hz～50 kHz電源線傳導(dǎo)敏感度．
· CS103 15 kHz～10 GHz天線端子互調(diào)傳導(dǎo)敏感度
· CS104 25 Hz～20 GHz天線端子無用信號(hào)抑制傳導(dǎo)敏感度
· CS105 25 Hz～20 GHz天線端子交調(diào)傳導(dǎo)敏感度
· CS106電源線尖峰信號(hào)傳導(dǎo)敏感度
· CS109 50 Hz～100 kHz殼體電流傳導(dǎo)敏感度
· CS114 10 kHz～400 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度
· CS1 15電纜束注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度
· CS116 10 kHz～100 MHz電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導(dǎo)敏感度
· REIO1 25 Hz～100 kHz磁場(chǎng)輻射發(fā)射
· RE102 10 kHz～18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射
· RE103 10 kHz～40 GHz天線諧波和亂真輸出輻射發(fā)射
· RSIO1 25 Hz～100 kHz磁場(chǎng)輻射敏感度
· RS103 10 kHz 40 GHz電場(chǎng)輻射敏感度
· RS105瞬變電磁場(chǎng)輻射敏感度
對(duì)于各種不同的軍用安裝平臺(tái)，上述19項(xiàng)EMC試驗(yàn)并非全部是必做的。所謂的軍用安裝平臺(tái)分為水面艦船、潛艇、陸軍飛機(jī)(含航線保障設(shè)備)、海軍飛機(jī)、空軍飛機(jī)、空間系統(tǒng)(含運(yùn)載火箭)、陸軍地面、海軍地面、空軍地面9類。在GJB151A－97標(biāo)準(zhǔn)中，每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)每種平臺(tái)的適用性都作出了規(guī)定。
對(duì)于要求進(jìn)行EMC試驗(yàn)的軍用電子設(shè)備，通常在所有試驗(yàn)項(xiàng)目中，CE102、CSIO1、CS114、RE102、RS103這5項(xiàng)是最主要的必做項(xiàng)目。對(duì)裝載于艦船和飛機(jī)上的設(shè)備，還往往要求做CE101、CS115、CS116、RE101、RS101中的一些項(xiàng)，連同前述的5項(xiàng)，總的必做試驗(yàn)項(xiàng)目在7項(xiàng)到9項(xiàng)之間。其余項(xiàng)目由訂購單位根據(jù)有關(guān)規(guī)范確定是否需做試驗(yàn)。
2 軍工電子設(shè)備的EMC特點(diǎn)和設(shè)計(jì)對(duì)策
軍工電子設(shè)備相對(duì)于一般的非軍工類電子設(shè)備或非電子類軍工設(shè)備來說，其電磁兼容性有如下一些特點(diǎn)。
1．安裝密集度高。出于戰(zhàn)術(shù)技術(shù)方面的考慮，軍工電子設(shè)備的安裝非常緊湊，大量功能各異的軍工電子設(shè)備密集于狹小的空間內(nèi)，使得設(shè)備間的電磁干擾問題特別突出。
2．強(qiáng)弱信號(hào)共存。幾乎所有種類的軍工電子設(shè)備都要同時(shí)處理幅度相差懸殊的強(qiáng)弱多種信號(hào)。強(qiáng)信號(hào)對(duì)外部設(shè)備造成干擾，弱信號(hào)又對(duì)外部干擾極為敏感。
3．頻譜分布廣。軍工電子設(shè)備充分利用了頻率資源，占用了從直流到微波的各個(gè)頻帶。有的設(shè)備如雷達(dá)等工作于脈沖方式，覆蓋了廣闊的頻率范圍，對(duì)周邊設(shè)備造成強(qiáng)烈干擾。
4．共用電源和地線。各種安裝平臺(tái)上的大量軍工電子設(shè)備往往共用電源和備份電源、共用地線，使得通過電源耦合和地線耦合造成的相互干擾不能忽視。
5．設(shè)備機(jī)電結(jié)構(gòu)的回旋余地小。軍工電子設(shè)備結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，設(shè)備內(nèi)部冗余空間小。如果在設(shè)計(jì)后期才對(duì)設(shè)備進(jìn)行EMC強(qiáng)化，往往會(huì)與設(shè)備的原有機(jī)械結(jié)構(gòu)或電氣布局發(fā)生沖突，這時(shí)就難以兼顧各方面的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)。
