楊銘懿

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

雷達(dá)導(dǎo)引頭是導(dǎo)彈的重要組成部分,是集微波、電子、電氣、精密機(jī)械為一體的復(fù)雜裝置[1]。由于導(dǎo)引頭的體積結(jié)構(gòu)受整彈要求限制,它的各種設(shè)備只能集中安裝于一個(gè)極小的空間內(nèi),并且還與彈上其它設(shè)備和火控系統(tǒng)有緊密的接口關(guān)系。在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境下工作,將會(huì)產(chǎn)生各種感應(yīng)和干擾,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致導(dǎo)引頭性能降級(jí)甚至無(wú)法正常運(yùn)行,因此導(dǎo)引頭的電磁兼容設(shè)計(jì)不容忽視。

1 導(dǎo)引頭電磁兼容要求

電磁兼容性(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行,并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力[2]。它包括兩方面的要求:一是電磁干擾(EM I),指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值;二是電磁敏感性(EMS),指其設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在電磁干擾具有一定程度的抗擾度。故在導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中不僅應(yīng)具有對(duì)內(nèi)部串?dāng)_的“自兼容性”,且應(yīng)當(dāng)具有抗產(chǎn)品間相互串?dāng)_的“互兼容性”,并應(yīng)通過(guò)GJB151A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》的相應(yīng)測(cè)試項(xiàng)目。

2 導(dǎo)引頭工作電磁環(huán)境

某雷達(dá)導(dǎo)引頭主要由二次電源組件、伺服系統(tǒng)、接收機(jī)組合三大部分組成。二次電源組件分別給伺服系統(tǒng)、接收機(jī)組合供電。其中二次電源為主要的干擾源,它的諧波、紋波通過(guò)傳導(dǎo)和輻射耦合到其它設(shè)備,可能會(huì)影響導(dǎo)引頭正常工作。伺服系統(tǒng)工作時(shí)形成的大電流波動(dòng)由共用電源耦合影響到接收機(jī)的工作。接收機(jī)內(nèi)部高頻、低頻及數(shù)字電路工作時(shí)也會(huì)相互產(chǎn)生干擾。

導(dǎo)引頭在武器系統(tǒng)工作環(huán)境中將受到雷達(dá)、通訊等設(shè)備的大功率信號(hào)輻射,同時(shí)在地面測(cè)試和待發(fā)射狀態(tài)時(shí)受到由電纜網(wǎng)連接后引入的各種傳導(dǎo)干擾。

3 導(dǎo)引頭電磁兼容設(shè)計(jì)

3.1 二次電源

導(dǎo)彈的電源系統(tǒng)大都采用熱電池供電,再經(jīng)二次電源變換的方式給分系統(tǒng)供電。導(dǎo)引頭上的二次電源采用DC-DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn),它與傳統(tǒng)的采用燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)、交流變換器、線性電源的方式相比,具有體積小、重量輕、效率高和供電靈活的特點(diǎn),但同時(shí)存在較嚴(yán)重電磁干擾問(wèn)題。結(jié)合導(dǎo)引頭實(shí)際工作情況,以下幾方面在二次電源電磁兼容設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。

(1)選擇開(kāi)關(guān)電源工作方式

開(kāi)關(guān)電源電路中主要有以下兩種工作方式[3]:

a)脈沖頻率調(diào)制方式,簡(jiǎn)稱(chēng)脈沖頻率調(diào)制(Pules Frequency M odu lation,簡(jiǎn)稱(chēng) PFM),它將脈沖寬度固定,通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)占空比。根據(jù)導(dǎo)引頭實(shí)際工作情況,隨著負(fù)載電流的變化,其開(kāi)關(guān)工作頻率也發(fā)生變化,產(chǎn)生的變頻輻射信號(hào)會(huì)進(jìn)入接收機(jī)前中通道,對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾,所以在導(dǎo)引頭二次電源設(shè)計(jì)中不能采用脈沖頻率調(diào)制方式;

