基于发射机的电磁兼容性设计

　　EMC(电磁兼容性)是研究EMI(电磁干扰)的学科，是一门新的综合性学科。随着国民经济和高科技产业的迅速发展，EMC技术已由最初单纯排除干扰逐步发展成为从理论上、技术上全面控制用电设备在其电磁环境中正常工作能力保证的系统工程。EMC既是电子设备系统工程的重要指标，也是产品质量可靠性保证中的重要组成部分。

　　1 EMC

　　EMC是指电子设备在共同的电磁环境中，能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。

　　EMC包括EMl和EMS(电磁敏感)两方面的内容。EMI是指电子产品向外发出干扰，EMS是指电子产品抵抗EMI的能力。为了使系统达到EMC，必须以系统的电磁环境为依据，要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射，同时又要求它具有一定的抗EMI能力。只有对每个设备作这两方面的约束，才能保证系统达到完全兼容。但是随着技术的发展、系统日趋复杂、电子计算机的广泛应用及电子电路集成度的提高，同时电子电路的EMS不断提高，抗扰度不断降低，这种各显其能、互相包容兼顾的状态很难达到。

　　要做好EMC设计，必须根据EMI的种类、特性、传播途径和耦合方式等情况，采取相应的抗干扰措施。EMI大致可概括为自然干扰源和人为干扰源两大类。自然干扰源可分为电子噪声、天电噪声、地球外噪声和沉积静电等4类；人为干扰源是指由人为因素造成的各种EMI，其典型例子有连续波干扰源、瞬态干扰源和非线性现象所产生的干扰源。

　　2发射机干扰信号的传播途径和耦合方式

　　发射机是一个产生大功率发射信号的装置，其自身就是强干扰源。因此发射机EMC设计的重点应放在抑制本身产生的干扰上。发射机产生干扰的环节较多，干扰信号具有幅度大、频谱宽的特点。

　　发射机产生的干扰信号主要来自以下3个方面：

　　a)大功率脉冲调制器、开关电源都工作在大电流脉冲方式，在脉冲前、后沿期间，由于分布电感和分布电容的存在，会产生瞬变充／放电过程，从而对附近的电子电路构成严重干扰。另外，开关管的驱动波形，MOSFET漏源波形等开关电源中的电压、电流波形都是接近矩形波的周期波，因此，其频率都是MHz级别的，这些高频信号也会对控制电路的信号造成干扰。

　　b)各种大功率开关，如交流接触器、继电器、脉冲电子开关、尖端放电和各种控制开关等，在接通或断开电感电容负载时，都会产生很强的瞬态干扰信号。

　　c)微波管、微波功率组件、射频传输系统和检测装置会产生不可避免的微波泄漏，并且在不同的器件类型及其不同的系统组成中，泄漏的频谱和幅值是不同的。如磁控管的射频能量可通过阴极引线向外辐射；具有降压收集极的行波管，由于收集极处于高电位上，其绝缘距离较大，成为形成该类微波管微波泄露的主要地方；而速调管的阴极是在电子枪中，处于微波功率的输入区，功率较小，微波泄漏也较小。固态微波功率组件是靠盒体进行屏蔽，其接缝、输入／输出接头、指示灯、开关等处都可能泄漏微波，另外，高速电子打在微波管的收集极或管体上，会产生X射线。

　　发射机产生的干扰信号的主要耦合途径有传导耦合、共阻抗耦合、感应耦合和辐射耦合。

　　a)传导耦合，是干扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一，可通过电源线、信号线、互连线和接地导体进行耦合。

　　b)共阻抗耦合，是出现在两个以上不同电路的电流共同流经一个公共阻抗所产生的，这种情况下的电源线和地线常流过多个不同电路的电流，电流变化越大，其影响越大。

　　c)感应耦合，是导体之间、部件(变压器、继电器和电感器)之间以及部件与导体之间的一种主要干扰耦合方式。

　　d)辐射耦合，其途径包括机壳与电缆、机壳与机壳、电缆与电缆等多种形式。

　　针对以上耦合途径，雷达发射机的抗干扰设计应从减小干扰信号强度、减小干扰源与敏感电路之间的耦合、按最小敏感度要求设计敏感电路3方面考虑。

　　3 EMC设计

　　电子设备的EMC设计思想就是采用屏蔽、隔离、接地、滤波等多种方法将外系统对本系统的干扰以及本系统对外部的干扰减弱，通过选择抗干扰能力强的元器件以及提高固有元器件的抗干扰强度等多方面设计，使系统内的部件对于EMI敏感程度降低。为了提高电子设备的EMC能力，必须从开始设计时就给予EMC以足够的重视。由于发射机本身的特点决定了已无法从EMI发射源来进行抗干扰设计，只能通过切断耦合途径或提高敏感设备自身的可靠性来着手解决EMC问题。具体方法概括为地线设计、屏蔽设计、瞬态抑制和滤波设计4个方面。