由于以上這些特點(diǎn)，決定了軍工電子設(shè)備的EMC設(shè)計(jì)比一般的電子設(shè)備更為復(fù)雜和困難，電磁兼容性試驗(yàn)的達(dá)標(biāo)難度更高。要設(shè)計(jì)符合GJB151A．97電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的軍工電子設(shè)備，首先要遵循通用的EMC設(shè)計(jì)原則，再在這個(gè)基礎(chǔ)上強(qiáng)化EMC措施，尤其要關(guān)注電源、機(jī)箱屏蔽、電路設(shè)計(jì)、接地質(zhì)量這幾方面。
2．1 電源和EMC的關(guān)系
在GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)中，CE101、CE102、CE107、CS101、CS106這5項(xiàng)是直接與電源有關(guān)的，CS114、CS115和CS116這3項(xiàng)與電源電纜有關(guān)，其余輻射發(fā)射和敏感度的項(xiàng)目間接與電源有關(guān)。因此可以說，軍工電子設(shè)備的EMC設(shè)計(jì)，第1步要做好的就是設(shè)備電源的EMC設(shè)計(jì)。
2．1．1 電源EMC設(shè)計(jì)的主要對(duì)策
(1)電源輸入端的電磁屏蔽和電源線濾波。電源線一進(jìn)入機(jī)箱就要直接連接到電源濾波器上，或者采用輸入端兼做電源插座的電源濾波器。電源濾波器的安裝很有講究，濾波器的輸出線要遠(yuǎn)離輸入線，金屬外殼要大面積接地。如果把進(jìn)出濾波器的電源線捆扎在一起，這個(gè)濾波器就幾乎等于沒用。
(2)使用隔離變壓器。如果采用交流電源，在成本和安裝條件許可的情況下，最好使用隔離變壓器。最簡(jiǎn)單的隔離變壓器是在初次級(jí)間有屏蔽隔離層的電源變壓器，這種變壓器能夠起到安全防護(hù)、變壓、隔離地線環(huán)流、提高共模干擾抑制能力等多種作用，而且其濾波特性能夠和電源濾波器互補(bǔ)。
(3)合理設(shè)計(jì)二次電源。設(shè)備的二次電源有開關(guān)電源和線性電源2種。雖然開關(guān)電源對(duì)外來干擾有一定的抑制能力，但不少開關(guān)電源對(duì)外的輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射過大，致使在EMC試驗(yàn)時(shí)，能通過敏感度項(xiàng)目卻通不過發(fā)射項(xiàng)目。因此，在低功耗電路中，如可不用開關(guān)電源就盡量不用，選用線性穩(wěn)壓器可避免產(chǎn)生對(duì)外干擾。
(4)電源的整體屏蔽。鑒于電源部分在電子設(shè)備EMC性能方面的重要性，還可以在屏蔽機(jī)箱內(nèi)部把電源部分整體再屏蔽在另一個(gè)與其它部分隔離的空間內(nèi)，形成對(duì)電源的整體屏蔽。
2．2 機(jī)箱電磁屏蔽
機(jī)箱電磁屏蔽是防止空間電磁輻射最基本也是最有效的辦法，在GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)中，RE101、RE102、RS101、RS103、RS105這5項(xiàng)與機(jī)箱的屏蔽直接有關(guān)，其余與電纜有關(guān)的項(xiàng)目也間接與機(jī)箱屏蔽有關(guān)，因?yàn)殡娎|是要通過機(jī)箱進(jìn)出的。
2．2．1 設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱的幾點(diǎn)原則
(1)保證屏蔽層的導(dǎo)電連續(xù)性。理論分析和EMC試驗(yàn)都證明，電磁屏蔽體上的細(xì)長(zhǎng)縫隙將使屏蔽效果大打折扣。因此，機(jī)箱結(jié)構(gòu)上的所有外部縫隙都要實(shí)現(xiàn)連續(xù)且有良好的導(dǎo)電接觸。而對(duì)于直徑小于屏蔽機(jī)箱厚度的小孔，一般不必?fù)?dān)心影響EMC效果。
(2)妥善處理機(jī)箱的各種開口。機(jī)箱開口主要用來安裝開關(guān)、按鈕、指示燈與顯示屏等。開口較大時(shí)，如果難以在所安裝器件的前面采取屏蔽措施，也要在器件的后面加裝屏蔽層(后置屏蔽法)，并對(duì)穿過屏蔽層的導(dǎo)線做濾波處理。
(3)正確選擇和安裝機(jī)箱接插件，解決電纜屏蔽問題。進(jìn)出機(jī)箱的線纜如處理不當(dāng)，會(huì)減弱甚至失去機(jī)箱屏蔽效能。因此，連接至機(jī)箱插座的外部線纜可加外屏蔽層，并且線纜的外屏蔽層要和機(jī)箱的屏蔽層保持導(dǎo)電連續(xù)性。安裝在機(jī)箱上的插座要選用符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽型接插件。機(jī)箱上安裝插座的接觸面不能有漆膜或涂塑層等任何絕緣材料。
