軍品EMC試驗標(biāo)準(zhǔn)和實用技術(shù)分享

【導(dǎo)讀】筆者結(jié)合十幾年來對海、陸、空各種安裝平臺上的軍工電子設(shè)備從事電磁兼容性設(shè)計和試驗工作的實踐，針對軍標(biāo)電磁兼容性試驗的各項主要考核要求，提供一些有利于使試驗項目達(dá)標(biāo)的實用技術(shù)和經(jīng)驗。 近20年來，軍工電子設(shè)備對于電磁工作環(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。這是因為現(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方向延伸，軍工電子設(shè)備在海、陸、空各種平臺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、生產(chǎn)、使用有關(guān)各方的共識。 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家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁兼容性試驗測試。因此，近年來有關(guān)軍工電子設(shè)備電磁兼容性的試驗標(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”的檢驗不僅要考核設(shè)備對電磁環(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，電磁兼容性試驗是雙向性的試驗，受測試設(shè)備(EUT)必須在承受外部電磁干擾和不對外產(chǎn)生電磁干擾兩方面同時達(dá)標(biāo)才算合格。又因為電磁信號能夠通過電路傳導(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中達(dá)標(biāo)，必須在設(shè)備的電子電氣系統(tǒng)和機械結(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相對其他的例行環(huán)境試驗來說更為復(fù)雜，達(dá)標(biāo)也更不容易。 對從事軍工電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計和試驗的人員來說，除了要掌握與設(shè)備有關(guān)的專業(yè)知識和必不可少的電磁學(xué)、電子學(xué)、電工學(xué)方面的基礎(chǔ)知識以及有關(guān)材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的知識外，還必須熟悉有關(guān)電磁兼容性試驗的軍用標(biāo)準(zhǔn)，并盡可能詳細(xì)地了解各項試驗的物理含義及對試驗測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)合十幾年來對海、陸、空各種安裝平臺上的軍工電子設(shè)備從事電磁兼容性設(shè)計和試驗工作的實踐，針對軍標(biāo)電磁兼容性試驗的各項主要考核要求，提供一些有利于使試驗項目達(dá)標(biāo)的實用技術(shù)和經(jīng)驗。 1 GJB151A一97標(biāo)準(zhǔn)簡介 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”，是我國為軍用電子、電氣、機電等設(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)由國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會批準(zhǔn)，發(fā)布于1997年5月23日，于1997年12月1日起實施。與該標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)并同期發(fā)布和實施的另一個標(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)射和敏感度測量”，規(guī)定了GJB151A－97標(biāo)準(zhǔn)中各項試驗指標(biāo)的測量方法。 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)參照國外軍標(biāo)(主要是美國軍標(biāo)MIL)對老標(biāo)準(zhǔn)作了修訂，對一些指標(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試驗包括下列19項：· 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(時域)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磁場輻射發(fā)射· RE102 10 kHz～18 GHz電場輻射發(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磁場輻射敏感度· RS103 10 kHz 40 GHz電場輻射敏感度· RS105瞬變電磁場輻射敏感度 對于各種不同的軍用安裝平臺，上述19項EMC試驗并非全部是必做的。所謂的軍用安裝平臺分為水面艦船、潛艇、陸軍飛機(含航線保障設(shè)備)、海軍飛機、空軍飛機、空間系統(tǒng)(含運載火箭)、陸軍地面、海軍地面、空軍地面9類。