　　3.1地线设计

　　地线设计是最有效且廉价的解决EMI的方法，设计思想有3点：一是地线应尽量短，以减小地线电阻，降低地线干扰电压；二是合理布局，减小互耦；三是各种地线各行其道，互不干涉。通常采用悬浮接地、单点接地、多点接地和混合接地4种形式。

　　a)悬浮接地，是将电路或设备中的接地系统在电器上与参考地及其他导体相隔离。悬浮地与大地间有电位隔离问题，常用光／电耦合器、光纤隔离和变压器隔离等，对于高电位(数千伏以上)的隔离常用光纤或变压器实现。

　　b)单点接地，适合于较近的多单元低频(低于1MHz)电路的接地。但是当地线长度超过被传信号1／4波长时，其接地电阻将增大，从而失去接地作用。

　　c)多点接地，适合于高频(高于10 MHz)系统和数字电路的接地，宜采用大面积接地，以减小地阻抗和地线的趋肤效应。

　　d)混合接地，适合于大系统，因为在实际设备中，单一的接地方式很难满足系统要求，因此需要采用混合接地。在雷达发射机的实际地线设计系统中，为了实现较好的混合接地，常采用安全地、模拟地、数字地三地分开接地的方式。安全地线目的是用低电阻连接来排除内部或外部产生的电磁场电流，从而基本上保持设备间的等电位。模拟地线由绝缘导体组成，以保证与安全地和数字地隔离，可作为模拟电路和模拟电路电源接地。数字地线由绝缘导体组成，以保证与安全地和模拟地隔离，用于数字电路和数字电路电源接地。具体做法是机柜内采用3条面积较大的汇流条，各单元的3种地分别接在各自对应的汇流条上，然后分别引出机柜，再与机柜间的3条汇流条(其面积应更宽)对应相连，最后将各汇流条分别引线到同一点汇人大地。每个接地系统内部以及三通道接地系统之间都不应造成接地系统的闭合回路，以免形成环路电流，这种环路电流是形成设备中干扰的一种主要来源。

　　对于高频信号的接地，可通过一个10 nF～100 nF的无感电容器与机壳相接，以便使高频电流信号就近接地。使用屏蔽双绞线或屏蔽电缆时，为了防止其耦合，屏蔽层应接地。但当干扰源频率较高时，则单端接地的屏蔽层会产生谐振。这时可采用双层屏蔽电缆，并将外屏蔽层两端接地，内屏蔽层单端接地。

　　3.2屏蔽设计

　　对辐射性耦合需采用屏蔽技术加以抑制。即通过对敏感电路的屏蔽，减小其所受的干扰，也可以通过对干扰源的屏蔽来削弱其干扰信号的辐射强度。雷达发射机能产生干扰源的地方较多，且于扰信号的强度也大。因此，发射机的屏蔽设计既要对干扰源进行屏蔽，也要对敏感电路进行屏蔽，才能达到EMC设计的要求。雷达发射机中辐射干扰源的屏蔽主要集中在大功率微波管和射频传输系统上，常用的方法是用具有绝缘特性的微波吸收材料包封泄漏微波的缝隙，同时对安装微波管的机箱或机柜再采取一次屏蔽处理，以提高其屏蔽效果。对于变压器、电感器或强大电流引线，均应采用磁屏蔽罩或磁屏蔽套来屏蔽磁干扰，并且将这些器件或导线安装在远离小信号或敏感电路的地方，以减小其耦合。对于既有磁场干扰又有电场干扰的干扰源，其屏蔽盒体应采用在具有高磁导率材料的表面镀上一层高电导率材料(金或银)的方法。屏蔽体材料选择的原则是：

　　a)当干扰电磁场的频率较高时，利用高电导率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，电阻电导率越高，这种抵消作用越大，从而达到屏蔽的效果。

　　b)当EMI波的频率较低时，则采用高导磁率的材料，使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。

　　c)在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。任何结构的金属都是良好的EMI吸收材料，增加屏蔽物厚度，可增加EMI的吸收量。