b)脈沖寬度調(diào)制方式,簡(jiǎn)稱(chēng)脈沖寬度調(diào)制(PulsW id th Modu lation,簡(jiǎn)稱(chēng) PWM),其特點(diǎn)是固定開(kāi)關(guān)頻率,通過(guò)改變脈沖寬帶來(lái)調(diào)節(jié)占空比,導(dǎo)引頭正常工作滿(mǎn)載時(shí)負(fù)載重,而用PWM在重負(fù)載情況下工作效率高,頻率特性好,電壓調(diào)整率高,線性度高,開(kāi)關(guān)頻率固定,所以導(dǎo)引頭DC-DC電源模塊,采用調(diào)寬工作方式,但需對(duì)輻射的干擾信號(hào)幅度進(jìn)行控制。

(2)選擇開(kāi)關(guān)頻率

開(kāi)關(guān)電源采用調(diào)寬工作方式,使開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)調(diào)頻工作方式固定,通常開(kāi)關(guān)電源的工作基頻在幾十千赫以上。但由于開(kāi)關(guān)電源電流轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生前后沿很陡的(d i/d t可達(dá)1 A/ns,d v/d t可達(dá)3 V/ns)脈沖,導(dǎo)致輸入電流發(fā)生畸變,諧波豐富且噪聲水平提高,這些諧波噪聲經(jīng)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合形成傳導(dǎo)和輻射干擾,可能進(jìn)入導(dǎo)引頭工作頻段,影響接收機(jī)正常檢測(cè),造成目標(biāo)失鎖。同時(shí),隨著導(dǎo)引頭加電時(shí)間及工作環(huán)境不同,溫度會(huì)發(fā)生變化。從低溫到高溫狀態(tài)下,其二次電源開(kāi)關(guān)頻率也會(huì)發(fā)生幾十赫茲至幾兆的變化,疊加在第n次諧波上影響導(dǎo)引頭正常工作。

開(kāi)關(guān)電源的高次諧波無(wú)法徹底消除,所以導(dǎo)引頭對(duì)開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)工作頻率的選擇尤為重要。首先根據(jù)導(dǎo)引頭工作頻率以及頻率變化范圍,對(duì)開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)工作頻率進(jìn)行計(jì)算,使其開(kāi)關(guān)工作頻率應(yīng)滿(mǎn)足下述關(guān)系式:

n(fk+Δfk)＜fif＜(n+1)(fk+Δfk)(1)式中:n為諧波次數(shù);fif為系統(tǒng)工作頻率;fk為電源開(kāi)關(guān)頻率;Δfk為電源開(kāi)關(guān)頻率變化量;n(fk+Δfk)為第n次諧波頻率。

上式說(shuō)明,電源開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)選擇使任意相鄰兩次諧波不在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi),可以利用晶振等高頻率穩(wěn)定器件和脈寬調(diào)制集成電路的同步端來(lái)穩(wěn)定DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率,使其在大的工作溫度變化范圍內(nèi),開(kāi)關(guān)頻率變化較小。某導(dǎo)引頭的二次電源改進(jìn)后,開(kāi)關(guān)頻率在高低溫環(huán)境下頻率變化約為200 Hz,它的高次諧波不會(huì)穿越導(dǎo)引頭工作頻率帶寬。

(3)控制紋波大小

選用開(kāi)關(guān)電源不可避免會(huì)產(chǎn)生紋波。由于二次電源輸出電壓種類(lèi)、路數(shù)多,選用的DC-DC模塊多,采用同一開(kāi)關(guān)頻率后,各路電源輸出紋波普遍變大。與系統(tǒng)聯(lián)試后,開(kāi)關(guān)頻率的高次諧波幅度變大,通過(guò)地線上的傳導(dǎo)進(jìn)入導(dǎo)引頭各組合,對(duì)目標(biāo)截獲造成干擾。以+15 V電源為例,圖1為改進(jìn)前+15 V電源輸出紋波。

圖1 改進(jìn)前+15 V電源輸出紋波

減小電源紋波的方法:

a)一種是針對(duì)分列DC-DC轉(zhuǎn)換電路,在穩(wěn)頻的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的濾波,減小電源組合的輸出紋波;

b)另一種是使用輸出紋波本身就很小的DC-DC模塊代替分列的DC-DC轉(zhuǎn)換電路;并用增加屏蔽罩的方法減小其自身對(duì)周?chē)目臻g輻射,進(jìn)一步減少其輻射對(duì)其它組合的影響。

