張溢文 ,孫開鋒 ,翟鋒濤 ,陳 靜

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077;2.陜西海泰電子有限責(zé)任公司,陜西 西安,710075)

0 引言

魚雷專用保障設(shè)備可以完成對(duì)魚雷武器全雷、艙段及組件的技術(shù)準(zhǔn)備、測(cè)試及故障診斷工作。專用保障設(shè)備使用場(chǎng)合多樣,包含工房、技術(shù)陣地、洞庫(kù)、方艙及魚雷裝載平臺(tái)等,面臨著復(fù)雜的電磁環(huán)境。設(shè)備與被測(cè)產(chǎn)品、其他設(shè)備之間若存在電磁不兼容的問題,輕則影響設(shè)備正常使用,重則可能導(dǎo)致安全問題。因此使用方和研制方都對(duì)專用保障設(shè)備的電磁兼容性提出了更高的要求。

某魚雷專用保障設(shè)備在研制階段后期增加了電磁兼容性考核要求,經(jīng)過摸底測(cè)試,設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,需要進(jìn)行整改。由于魚雷專用保障設(shè)備基于開放式體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),大量使用貨架化電子產(chǎn)品[1],導(dǎo)致難以對(duì)成熟產(chǎn)品進(jìn)行改動(dòng)以滿足電磁兼容性要求,必須從整機(jī)角度系統(tǒng)性地解決設(shè)備的電磁兼容問題。

1 專用保障設(shè)備組成及電磁特性分析

專用保障設(shè)備的系統(tǒng)組成如圖1 所示,主要包括機(jī)箱、電源、人機(jī)界面、測(cè)試資源及線纜等。下面針對(duì)各組成部分的電磁特性進(jìn)行分析。

1.1 機(jī)箱

機(jī)箱包含設(shè)備的外殼及內(nèi)部安裝框架,其主要功能是保護(hù)及固定設(shè)備的功能模塊。機(jī)箱本身不產(chǎn)生電磁輻射,但封閉的導(dǎo)通機(jī)箱可以作為屏蔽體有效抑制輻射發(fā)射的傳遞[2]。

為了便于設(shè)備移動(dòng)和攜帶,專用保障設(shè)備機(jī)箱使用了輕量化的非金屬材料,不具備屏蔽能力,機(jī)箱內(nèi)部功能模塊產(chǎn)生的電磁波直接向外發(fā)射,導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo)。因此需要對(duì)機(jī)箱進(jìn)行屏蔽處理以抑制整機(jī)輻射發(fā)射。

1.2 電源

專用保障設(shè)備的電源構(gòu)成如圖2 所示,包含了AC/DC 一次電源及DC/DC 二次電源。一次電源將220 V 交流市電轉(zhuǎn)換為直流供電,二次電源將一次電源的輸出轉(zhuǎn)換為不同電壓等級(jí)的直流電供給各用電設(shè)備使用。

圖2 電源構(gòu)成示意圖Fig.2 Composition of power supply system

無論是AC/DC 電源還是DC/DC 電源,其內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路中的金屬—氧化物—半導(dǎo)體(metal-oxidesemiconductor,MOS)場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生高頻開關(guān)信號(hào),信號(hào)的基頻與倍頻可以通過線纜傳導(dǎo)及空間輻射的傳遞路徑向外發(fā)射,產(chǎn)生電磁干擾[3]。

1.3 人機(jī)界面

人機(jī)界面是操作人員與設(shè)備的信息交互接口,主要包括顯示屏和按鍵開關(guān)等。其電磁發(fā)射源包括液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)電路中控制屏幕刷新的高頻時(shí)鐘信號(hào),開關(guān)接通和斷開瞬時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)等。此外,顯示屏和開關(guān)如果沒有采取屏蔽措施也會(huì)成為電磁泄漏窗口[4]。

1.4 測(cè)試資源

測(cè)試資源是完成測(cè)試信號(hào)采集和處理的硬件資源,主要包含主控板卡及功能板卡等。板卡上的時(shí)鐘信號(hào)是最主要的電磁發(fā)射源[5],另外通信和開關(guān)等信號(hào)也會(huì)向外產(chǎn)生電磁發(fā)射。