(4)機(jī)箱散熱最好采用自然風(fēng)冷的方式，允許有一些小的散熱孔。如果要安裝散熱風(fēng)扇的話，需要在風(fēng)扇外側(cè)安裝截止波導(dǎo)式屏蔽通風(fēng)板。
2．3 電路設(shè)計(jì)中的EMC對(duì)策
電路EMC設(shè)計(jì)的基本原則已有許多文獻(xiàn)述及，此處僅提一下幾個(gè)實(shí)用的具體細(xì)節(jié)。
1)應(yīng)用多層印制電路板和表面貼裝元器件。具有電源層和地線層的4層以上印制電路板的EMC特性優(yōu)于普通的單、雙面印制電路板，在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采用多層板。表面貼裝元器件的等效電磁輻射面積顯著小于插裝式元器件，具有更好的EMC性能。所以多層電路板加表面貼裝元器件的組合應(yīng)當(dāng)成為符合GJBI51A－97標(biāo)準(zhǔn)要求的印制電路板設(shè)計(jì)首選。
2)信號(hào)傳感器的選用和傳感信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)。傳感器一般安裝在設(shè)備主機(jī)箱以外，因此，對(duì)主機(jī)箱采取的電磁屏蔽措施覆蓋不到傳感器。又由于來自傳感器的信號(hào)十分微弱，所以傳感器經(jīng)常成為電子設(shè)備中最易遭受外部電磁干擾的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是在做RS101和RS103測(cè)試時(shí)。
傳感放大器有單端輸入式和差分輸入式之別。從理論上講，理想的平衡輸入差分放大器抑制共模干擾信號(hào)的能力很強(qiáng)，因此一般應(yīng)采用這種輸入方式。但當(dāng)干擾信號(hào)大到一定程度時(shí)(如RS103試驗(yàn)時(shí)干擾場(chǎng)強(qiáng)最大可達(dá)200 V／m)，可能導(dǎo)致有源差分放大器的工作范圍脫離線性區(qū)，使共模抑制失效。實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果也表明，在嚴(yán)密屏蔽和良好接地的條件下，單端輸入式的傳感放大器抗干擾能力有時(shí)更勝一籌。因此，究竟選用哪種輸入放大電路，還需結(jié)合實(shí)際情況決定。
3)強(qiáng)化有源器件的高頻旁路。按照GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)做RS103項(xiàng)目的試驗(yàn)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況：干擾信號(hào)為等幅波時(shí)，輸出信號(hào)不受干擾；干擾信號(hào)為調(diào)幅波時(shí)，輸出信號(hào)中就有了干擾。經(jīng)分析，可能是調(diào)幅波干擾信號(hào)竄入電路后，由于有源器件的非線性響應(yīng)產(chǎn)生了高頻檢波，從而造成干擾。為防止這種情況，強(qiáng)化對(duì)有源器件的高頻旁路可起一些作用。
2．4 注重接地質(zhì)量
在電源、屏蔽和電路設(shè)計(jì)這3方面，都必須高度關(guān)注地線和接地質(zhì)量問題。接地質(zhì)量首先體現(xiàn)在要正確接地，即選擇正確的接地點(diǎn)和接地方式；再則是要可靠接地，接地面積要大、接地線要粗而短、接地螺栓要安裝緊固，以減小接地電阻。
綜上所述，對(duì)軍工電子設(shè)備進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)依次是電源、屏蔽、電路，而對(duì)接地的設(shè)計(jì)考慮則自始至終貫穿于這3個(gè)方面。
3 針對(duì)各項(xiàng)軍標(biāo)EMC試驗(yàn)的達(dá)標(biāo)技術(shù)
電磁干擾的物理本質(zhì)是電磁場(chǎng)的相互作用。從理論上來講，有關(guān)電磁場(chǎng)的任何問題，都可以通過求解Maxwell方程組來得到精確的解答。但大多數(shù)軍工電子設(shè)備由數(shù)量眾多的結(jié)構(gòu)件和電子元件組成，電磁場(chǎng)的空間分布非常復(fù)雜，閨此，在求解Maxwell方程組時(shí)無法得到足夠精確的、與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相一致的邊界條件。而眾所周知，數(shù)學(xué)物理方程的解是強(qiáng)烈地依賴于邊界條件的。只要在理論計(jì)算中假定的邊界條件與實(shí)際分布有細(xì)微的差別，計(jì)算得出的結(jié)果就可能變得毫無意義。在這樣的情況下，實(shí)用經(jīng)驗(yàn)仍然在軍工電子設(shè)備EMC設(shè)計(jì)中起著相當(dāng)重要的作用。
在GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)所列出的全部19項(xiàng)EMC試驗(yàn)中，有5項(xiàng)和天線有關(guān)。如果被測(cè)試的不是無線通信類設(shè)備，這5項(xiàng)一般不需要做。CS109和RS105這2項(xiàng)試驗(yàn)通常做得較少。余下的12項(xiàng)試驗(yàn)，按其性質(zhì)可分成4類：傳導(dǎo)發(fā)射類試驗(yàn)、傳導(dǎo)敏感度類試驗(yàn)、輻射發(fā)射類試驗(yàn)、輻射敏感度類試驗(yàn)。以下針對(duì)這4類電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目，以測(cè)試達(dá)標(biāo)為目的，介紹一些經(jīng)實(shí)踐證明有效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)。
3．1 傳導(dǎo)發(fā)射類試驗(yàn)
傳導(dǎo)發(fā)射類試驗(yàn)包括CE101、CE102、CE107。前2項(xiàng)屬于電源線常規(guī)傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)，都是測(cè)試EUT傳導(dǎo)發(fā)射到電源線上的信號(hào)，區(qū)別是所測(cè)試的傳導(dǎo)發(fā)射頻段不同；后1項(xiàng)測(cè)試EUT從電源線傳導(dǎo)發(fā)射出的尖峰信號(hào)。這3項(xiàng)傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)所針對(duì)的都是EUT電源對(duì)環(huán)境的干擾，要求必須在規(guī)定值之下，以防止任何1臺(tái)設(shè)備經(jīng)由共用電源去干擾其他設(shè)備。
EUT的電源線傳導(dǎo)發(fā)射信號(hào)有2個(gè)來源：來自EUT的功能電路和來自EUT的電源電路。在電源電路里阻斷EMI信號(hào)的傳導(dǎo)發(fā)射，主要手段是隔離和濾波。如果EUT是交流供電的，最簡(jiǎn)單的隔離方法是采用具有屏蔽隔離層的電源變壓器，對(duì)于低頻段的EMI有較強(qiáng)的隔離功能。
在直流供電的情況下，為達(dá)到隔離的目的，要使用輸出和輸入不共地的DC／DC變換器。但DC／DC變換器采用脈寬調(diào)制技術(shù)，本身就是一個(gè)干擾源，因此，選型十分重要，應(yīng)盡量選用低EMI的DC／DC變換器。
電源進(jìn)線處的濾波器必不可少。由于該濾波器為對(duì)稱無源電路結(jié)構(gòu)，能夠起到雙向隔離濾波作用，不僅能阻擋外來干擾進(jìn)入EUT，同時(shí)也防止內(nèi)部干擾傳向外部。但電源濾波器主要用于濾除高頻段的干擾，對(duì)低頻段干擾基本無效。
電源電路的輸出濾波也很重要。對(duì)于功率型的電子設(shè)備，當(dāng)負(fù)載功率變化時(shí)，造成電源供電變化，進(jìn)而造成外部線上電源波動(dòng)。如果這個(gè)波動(dòng)的頻率超過25 Hz且幅度過大，CE101就不能達(dá)標(biāo)。在電源電路的輸出端并聯(lián)大容量濾波電容器，利用電容的儲(chǔ)能作用，能夠使電源波動(dòng)平滑化。只要把電源波動(dòng)的頻率降到25 Hz以下，就可避開CE101試驗(yàn)頻率的下限使試驗(yàn)達(dá)標(biāo)。對(duì)于信號(hào)型的電子設(shè)備，前端電路通過電源傳出去的干擾信號(hào)能量主要集中在高頻段，要使用高頻性能優(yōu)良的小容量濾波電容器。又因?yàn)榉€(wěn)壓電源輸出端的交流等效阻抗很低，單純并聯(lián)電容的濾波效果不明顯，所以還要結(jié)合采用串聯(lián)電感的方法來提高高頻阻抗，增強(qiáng)濾波電容的旁路效果，以濾除高頻干擾。
采用這些方法，參照EUT的功率、工作頻率來選定所用抗干擾器件的參數(shù)，就能使CE101和CE102試驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)標(biāo)。