在GJB151A－97標(biāo)準(zhǔn)中，每個試驗項目對每種平臺的適用性都作出了規(guī)定。 對于要求進(jìn)行EMC試驗的軍用電子設(shè)備，通常在所有試驗項目中，CE102、CSIO1、CS114、RE102、RS103這5項是最主要的必做項目。對裝載于艦船和飛機上的設(shè)備，還往往要求做CE101、CS115、CS116、RE101、RS101中的一些項，連同前述的5項，總的必做試驗項目在7項到9項之間。其余項目由訂購單位根據(jù)有關(guān)規(guī)范確定是否需做試驗。 2 軍工電子設(shè)備的EMC特點和設(shè)計對策 軍工電子設(shè)備相對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。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．強弱信號共存。幾乎所有種類的軍工電子設(shè)備都要同時處理幅度相差懸殊的強弱多種信號。強信號對外部設(shè)備造成干擾，弱信號又對外部干擾極為敏感。 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，對周邊設(shè)備造成強烈干擾。 4．共用電源和地線。各種安裝平臺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)備機電結(jié)構(gòu)的回旋余地小。軍工電子設(shè)備結(jié)構(gòu)堅固，設(shè)備內(nèi)部冗余空間小。如果在設(shè)計后期才對設(shè)備進(jìn)行EMC強化，往往會與設(shè)備的原有機械結(jié)構(gòu)或電氣布局發(fā)生沖突，這時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，決定了軍工電子設(shè)備的EMC設(shè)計比一般的電子設(shè)備更為復(fù)雜和困難，電磁兼容性試驗的達(dá)標(biāo)難度更高。要設(shè)計符合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)計原則，再在這個基礎(chǔ)上強化EMC措施，尤其要關(guān)注電源、機箱屏蔽、電路設(shè)計、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項是直接與電源有關(guān)的，CS114、CS115和CS116這3項與電源電纜有關(guān)，其余輻射發(fā)射和敏感度的項目間接與電源有關(guān)。因此可以說，軍工電子設(shè)備的EMC設(shè)計，第1步要做好的就是設(shè)備電源的EMC設(shè)計。 2．1．1 電源EMC設(shè)計的主要對策 (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。最簡單的隔離變壓器是在初次級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。 (3)合理設(shè)計二次電源。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)電源對外來干擾有一定的抑制能力，但不少開關(guān)電源對外的輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射過大，致使在EMC試驗時，能通過敏感度項目卻通不過發(fā)射項目。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，還可以在屏蔽機箱內(nèi)部把電源部分整體再屏蔽在另一個與其它部分隔離的空間內(nèi)，形成對電源的整體屏蔽。 2．2 機箱電磁屏蔽 機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項與機箱的屏蔽直接有關(guān)，其余與電纜有關(guān)的項目也間接與機箱屏蔽有關(guān)，因為電纜是要通過機箱進(jìn)出的。 2．2．1 設(shè)計屏蔽機箱的幾點原則 (1)保證屏蔽層的導(dǎo)電連續(xù)性。理論分析和EMC試驗都證明，電磁屏蔽體上的細(xì)長縫隙將使屏蔽效果大打折扣。因此，機箱結(jié)構(gòu)上的所有外部縫隙都要實現(xiàn)連續(xù)且有良好的導(dǎo)電接觸。而對于直徑小于屏蔽機箱厚度的小孔，一般不必?fù)?dān)心影響EMC效果。 (2)妥善處理機箱的各種開口。機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，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)，并對穿過屏蔽層的導(dǎo)線做濾波處理。 (3)正確選擇和安裝機箱接插件，解決電纜屏蔽問題。進(jìn)出機箱的線纜如處理不當(dāng)，會減弱甚至失去機箱屏蔽效能。因此，連接至機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箱的屏蔽層保持導(dǎo)電連續(xù)性。安裝在機箱上的插座要選用符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽型接插件。