以上方式都能較好的改善組合的輸出紋波,使二次電源組合不僅自身參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,而且也不影響該導(dǎo)引頭的正常工作。圖2為改進(jìn)后+15 V電源輸出紋波。

圖2 改進(jìn)后+15 V電源輸出紋波

由圖1和圖2對(duì)比可見(jiàn),在相同測(cè)試條件下,改進(jìn)前+15 V電源輸出紋波峰峰值最大接近600mV左右;而改進(jìn)后+15 V電源輸出紋波明顯減小。

降低電源輸出紋波幅度,不僅關(guān)系到導(dǎo)引頭能否正常工作,而且還關(guān)系到GJB151A-97/CE102 10 kHz～10 MH z電源線傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)?zāi)芊裢ㄟ^(guò)。圖3為采取降低電源輸出紋波幅度措施前后CE102試驗(yàn)曲線對(duì)比圖,表明采取合適的措施后,電源線傳導(dǎo)發(fā)射整體幅度明顯降低,無(wú)超差點(diǎn),導(dǎo)引頭可以通過(guò)CE102試驗(yàn)。

(4)合理分配二次電源

圖3 采取降低電源輸出紋波幅度措施前后CE102試驗(yàn)曲線對(duì)比圖

機(jī)電伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)天線大角速率運(yùn)動(dòng)時(shí),不可避免的產(chǎn)生近15 A左右的瞬態(tài)脈沖電流,導(dǎo)致一次電源電壓出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)突變,進(jìn)而引起二次電源波紋、毛刺達(dá)到200m V～500mV,大大超過(guò)穩(wěn)態(tài)紋波值,成為電路供電的一大隱患。在導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中,最好采用單獨(dú)的一組熱電池作為伺服機(jī)構(gòu)輸入電源。

(5)采取抗電流擾動(dòng)措施

有些用電設(shè)備,比如機(jī)電伺服系統(tǒng),在加電瞬間要汲取一個(gè)較大的電流,這個(gè)瞬時(shí)沖擊電流可能要比靜態(tài)工作電流大好幾倍。且隨著導(dǎo)引頭在不同工作狀態(tài)下,伺服機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),沖擊電流大小也不同。振動(dòng)時(shí),伺服機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流波動(dòng)會(huì)比常態(tài)工作環(huán)境下大,造成一次電源電壓的波動(dòng)。圖4為導(dǎo)引頭供電方式。

在振動(dòng)狀態(tài)下,一次電源傳輸線上的電流為

設(shè)一次電源傳輸線的線阻為R線,則二次電源組合供電端輸入電壓為

圖4 導(dǎo)引頭供電方式

當(dāng)一次電源傳輸線線阻達(dá)0.5Ω,在振動(dòng)狀態(tài)下,電流波動(dòng)達(dá)到5 A～15 A,檢測(cè)二次電源組合供電端輸入電壓,波動(dòng)最大峰峰值可達(dá)7.5 V,若DC-DC電壓調(diào)整模塊的調(diào)整能力不足使導(dǎo)致二次電源輸出電壓的品質(zhì)將受影響,可能導(dǎo)致導(dǎo)引頭其它設(shè)備供電異常。

可以通過(guò)加粗一次電源傳輸線、增加傳輸線數(shù)量或減短傳輸線長(zhǎng)度來(lái)降低線阻。更重要的是提高二次電源DC-DC模塊的抗波動(dòng)能力。以上改進(jìn)措施可通過(guò)GJB151A-97/CS101方法進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 接收機(jī)