CE107項(xiàng)目測(cè)試電源線尖峰信號(hào)對(duì)外的傳導(dǎo)發(fā)射干擾。電子設(shè)備工作時(shí)可能產(chǎn)生各種類型的尖峰干擾信號(hào)，但從傳導(dǎo)功率的強(qiáng)度和對(duì)共用電源的影響方面來考慮，EUT的電源開關(guān)是尖峰干擾的一個(gè)主要來源。如在某工程的一次多設(shè)備EMC聯(lián)合測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)每當(dāng)某設(shè)備啟閉電源時(shí)，都會(huì)造成鄰近的另一臺(tái)設(shè)備死機(jī)。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)前一臺(tái)設(shè)備未通過CE107試驗(yàn)，影響了相鄰設(shè)備。可使CE107達(dá)標(biāo)的辦法較多，可在電源開關(guān)上并聯(lián)尖峰干擾吸收電路，或把設(shè)備電源從冷啟動(dòng)改為熱啟動(dòng)，或用無觸點(diǎn)開關(guān)代替機(jī)械開關(guān)，或者降低開關(guān)接通／關(guān)閉時(shí)電流上升／下降的速率等。
3．2 傳導(dǎo)敏感度類試驗(yàn)
傳導(dǎo)敏感度類試驗(yàn)包括CS101、CS106、CS114、CS115、CSI16。前2項(xiàng)針對(duì)EUT的電源線做試驗(yàn)，后3項(xiàng)測(cè)試的是連接到EUT的所有電纜(包括電源線)。本類試驗(yàn)測(cè)試EUT對(duì)通過電纜傳人的外來干擾的敏感度，要求在規(guī)定的外來干擾傳人時(shí)，EUT對(duì)干擾不敏感，能保持正常工作。
CS101和CS106這2項(xiàng)試驗(yàn)要求EUT在來自電源線的傳導(dǎo)干擾信號(hào)作用下能夠正常工作，3．1節(jié)中有關(guān)電源的隔離、濾波等措施在這里同樣適用。不過一般來說，傳導(dǎo)敏感度測(cè)試比傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試更難達(dá)標(biāo)。這是因?yàn)樵趥鲗?dǎo)發(fā)射測(cè)試時(shí)，被測(cè)信號(hào)是來自設(shè)備的，而設(shè)備依據(jù)其功能和用途的不同，并不一定會(huì)有干擾向外傳導(dǎo)發(fā)射，或者即使有的話，傳導(dǎo)發(fā)射出的干擾信號(hào)幅度和頻率也不一定落在被測(cè)的范圍內(nèi)。比如當(dāng)被測(cè)設(shè)備內(nèi)部只有低頻小信號(hào)電路時(shí)，傳導(dǎo)發(fā)射類試驗(yàn)就較易過關(guān)。而在做傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)時(shí)，干擾信號(hào)來自外部，EUT必須在整個(gè)頻段內(nèi)防御外來干擾。對(duì)付這種干擾，單純依靠電源濾波器是不夠的。對(duì)低頻段來說，要求的濾波電容容量很大，一般的電源濾波器不能使用這么大的電容容量。因?yàn)殡娫礊V波器的濾波電容跨接在電源線和接地平面之間，過大的濾波電容會(huì)使旁路的干擾電流通過公共地線耦合到同一接地平面的其他設(shè)備中去，反而會(huì)造成新的電磁干擾。這一點(diǎn)對(duì)于裝載在艦船上的設(shè)備來講尤為突出。所以在GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)電源輸入端的接地濾波電容容量上限是有限制的，一般應(yīng)該小于0．1μF。
既要阻擋住來自電源線的EMI，又不能采用大容量的濾波電容，這時(shí)可選用能夠吸收和衰耗EMI的器件。磁環(huán)和磁柱等就是這類器件。在電源輸入端采用合適的磁性元件能夠有效地吸收EMI能量。這些磁性元件有許多品種規(guī)格，在滿足適用頻率要求的前提下，一般可選擇導(dǎo)磁率高的品種，但要避免在使用中出現(xiàn)磁飽和而使抗干擾性能失效。把輸入的一對(duì)電源線并排在磁環(huán)上繞幾圈，或并在一起穿過磁柱，可使電源電流一去一回產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，避免磁飽和，共模干擾得到了抑制。在EMC測(cè)試時(shí)有過這樣的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)CS101就差一點(diǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，在電源線上串1個(gè)磁環(huán)，往往可收到立竿見影的效果。