機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)計中的EMC對策 電路EMC設(shè)計的基本原則已有許多文獻(xiàn)述及，此處僅提一下幾個實用的具體細(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)計時應(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)計首選。 2)信號傳感器的選用和傳感信號放大器的設(shè)計。傳感器一般安裝在設(shè)備主機箱以外，因此，對主機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測試時。 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的能力很強，因此一般應(yīng)采用這種輸入方式。但當(dāng)干擾信號大到一定程度時(如RS103試驗時干擾場強最大可達(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。實際試驗的結(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更勝一籌。因此，究竟選用哪種輸入放大電路，還需結(jié)合實際情況決定。 3)強化有源器件的高頻旁路。按照GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)做RS103項目的試驗時，有時會出現(xiàn)這種情況：干擾信號為等幅波時，輸出信號不受干擾；干擾信號為調(diào)幅波時，輸出信號中就有了干擾。經(jīng)分析，可能是調(diào)幅波干擾信號竄入電路后，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，強化對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，對軍工電子設(shè)備進(jìn)行EMC設(shè)計時，設(shè)計重點依次是電源、屏蔽、電路，而對接地的設(shè)計考慮則自始至終貫穿于這3個方面。 3 針對各項軍標(biāo)EMC試驗的達(dá)標(biāo)技術(shù) 電磁干擾的物理本質(zhì)是電磁場的相互作用。從理論上來講，有關(guān)電磁場的任何問題，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，電磁場的空間分布非常復(fù)雜，閨此，在求解Maxwell方程組時無法得到足夠精確的、與現(xiàn)實環(huán)境相一致的邊界條件。而眾所周知，數(shù)學(xué)物理方程的解是強烈地依賴于邊界條件的。只要在理論計算中假定的邊界條件與實際分布有細(xì)微的差別，計算得出的結(jié)果就可能變得毫無意義。在這樣的情況下，實用經(jīng)驗仍然在軍工電子設(shè)備EMC設(shè)計中起著相當(dāng)重要的作用。 在GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)所列出的全部19項EMC試驗中，有5項和天線有關(guān)。如果被測試的不是無線通信類設(shè)備，這5項一般不需要做。CS109和RS105這2項試驗通常做得較少。余下的12項試驗，按其性質(zhì)可分成4類：傳導(dǎo)發(fā)射類試驗、傳導(dǎo)敏感度類試驗、輻射發(fā)射類試驗、輻射敏感度類試驗。以下針對這4類電磁兼容性試驗項目，以測試達(dá)標(biāo)為目的，介紹一些經(jīng)實踐證明有效的設(shè)計準(zhǔn)則和經(jīng)驗。 3．1 傳導(dǎo)發(fā)射類試驗 傳導(dǎo)發(fā)射類試驗包括CE101、CE102、CE107。前2項屬于電源線常規(guī)傳導(dǎo)發(fā)射試驗，都是測試EUT傳導(dǎo)發(fā)射到電源線上的信號，區(qū)別是所測試的傳導(dǎo)發(fā)射頻段不同；后1項測試EUT從電源線傳導(dǎo)發(fā)射出的尖峰信號。這3項傳導(dǎo)發(fā)射試驗所針對的都是EUT電源對環(huán)境的干擾，要求必須在規(guī)定值之下，以防止任何1臺設(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)射信號有2個來源：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，最簡單的隔離方法是采用具有屏蔽隔離層的電源變壓器，對于低頻段的EMI有較強的隔離功能。 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，對低頻段干擾基本無效。 電源電路的輸出濾波也很重要。對于功率型的電子設(shè)備，當(dāng)負(fù)載功率變化時，造成電源供電變化，進(jìn)而造成外部線上電源波動。如果這個波動的頻率超過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，利用電容的儲能作用，能夠使電源波動平滑化。只要把電源波動的頻率降到25 Hz以下，就可避開CE101試驗頻率的下限使試驗達(dá)標(biāo)。對于信號型的電子設(shè)備，前端電路通過電源傳出去的干擾信號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。又因為穩(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試驗項目達(dá)標(biāo)。 