1.5 線纜

線纜可以連接各功能模塊及被測(cè)產(chǎn)品,提供電源及信號(hào)傳輸通路。電纜線束由多股不同定義的導(dǎo)線組成,緊密相依的導(dǎo)線之間存在容性耦合和感性耦合關(guān)系,其容性耦合的強(qiáng)度大小和頻率特性與導(dǎo)線之間的分布電容有關(guān);感性耦合的強(qiáng)度大小與導(dǎo)線間距、干擾電流大小和回路面積等均相關(guān)[6]。設(shè)備內(nèi)部線纜的干擾信號(hào)會(huì)發(fā)射至相鄰導(dǎo)線,產(chǎn)生串?dāng)_干擾;設(shè)備外部線纜由于天線效應(yīng),將干擾信號(hào)向空間發(fā)射,引起輻射發(fā)射超標(biāo)。

2 專用保障設(shè)備電磁兼容性整改方案

根據(jù)前文分析得出了專用保障設(shè)備的電磁發(fā)射源及傳遞路徑,有針對(duì)性地開展電磁兼容性整改工作。設(shè)備選用的測(cè)試資源為貨架化產(chǎn)品,難以進(jìn)行適應(yīng)性整改,因此通過整機(jī)采取的其他措施進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)備的電磁兼容性整改措施包括機(jī)箱屏蔽與接地、人機(jī)界面處理、電源濾波處理和線纜處理四方面。

2.1 機(jī)箱屏蔽與接地

電磁屏蔽的原理是利用電磁波在封閉導(dǎo)體表面產(chǎn)生反射以及在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生吸收和多次反射而起到屏蔽作用,可以有效阻止電磁波從一個(gè)空間向另一個(gè)空間傳播[7]。理想的屏蔽體是一個(gè)低阻抗的封閉導(dǎo)體,因此需要使機(jī)箱導(dǎo)通并盡可能封閉孔縫。

設(shè)備所用的非金屬機(jī)箱不導(dǎo)電,在不改變機(jī)箱材料的情況下,采取在機(jī)箱內(nèi)壁噴涂導(dǎo)電涂層的整改措施,該涂層包含銅粉及底漆,均勻噴涂在機(jī)箱內(nèi)壁,干燥后可以形成連續(xù)的導(dǎo)電銅層,如圖3所示。

圖3 機(jī)箱內(nèi)壁噴涂導(dǎo)電涂層Fig.3 Conductive coating sprayed on inner wall of the chassis

箱體與面板的裝配縫隙也會(huì)造成電磁泄漏,需要對(duì)搭接面進(jìn)行處理。在搭接面粘貼了彈性導(dǎo)電泡棉,裝配時(shí)通過螺釘緊固使面板壓緊泡棉實(shí)現(xiàn)可靠的搭接[7],如圖4 所示。

圖4 搭載處理措施Fig.4 Treatment measures for overlapping

完成導(dǎo)通處理后,將機(jī)箱接地,既可以作為設(shè)備電子組件的等電位參考點(diǎn),又可以將機(jī)箱金屬層感應(yīng)的干擾信號(hào)通過大地泄放,抑制電磁干擾[8]。

2.2 人機(jī)界面處理

人機(jī)操作界面安裝在設(shè)備外表面,存在非連續(xù)導(dǎo)電的外露器件,如顯示屏、開關(guān)及指示燈等,導(dǎo)致設(shè)備殼體成為不連續(xù)導(dǎo)體,造成電磁泄露[9]。對(duì)于顯示屏采用增加屏蔽玻璃的處理方式,兼顧透光的同時(shí)實(shí)現(xiàn)屏蔽,如圖5 所示,屏蔽玻璃內(nèi)有金屬絲網(wǎng)夾層,將絲網(wǎng)與周邊箱體360°搭接實(shí)現(xiàn)孔洞封閉。

圖5 顯示屏處理措施Fig.5 Treatment measures for display screen

對(duì)于開關(guān)和指示燈的處理方法如圖6 所示,在開關(guān)和指示燈后增加1 個(gè)屏蔽罩進(jìn)行封閉,引線上加裝穿心濾波電容,使引線所感應(yīng)的干擾信號(hào)被旁路接地[9]。

圖6 開關(guān)與指示燈處理措施Fig.6 Treatment measures for switch and indicator light

2.3 電源濾波處理

加裝電源濾波器可以切斷電磁干擾沿電源線的傳播路徑,與屏蔽措施共同構(gòu)成完善的電磁干擾防護(hù)。

電源濾波器是由電感和電容等組成的一種二端口網(wǎng)絡(luò),具有選擇頻率的特性,能夠毫無衰減地把50 Hz 的電源功率傳輸?shù)綄Ｓ帽Ｕ显O(shè)備上去,并極大程度衰減經(jīng)電源傳入的電磁干擾信號(hào),同時(shí)又能抑制專用保障設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào),防止其進(jìn)入電網(wǎng),污染電磁環(huán)境,危害其他設(shè)備[10]。