對(duì)于傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)項(xiàng)目CS114、CS115、CS116來說，干擾頻率范圍從10 kHz到數(shù)百M(fèi)Hz，可采用高頻濾波和低頻電磁衰耗相結(jié)合的抗干擾措施。現(xiàn)在市面上已有商品化的EMI三端濾波器，其內(nèi)部綜合采用了磁珠、電感和高頻電容，組成T型或雙T型濾波網(wǎng)絡(luò)，對(duì)高頻段干擾有較好的抑制作用。這些三端濾波器體積很小，可以在每1根進(jìn)出設(shè)備的導(dǎo)線上串接1個(gè)濾波器。在電纜接入到設(shè)備機(jī)箱的地方，可選用內(nèi)部襯有磁性材料的接插件。這類接插件內(nèi)除了插針、插孔的金屬接觸偶以外的部位都襯了高頻磁性體，相當(dāng)于在每根導(dǎo)線上都串了磁環(huán)，能夠在電纜接入設(shè)備處吸收掉高頻干擾。
從電路設(shè)計(jì)上來講，如電路的輸入信號(hào)采用平衡差分方式，連接到EUT的信號(hào)電纜應(yīng)采用雙絞線型電纜，并選擇適當(dāng)?shù)慕g距，使共模干擾信號(hào)的主要能量在輸入電路中相互抵消。
3．3 輻射發(fā)射類試驗(yàn)
輻射發(fā)射類試驗(yàn)包括磁場(chǎng)輻射發(fā)射項(xiàng)目RE101和電場(chǎng)輻射發(fā)射項(xiàng)目RE102，最主要的測(cè)試項(xiàng)目是電場(chǎng)輻射發(fā)射RE102，測(cè)試的頻率范圍是10 kHz～18 GHz，在這個(gè)頻段內(nèi)任何一個(gè)頻點(diǎn)上EUT的輻射發(fā)射信號(hào)都必須低于規(guī)定值才判定為測(cè)試達(dá)標(biāo)。
對(duì)于一臺(tái)具體的受測(cè)設(shè)備，實(shí)際的輻射發(fā)射頻率不可能覆蓋上述整個(gè)頻率范圍，輻射發(fā)射的能量往往集中在某些頻點(diǎn)或頻段中。大多數(shù)情況下，EUT低頻端的輻射發(fā)射常常來自開關(guān)電源，高頻端的輻射發(fā)射主要來自電路中振蕩器的基波和高次諧波。
開關(guān)電源的輻射發(fā)射和電源的品質(zhì)密切相關(guān)，優(yōu)質(zhì)的開關(guān)電源不僅效率高，而且雜散輻射少。所以在選用開關(guān)電源時(shí)，一定要挑選符合軍標(biāo)要求的電源，如Ericsson和Vicor等公司的軍標(biāo)電源就具有低輻射的特性。
開關(guān)電源中DC／DC變換器的脈沖頻率是個(gè)很重要的參數(shù)，這個(gè)頻率一般在幾十kHz到幾百kHz間，也有的使用MHz級(jí)的變換頻率。如果在RE102測(cè)試時(shí)有某些頻段最難達(dá)標(biāo)，有時(shí)改換頻率不同的開關(guān)電源，可以在試驗(yàn)時(shí)避開這些頻段。
經(jīng)驗(yàn)表明，開關(guān)電源除了直接的對(duì)外輻射發(fā)射外，電源電路的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)還可能對(duì)設(shè)備內(nèi)的鄰近電路尤其是高頻電路產(chǎn)生寄生調(diào)制作用，使得在遠(yuǎn)離開關(guān)電源工作頻率的頻點(diǎn)處出現(xiàn)輻射干擾。這種干擾很難在事先預(yù)料到，即使出現(xiàn)了也很難想到是由開關(guān)電源造成的。在機(jī)箱內(nèi)部對(duì)開關(guān)電源單獨(dú)進(jìn)行屏蔽可以大幅度抑制掉這種干擾。
另一個(gè)主要的輻射發(fā)射源是EUT電路里的晶體振蕩器。一般來說，要判斷輻射發(fā)射是否來自晶體振蕩器很簡(jiǎn)單，因?yàn)榫д竦念l率都是已知的，而且非常精確，如在RE102項(xiàng)目測(cè)試中測(cè)到的輻射頻率正好與晶振頻率相同或是其整數(shù)倍，那就說明是來自振蕩器基波或諧波的干擾。但也有例外，如果EUT里使用了多個(gè)頻率不同的晶振，各晶振頻率可能發(fā)生交叉調(diào)制，使輻射頻譜復(fù)雜化，導(dǎo)致在大量頻點(diǎn)處出現(xiàn)輻射干擾。降低晶體振蕩器的輻射發(fā)射，首先是要選用質(zhì)量好的晶振并使其工作在低電壓、低功耗狀態(tài)，其次是正確設(shè)計(jì)振蕩電路以減少晶振的諧波，必要時(shí)對(duì)晶振電路進(jìn)行板級(jí)屏蔽。盡量避免在電路里使用多個(gè)振蕩源，而采用從一個(gè)振蕩器導(dǎo)出其余所需頻率的技術(shù)。這些措施都可以使晶振的對(duì)外輻射大幅降低。目前有一種擴(kuò)展頻譜能量的晶體振蕩器，可以把晶振的輻射能量分散到主振頻率周圍的譜帶中，以降低在某個(gè)特定頻點(diǎn)上的峰值輻射能量。有時(shí)可以考慮選用這種晶體振蕩器。
對(duì)于大多數(shù)軍工電子設(shè)備來說，不具有產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)輻射的條件，RE101項(xiàng)目達(dá)標(biāo)難度一般不大。