CE107項目測試電源線尖峰信號對外的傳導(dǎo)發(fā)射干擾。電子設(shè)備工作時可能產(chǎn)生各種類型的尖峰干擾信號，但從傳導(dǎo)功率的強度和對共用電源的影響方面來考慮，EUT的電源開關(guān)是尖峰干擾的一個主要來源。如在某工程的一次多設(shè)備EMC聯(lián)合測試時，發(fā)現(xiàn)每當(dāng)某設(shè)備啟閉電源時，都會造成鄰近的另一臺設(shè)備死機。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)前一臺設(shè)備未通過CE107試驗，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)備電源從冷啟動改為熱啟動，或用無觸點開關(guān)代替機械開關(guān)，或者降低開關(guān)接通／關(guān)閉時電流上升／下降的速率等。 3．2 傳導(dǎo)敏感度類試驗 傳導(dǎo)敏感度類試驗包括CS101、CS106、CS114、CS115、CSI16。前2項針對EUT的電源線做試驗，后3項測試的是連接到EUT的所有電纜(包括電源線)。本類試驗測試EUT對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，EUT對干擾不敏感，能保持正常工作。 CS101和CS106這2項試驗要求EUT在來自電源線的傳導(dǎo)干擾信號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)敏感度測試比傳導(dǎo)發(fā)射測試更難達(dá)標(biāo)。這是因為在傳導(dǎo)發(fā)射測試時，被測信號是來自設(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)射出的干擾信號幅度和頻率也不一定落在被測的范圍內(nèi)。比如當(dāng)被測設(shè)備內(nèi)部只有低頻小信號電路時，傳導(dǎo)發(fā)射類試驗就較易過關(guān)。而在做傳導(dǎo)敏感度試驗時，干擾信號來自外部，EUT必須在整個頻段內(nèi)防御外來干擾。對付這種干擾，單純依靠電源濾波器是不夠的。對低頻段來說，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。因為電源濾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，反而會造成新的電磁干擾。這一點對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)生的磁場相互抵消，避免磁飽和，共模干擾得到了抑制。在EMC測試時有過這樣的經(jīng)驗，當(dāng)CS101就差一點達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的時候，在電源線上串1個磁環(huán)，往往可收到立竿見影的效果。 對于傳導(dǎo)敏感度試驗項目CS114、CS115、CS116來說，干擾頻率范圍從10 kHz到數(shù)百MHz，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個濾波器。在電纜接入到設(shè)備機箱的地方，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)計上來講，如電路的輸入信號采用平衡差分方式，連接到EUT的信號電纜應(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 輻射發(fā)射類試驗包括磁場輻射發(fā)射項目RE101和電場輻射發(fā)射項目RE102，最主要的測試項目是電場輻射發(fā)射RE102，測試的頻率范圍是10 kHz～18 GHz，在這個頻段內(nèi)任何一個頻點上EUT的輻射發(fā)射信號都必須低于規(guī)定值才判定為測試達(dá)標(biāo)。 對于一臺具體的受測設(shè)備，實際的輻射發(fā)射頻率不可能覆蓋上述整個頻率范圍，輻射發(fā)射的能量往往集中在某些頻點或頻段中。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，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很重要的參數(shù)，這個頻率一般在幾十kHz到幾百kHz間，也有的使用MHz級的變換頻率。如果在RE102測試時有某些頻段最難達(dá)標(biāo)，有時改換頻率不同的開關(guān)電源，可以在試驗時避開這些頻段。 經(jīng)驗表明，開關(guān)電源除了直接的對外輻射發(fā)射外，電源電路的脈寬調(diào)制(PWM)信號還可能對設(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。在機箱內(nèi)部對開關(guān)電源單獨進(jìn)行屏蔽可以大幅度抑制掉這種干擾。 另一個主要的輻射發(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單，因為晶振的頻率都是已知的，而且非常精確，如在RE102項目測試中測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)計振蕩電路以減少晶振的諧波，必要時對晶振電路進(jìn)行板級屏蔽。