導(dǎo)引頭接收機(jī)為敏感設(shè)備,內(nèi)部工作頻率種類(lèi)多,且由結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定其電纜走線復(fù)雜。在實(shí)際工作環(huán)境或在進(jìn)行GJB151A-97/RS103電場(chǎng)輻射敏感度試驗(yàn)時(shí),接收機(jī)受到較強(qiáng)的電場(chǎng)輻射干擾,其組件間的信號(hào)連線,將感應(yīng)電場(chǎng)輻射干擾信號(hào),并進(jìn)入接收機(jī)通道,使接收機(jī)不能正常工作。保證接收機(jī)通道內(nèi)干凈,不受各種干擾譜線影響,是接收機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

(1)合理安排電纜走線

將電源線與信號(hào)線分開(kāi)走線,如須交叉的地方成90°角,這樣有助于減小交叉干擾現(xiàn)象,還應(yīng)將頻率高的信號(hào)線用屏蔽導(dǎo)線連接,以防高頻信號(hào)受干擾或干擾其它信號(hào)。

(2)采取屏蔽措施

將中頻放大電路板增加鐵磁屏蔽蓋板,可以減少雜散譜線輻射干擾。

(3)正確選用濾波器

根據(jù)干擾幅度和持續(xù)寬度,選擇合適的濾波時(shí)常數(shù)及濾波器。查找敏感部位,在信號(hào)輸入端增加抑制共模干擾和差模干擾效果好的EM I濾波器,提高抗干擾能力,解決了RS103試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)引頭工作異?，F(xiàn)象。

3.3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)方面:

a)一是對(duì)外干擾,伺服系統(tǒng)對(duì)外電磁干擾主要來(lái)自于它的二次電源譜線輻射,其對(duì)外干擾生產(chǎn)的影響及采取的措施參見(jiàn)3.1二次電源電磁兼容設(shè)計(jì);

b)二是敏感程度,伺服系統(tǒng)主要易受干擾的設(shè)備是陀螺,表現(xiàn)形式為陀螺輸出產(chǎn)生波動(dòng)。

陀螺由陀螺表頭和陀螺信號(hào)解調(diào)電路組成,陀螺信號(hào)是由陀螺表頭敏感視線角速度運(yùn)動(dòng)后輸出的微弱信號(hào)。在通過(guò)解調(diào)電路放大后提取角速度信息時(shí),易將微弱信號(hào)與電場(chǎng)輻射干擾信號(hào)一起放大,使陀螺信號(hào)輸出產(chǎn)生波動(dòng)。電場(chǎng)輻射干擾信號(hào)主要由不合理的印制板布線對(duì)高精度小信號(hào)的放大器產(chǎn)生影響,且與有用的微弱信號(hào)在頻譜上混疊在一起,無(wú)法通過(guò)濾波方式消除干擾。在PCB布線設(shè)計(jì)時(shí),通過(guò)增加布線層降低分布源阻抗,合理分配走線,減少寄生分布參數(shù),避免有害干擾引入陀螺解調(diào)電路。

圖5為PCB布線更改前后,陀螺輸出信號(hào)對(duì)比圖。由圖可知,布線更改前陀螺輸出信號(hào)幅度波動(dòng)達(dá)80mV,超出正常工作范圍;布線更改后,陀螺輸出幅度幾乎不變。

圖5 PCB布線更改前后,陀螺輸出信號(hào)對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)引頭經(jīng)過(guò)各項(xiàng)電磁兼容設(shè)計(jì),試驗(yàn)證明這些措施和方法能滿(mǎn)足導(dǎo)引頭內(nèi)部自兼容和外部互兼容要求,使產(chǎn)品具有較完善的電磁兼容性,同時(shí)滿(mǎn)足國(guó)軍標(biāo)GJB151 A/152 A軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求。隨著電磁兼容學(xué)及各種技術(shù)不斷發(fā)展,在今后的導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中,應(yīng)由研制后期暴露出問(wèn)題而采取補(bǔ)救措施轉(zhuǎn)變成在設(shè)備設(shè)計(jì)初始階段就開(kāi)展電磁兼容設(shè)計(jì),設(shè)備的可靠性將得到更大的提高。

[1] 穆虹.防空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)[M].北京:宇航出版社,1996.

[2] 沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,1999.

[3] 歐陽(yáng)振華.峰值電流控制 PWM升壓開(kāi)關(guān)電源IC設(shè)計(jì)[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008.