3．4 輻射敏感度類試驗(yàn)
輻射敏感度類試驗(yàn)包括磁場(chǎng)輻射敏感度項(xiàng)目RS101和電場(chǎng)輻射敏感度項(xiàng)目RS103。對(duì)于需要接收或檢測(cè)微弱電信號(hào)的通信設(shè)備和自動(dòng)控制設(shè)備，電場(chǎng)輻射敏感度是極為關(guān)鍵的測(cè)試項(xiàng)目，也可以說是所有EMC試驗(yàn)中最難過關(guān)的一項(xiàng)測(cè)試。
要使RS103測(cè)試達(dá)標(biāo)，仍然是在電源和屏蔽方面做工作。前述有關(guān)電源的抗傳導(dǎo)干擾措施也能適用于抗輻射干擾。為了避免外來輻射干擾通過電源電纜進(jìn)入機(jī)箱，電源電纜要有屏蔽層，而且這一屏蔽層要在機(jī)箱外部接地，不能隨電源電纜進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)再接地。
對(duì)于機(jī)箱的屏蔽，前面已提到要盡量保持整個(gè)機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性，仔細(xì)處理好機(jī)箱上的每一處接縫和開口。機(jī)箱的接縫最好是焊接，如果出于維修拆卸的考慮不能焊接，那必須把接縫壓緊。筆者曾經(jīng)做過這樣的試驗(yàn)：把l臺(tái)調(diào)頻收音機(jī)調(diào)到收音狀態(tài)放在鐵制機(jī)箱內(nèi)，讓聲音通過機(jī)箱表面的小孔傳出。當(dāng)把機(jī)箱蓋好后，收音機(jī)仍然能接收到電波。然后開始?jí)壕o機(jī)箱蓋板，每壓緊一點(diǎn)，收音機(jī)的廣播聲就輕一點(diǎn)，當(dāng)壓緊到一定程度后，就完全收不到廣播，只傳出收音機(jī)自身的靜態(tài)噪聲。可見壓緊接縫的重要性。為填充接縫問的細(xì)微問隙，在接縫處可使用銀鋁填料的導(dǎo)電橡膠襯墊。
機(jī)箱的開口有顯示孔和電纜進(jìn)出孔等。3 mm以下的LED顯示孔對(duì)屏蔽效果影響不大，LCD顯示屏面積較大，不加屏蔽的話，外來電場(chǎng)輻射就會(huì)進(jìn)入機(jī)箱。屏蔽的方法有在顯示屏上貼透明導(dǎo)電膜或加裝夾有金屬絲網(wǎng)的玻璃等。前者使用方便但屏蔽效果有限，后者屏蔽效果較好但對(duì)透光性有影響。無論采用哪種方法，都要注意屏蔽層與機(jī)箱良好的導(dǎo)電連續(xù)性，最好在顯示器的后面再加屏蔽罩，并使用高頻穿心電容器對(duì)通過后屏蔽罩的信號(hào)線進(jìn)行濾波。
電纜孔也是外來電場(chǎng)干擾竄人機(jī)箱的薄弱點(diǎn)。未采取措施的電纜穿過屏蔽體時(shí)，屏蔽效能將降低30 dB以上[4]。現(xiàn)在一些標(biāo)準(zhǔn)的軍品接插件可配裝專用的屏蔽電纜附件，使用這類附件能夠確保電纜外屏蔽層和接插件外殼有良好的導(dǎo)電連續(xù)性。
相比電場(chǎng)輻射來說，要求做磁場(chǎng)輻射敏感度RS101試驗(yàn)的較少。但要注意，如果設(shè)備中有對(duì)磁場(chǎng)輻射敏感的器件如電感線圈或電磁傳感器等，就可能在RS101測(cè)試中不能達(dá)標(biāo)。筆者曾把1臺(tái)通信設(shè)備安裝在某平臺(tái)的艙壁上，結(jié)果出現(xiàn)400 Hz的干擾聲，取下來就沒有干擾。起初懷疑在安裝位置處有電場(chǎng)干擾，但該設(shè)備已通過了RS103測(cè)試，而且無論如何改進(jìn)屏蔽和接地都無濟(jì)于事。后來得知在安裝位置的艙壁內(nèi)敷有400 Hz的電力電纜，大電流產(chǎn)生了強(qiáng)磁場(chǎng)，屬于磁場(chǎng)干擾而非電場(chǎng)干擾。因?yàn)殡娖帘魏痛牌帘蔚姆雷o(hù)要求不同，通常的密封金屬機(jī)箱無法抵御磁場(chǎng)輻射。最后把該設(shè)備的動(dòng)圈式語音傳感器改換成對(duì)磁場(chǎng)不敏感的駐極體式傳感器，干擾立即消失了。
4 軍工電子設(shè)備EMC設(shè)計(jì)實(shí)例
近年來，筆者參照上述技術(shù)，結(jié)合選用合適的EMC器材，為陸用、海用、空用的多種軍工電子設(shè)備進(jìn)行了符合GJB151A一97標(biāo)準(zhǔn)的EMC設(shè)計(jì)，獲得了良好的效果。以下試介紹一例。某通信設(shè)備，由1臺(tái)主機(jī)和若干臺(tái)從機(jī)、分機(jī)組成，要求按照GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)做CE102、CE107、CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103共9項(xiàng)EMC試驗(yàn)。