盡量避免在電路里使用多個振蕩源，而采用從一個振蕩器導(dǎo)出其余所需頻率的技術(shù)。這些措施都可以使晶振的對外輻射大幅降低。目前有一種擴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，以降低在某個特定頻點上的峰值輻射能量。有時可以考慮選用這種晶體振蕩器。 對于大多數(shù)軍工電子設(shè)備來說，不具有產(chǎn)生強磁場輻射的條件，RE101項目達(dá)標(biāo)難度一般不大。 3．4 輻射敏感度類試驗 輻射敏感度類試驗包括磁場輻射敏感度項目RS101和電場輻射敏感度項目RS103。對于需要接收或檢測微弱電信號的通信設(shè)備和自動控制設(shè)備，電場輻射敏感度是極為關(guān)鍵的測試項目，也可以說是所有EMC試驗中最難過關(guān)的一項測試。 要使RS103測試達(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)入機箱，電源電纜要有屏蔽層，而且這一屏蔽層要在機箱外部接地，不能隨電源電纜進(jìn)入機箱內(nèi)再接地。 對于機箱的屏蔽，前面已提到要盡量保持整個機箱的導(dǎo)電連續(xù)性，仔細(xì)處理好機箱上的每一處接縫和開口。機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：把l臺調(diào)頻收音機調(diào)到收音狀態(tài)放在鐵制機箱內(nèi)，讓聲音通過機箱表面的小孔傳出。當(dāng)把機箱蓋好后，收音機仍然能接收到電波。然后開始壓緊機箱蓋板，每壓緊一點，收音機的廣播聲就輕一點，當(dāng)壓緊到一定程度后，就完全收不到廣播，只傳出收音機自身的靜態(tài)噪聲�？梢妷壕o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，外來電場輻射就會進(jìn)入機箱。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透光性有影響。無論采用哪種方法，都要注意屏蔽層與機箱良好的導(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通過后屏蔽罩的信號線進(jìn)行濾波。 電纜孔也是外來電場干擾竄人機箱的薄弱點。未采取措施的電纜穿過屏蔽體時，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。 相比電場輻射來說，要求做磁場輻射敏感度RS101試驗的較少。但要注意，如果設(shè)備中有對磁場輻射敏感的器件如電感線圈或電磁傳感器等，就可能在RS101測試中不能達(dá)標(biāo)。筆者曾把1臺通信設(shè)備安裝在某平臺的艙壁上，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干擾，但該設(shè)備已通過了RS103測試，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)生了強磁場，屬于磁場干擾而非電場干擾。因為電屏蔽和磁屏蔽的防護(hù)要求不同，通常的密封金屬機箱無法抵御磁場輻射。最后把該設(shè)備的動圈式語音傳感器改換成對磁場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)計實例 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，獲得了良好的效果。以下試介紹一例。某通信設(shè)備，由1臺主機和若干臺從機、分機組成，要求按照GJB151A．97標(biāo)準(zhǔn)做CE102、CE107、CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103共9項EMC試驗。 4．1 主要設(shè)計考慮及措施 1)機箱：考慮到該項設(shè)備對于重量相當(dāng)敏感，決定采用ZL110型航空鑄鋁制造主機機箱。為減少縫隙，除前面板和上蓋板外，機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箱上時，螺旋管被適度壓緊，保持接觸面的導(dǎo)電連續(xù)性。為保證機箱表面的高導(dǎo)電率，機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。從機和分機的機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箱，保險絲座加屏蔽罩。電源線進(jìn)入機箱后立即接人雙節(jié)型電源濾波器，濾波輸出接至三層屏蔽(初級、初次級問、次級三層屏蔽)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)機箱接插件：機箱插座采用軍標(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結(jié)構(gòu)地，內(nèi)屏蔽層根據(jù)線纜所載信號的性質(zhì)選擇接地方式。所有線纜在進(jìn)入機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；差分信號線通過共模扼流圈濾除共模干擾信號；話筒輸入的微弱音頻信號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，整機工作于低功耗狀態(tài)，可省去散熱系統(tǒng)以利機箱屏蔽。