根據(jù)專用保障設(shè)備測(cè)試超標(biāo)曲線選用合適的電源濾波器,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 電源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.7 Topology of power filter

電源線上的干擾有共模干擾與差模干擾2 種形式[11]。共模干擾由共模濾波電路濾除,共模濾波電路由共模電感和共模旁路電容構(gòu)成,采用2 個(gè)共模電感,并與共模電感合理搭配使用合適的共模旁路電容;差模干擾由差模濾波電路濾除,使用合適的差模電感,為了進(jìn)一步增加差模濾波電路的濾波效果,使用了差模電容以獲得較好的差模損耗。按上述濾波電路制作濾波器并安裝在設(shè)備電源接入端,可以切斷專用保障設(shè)備的電磁干擾通過電源線傳播路徑。

2.4 線纜處理

線纜按位置可分為內(nèi)部線纜和外部線纜。外部線纜位于屏蔽機(jī)箱外部,需要單獨(dú)進(jìn)行屏蔽處理。在線纜外穿套柔性防波套管,防波套管兩端與連接器360°搭接,形成屏蔽體將線束封閉其中,抑制對(duì)外發(fā)射[12]。外部線纜處理措施如圖8 所示。

圖8 外部線纜處理措施Fig.8 Treatment measures for external cable

內(nèi)部線纜間的串?dāng)_可以通過優(yōu)化布線方式解決。內(nèi)部線纜可按照承載信號(hào)類型做如表1 所示分類[13]。

表1 內(nèi)部線纜分類Table 1 Classification of internal cable

不同類型的線纜應(yīng)彼此分開,在無法使用屏蔽體隔離時(shí),應(yīng)保持足夠間距。II 類和III 類線束之間至少保持10 cm 以上間距,其他類別線束之間至少保持5 cm 以上間距[13]。

3 電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證

專用保障設(shè)備電磁兼容性整改方案應(yīng)經(jīng)過相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證,通過對(duì)比增加整改措施前后的測(cè)試結(jié)果,驗(yàn)證整改措施的有效性。試驗(yàn)依據(jù)GJB151A 和GJB152A 進(jìn)行CE102 和RE102 測(cè)試項(xiàng)測(cè)試。

3.1 CE102 測(cè)試

CE102 測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。由圖可知,未采取整改措施的保障設(shè)備在CE102 測(cè)試時(shí),在整個(gè)10 kHz～10 MHz 測(cè)試頻段均出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo),尤其較大幅度超頻點(diǎn)為43 kHz、250 kHz 基頻及其倍頻,該頻率為開關(guān)電源的工作頻率。在采取有效共模和差模結(jié)合的電源濾波整改措施后,傳導(dǎo)干擾整體降低了30 dB,滿足國(guó)軍標(biāo)測(cè)試要求。

圖9 CE102 測(cè)試結(jié)果Fig.9 CE102 test results

3.2 RE102 測(cè)試

RE102 測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。未采取整改措施時(shí)RE102 測(cè)試結(jié)果在10 kHz～510 MHz 頻段出現(xiàn)大幅超標(biāo)。保障設(shè)備內(nèi)含多種用電設(shè)備如電源、顯控模塊、測(cè)試資源及線纜等,貢獻(xiàn)了不同頻譜的電磁干擾,由于整個(gè)機(jī)箱殼體未采取屏蔽措施,造成電磁干擾通過空間、傳導(dǎo)等各種途徑向外發(fā)射。超標(biāo)幅值較大的頻點(diǎn)為開關(guān)電源的倍頻。

圖10 RE102 測(cè)試結(jié)果Fig.10 RE102 test results

針對(duì)以上電磁干擾現(xiàn)象,同時(shí)采取濾波、接地和屏蔽等多種整改措施后,輻射電磁干擾在10 kHz～510 MHz 頻段內(nèi)最大降低了60 dB,整體曲線均在極限線以下,滿足國(guó)軍標(biāo)測(cè)試要求。證明該整改措施有效,表明增加電源濾波器在抑制傳導(dǎo)發(fā)射的同時(shí)也可以有效改善輻射發(fā)射指標(biāo)。

4 結(jié)束語

文中通過分析魚雷專用保障設(shè)備的組成及電磁特性,確定了設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),并針對(duì)性地采取了整改措施。經(jīng)電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)備傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射指標(biāo)相比整改前大幅降低,滿足使用要求,證明了分析方法和整改措施的有效性。