4．1 主要設(shè)計(jì)考慮及措施
1)機(jī)箱：考慮到該項(xiàng)設(shè)備對(duì)于重量相當(dāng)敏感，決定采用ZL110型航空鑄鋁制造主機(jī)機(jī)箱。為減少縫隙，除前面板和上蓋板外，機(jī)箱一體化鑄造成型后進(jìn)行精加工。前面板和上蓋板采用LY12型鋁板銑制，與機(jī)箱結(jié)合處銑出凹槽，槽內(nèi)嵌入EMC專用彈性合金不銹鋼螺旋管。當(dāng)面板和上蓋板安裝到機(jī)箱上時(shí)，螺旋管被適度壓緊，保持接觸面的導(dǎo)電連續(xù)性。為保證機(jī)箱表面的高導(dǎo)電率，機(jī)箱及蓋板在金加工完畢后經(jīng)化學(xué)清洗，再進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理。從機(jī)和分機(jī)的機(jī)箱也采取類似工藝制造。
2)電源：電源采用屏蔽型電源接插件接人機(jī)箱，保險(xiǎn)絲座加屏蔽罩。電源線進(jìn)入機(jī)箱后立即接人雙節(jié)型電源濾波器，濾波輸出接至三層屏蔽(初級(jí)、初次級(jí)問、次級(jí)三層屏蔽)隔離變壓器。電源濾波器和隔離變壓器一起用一體化密封鋁盒整體屏蔽在機(jī)箱內(nèi)部左后角。變壓器的輸出用雙絞線經(jīng)高頻磁芯共模扼流圈接人整流橋，整流橋的每只二極管上并聯(lián)高頻旁路電容器，二次電源的每路輸出串接直流濾波器。
3)機(jī)箱接插件：機(jī)箱插座采用軍標(biāo)XC系列插座，通過座基方盤用4只螺絲把插座固定在機(jī)箱上。線纜插頭配裝屏蔽套筒。插座和插頭均鍍鎘處理，插針鍍金。插座方盤和機(jī)箱接觸面安裝CONCIL—A型鋁鍍銀微粒填充氟硅導(dǎo)電橡膠襯墊并壓緊。
4)系統(tǒng)間線纜：系統(tǒng)問線纜全部采用雙絞雙屏蔽輻射交聯(lián)氟塑料護(hù)套航空電纜，外屏蔽層接安裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)地，內(nèi)屏蔽層根據(jù)線纜所載信號(hào)的性質(zhì)選擇接地方式。所有線纜在進(jìn)入機(jī)箱后通過饋通式濾波器或片式三端濾波器濾除高頻干擾信號(hào)；差分信號(hào)線通過共模扼流圈濾除共模干擾信號(hào)；話筒輸入的微弱音頻信號(hào)通過閉合磁路音頻變壓器進(jìn)行隔離放大。
5)電路板：采用4層印制電路板，貼片式元器件。
6)電子電路：選用低壓、小電流器件，精心進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，整機(jī)工作于低功耗狀態(tài)，可省去散熱系統(tǒng)以利機(jī)箱屏蔽。因?yàn)楣男。梢允褂镁€性二次電源，杜絕了開關(guān)電源的電磁輻射。
采取以上各種措施后，使得該臺(tái)設(shè)備在確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，順利通過了按照GJB151A－97標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的9個(gè)項(xiàng)目EMC試驗(yàn)，安裝到使用平臺(tái)后又通過了全系統(tǒng)EMC實(shí)測(cè)試驗(yàn)，已在復(fù)雜的電磁環(huán)境中工作多年始終正常。
5 結(jié)語
參照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB151A．97的相關(guān)條文，結(jié)合實(shí)際工作，總結(jié)了軍工電子設(shè)備EMC設(shè)計(jì)和測(cè)試達(dá)標(biāo)的一些經(jīng)驗(yàn)。電磁兼容是理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的技術(shù)，在設(shè)計(jì)軍工電子設(shè)備時(shí)，如能夠依據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)較充分地預(yù)估到EMI的各種可能形式并采取相應(yīng)的EMC對(duì)策，將使得整個(gè)設(shè)計(jì)過程更為合理有效，并且在完成設(shè)備制造進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)大的反復(fù)，確保工作的質(zhì)量和進(jìn)度。
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