因為功耗小，可以使用線性二次電源，杜絕了開關(guān)電源的電磁輻射。 采取以上各種措施后，使得該臺設(shè)備在確保各項技術(shù)指標(biāo)的同時，順利通過了按照GJB151A－97標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的9個項目EMC試驗，安裝到使用平臺后又通過了全系統(tǒng)EMC實測試驗，已在復(fù)雜的電磁環(huán)境中工作多年始終正常。 5 結(jié)語 參照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB151A．97的相關(guān)條文，結(jié)合實際工作，總結(jié)了軍工電子設(shè)備EMC設(shè)計和測試達(dá)標(biāo)的一些經(jīng)驗。電磁兼容是理論性與實踐性都很強的技術(shù)，在設(shè)計軍工電子設(shè)備時，如能夠依據(jù)理論和經(jīng)驗較充分地預(yù)估到EMI的各種可能形式并采取相應(yīng)的EMC對策，將使得整個設(shè)計過程更為合理有效，并且在完成設(shè)備制造進(jìn)行電磁兼容性試驗時，不會出現(xiàn)大的反復(fù)，確保工作的質(zhì)量和進(jìn)度。 參考文獻(xiàn)：[1] 韋錦松，湯恒正，陳世鋼，等．軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[M]．北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1997．[2] 曲長云，王素英，郭仕恩，等．軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量[M]．北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1997．[3] J．D．杰克遜．經(jīng)典電動力學(xué)[M]．北京：人民教育出版社，1978．[4] 陳偉華．電磁兼容實用手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1998．
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溫馨提示：對產(chǎn)品進(jìn)行EMC整改時，首先應(yīng)考慮到單個產(chǎn)品整改與批量生產(chǎn)時的差異性。一般來說，EMC整改時會對產(chǎn)品各個部分進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整，所使用的對策及元器件都是反復(fù)挑選的。而在批量生產(chǎn)時，由于生產(chǎn)為流水線作業(yè)，很難對產(chǎn)品各個部分仔細(xì)調(diào)整，再加上所采用元器件的批量離散性，批量生產(chǎn)產(chǎn)品的EMC性能也會參差不齊。只有在產(chǎn)品整改時為這種差異留下足夠的裕量，才能保證批量生產(chǎn)產(chǎn)品的EMC標(biāo)準(zhǔn)符合性。若批量生產(chǎn)的工藝一致性控制良好，所使用元器件的一致性很好，同時考慮到實驗室測試設(shè)備不確定度，傳導(dǎo)騷擾的整改至少要有4dB的裕量;輻射騷擾的整改至少要有6dB的裕量。若工廠的生產(chǎn)工藝一致性控制不是特別到位（如主要是手工或半手工操作，而非計算機控制的自動化操作），所采用的元器件離散性較大，建議裕量至少再提高3dB。必要時，可通過對EMC整改后批量生產(chǎn)的產(chǎn)品抽取至少三臺樣品進(jìn)行相關(guān)項目檢測，以確定是否均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求及結(jié)果的離散性如何，是否符合標(biāo)準(zhǔn)中對批量產(chǎn)品測試的標(biāo)準(zhǔn)符合性的判定準(zhǔn)則。若都合格，則可判斷該整改措施是合適且有效的。    對常見電磁兼容不合格，綜合采用以下整改措施，一般可解決大部分問題：屏蔽問題： 加強屏蔽、減少縫隙：可以在屏蔽體的裝配面處涂導(dǎo)電膠，或者在裝配面處加導(dǎo)電襯墊，甚至采用導(dǎo)電金屬膠帶進(jìn)行補救。 導(dǎo)電襯墊可以是編織的金屬絲線、硬度較低易于塑型的軟金屬(銅、鉛等)、包裝金屬層的橡膠、導(dǎo)電橡膠或者是梳狀簧片接觸指狀物等。布局布線問題： 在不影響性能的前提下，適當(dāng)調(diào)整設(shè)備內(nèi)部各部件之間的布局，電纜走向和排列，以減小不同類型的部件、電纜相互影響。 接地問題：加強接地的性能，降低接地電阻；對于設(shè)備整體要有單獨的低阻抗接地。接口問題： 加強接口的濾波和金屬機箱與屏蔽層的連接；在設(shè)備電源、信號的輸入、輸出線上改進(jìn)或加裝濾波器。電纜問題： 正確選擇傳輸電纜；電纜的屏蔽層正確接地；改變普通的小信號或高頻信號電纜為帶屏蔽的電纜；改變普通的低頻、大電流信號或數(shù)據(jù)傳輸信號電纜為對稱絞線電纜。關(guān)鍵部位的處理：對重要部件、板卡、器件進(jìn)行屏蔽、隔離處理，如加裝接地良好的金屬隔離倉或小的屏蔽罩等。電路和電源問題：改進(jìn)或增加電源、電路的濾波，以旁路去其高頻干擾。


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