　　3.3滤波设计

　　为满足EMC要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采用EMI滤波器件加以抑制，滤波器可以显著地减小传导干扰的电平。采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合，或是增强接收设备的抗干扰能力，都是一种有力的措施。应用阻容和感容去耦网络(如隔离变压器)能把电路与电源隔离开，消除电路之间的耦合，并避免干扰信号进入电路，达到既能抑制共模干扰，又能抑制差模干扰的作用。

　　近年来，开关电源在雷达发射机中得到广泛应用，开关电源除了具有体积小、效率高的特点外，能发射强烈的EMI也是一大特征，因此电源线上必须安装滤波器，否则不可能满足EMC的要求。安装在电源线上的滤波器称为电源线干扰滤波器，安装在信号线上的滤波器称为信号线干扰滤波器。之所以这样划分，主要是因为两者除了都对EMI有较大的抑制作用外，分别还有一些特殊的考虑。信号线干扰滤波器要考虑滤波器不能对工作信号有严重的影响，不能造成信号的失真；电源线干扰滤波器除了要满足安全方面的要求外，还要确保当负载电流较大时，电路中的电感不能发生饱和，否则滤波器性能会下降。

　　根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等种类。在EMC设计中，低通滤波器用得最多。这是因为：

　　a)EMI大多是频率较高的信号，因为频率越高的信号越容易辐射和耦合。

　　b)数字电路中许多高次谐波是电路工作所不需要的，必须滤除，以防止对其他电路产生干扰。

　　c)电源线上的滤波器都是低通滤波器。

　　常用的低通滤波器是由电感和电容组成的，电容并联在要滤波的信号线与信号地线之问或者信号线与机壳地或大地之间，电感串联在要滤波的信号线上。

　　3.4瞬态抑制

　　针对雷达发射机控制电路中交流接触器、继电器以及脉冲电子开关等，在接通或断开的瞬间产生的电火花或电弧干扰，应正确选择和使用各种瞬态电压抑制器件，如压敏电阻、齐纳二极管等。如在电源输入端、整流桥的输出端和容易产生尖峰电压的地方并联一个压敏电阻可以有效地泄放浪涌电压，压敏电阻类似于两个反极性串联的稳压二极管。当电路电压小于压敏电阻标称电压时，其电阻很大，只有几微安的漏电流通过，一旦电路中的电压超过了压敏电阻标称电压时，压敏电阻的电阻会立刻减少，同时可以通过数千安的电流，将浪涌电流释放。在选取压敏电阻时，要注意电路中的浪涌电流和电压应在压敏电阻的额定范围内，超过了压敏电阻的额定范围，压敏电阻会损坏。

　　另外，可在交流接触器线圈两端并联RC吸收网络，在继电器线圈两端并联续流二极管等方法来减小该类器件通断瞬间的干扰脉冲的能量。在信号线的输入／输出端口采用RS485／RS422收发器，可消除静电尖峰电压。

　　3.5其他常用的提高设备EMC的方法

　　3.5.1 PCB的设计

　　良好的PCB(印制电路板)设计在EMC设计中是非常重要的因素，通过选择元器件、合理布局和布线，可以改善电源的瞬变特性和辐射特性、减少电磁辐射强度，对达到电子设备EMC要求有明显的作用。

　　a)元器件的选用：尽量少用高速器件；有引脚的元件有寄生效果，因此引脚的长度应尽可能短；从提高EMC的角度来看，表面贴装元件效果最好，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚的元件。

　　b)印制电路板的布局：当高速、中速和低速数字电路混用时，在PCB上要给它们分配不同的区域；对低电平模拟电路和数字逻辑电路要尽可能地分离；易受干扰的元器件不能彼此靠得太近；尽量采用多层PCB，使地线和电源线的面积尽可能地大，尽可能地缩小高频大电流电路所包围的面积；缩短高电压元器件的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的EMI；有脉冲电路流过的区域应远离输出端，使噪声源与直流输出部分分离；交流输入端尽量远离输出端，可避免由于相互问靠得太近，通过线路间的耦合，将原本“干净”的输出由于受到输入端的EMI而受到“污染”。

　　c)印制电路板的布线：单面或双面PCB的电源线和地线应尽可能靠近，最好的方法是电源线布在PCB的一面，地线布在PCB的另一面，上下重合，这会使电源的阻抗最低；专用零伏线和电源的走线宽度应≥1 mm；整块PCB上的电源和地线要呈“井”字分布，使得布线的电流达到均衡；在PCB上模拟地与数字地要分开，最终在合理的地方汇合。

　　PCB上的线宽不要突变，导线不要突然拐弯。为减少平行走线时的串扰，可增加印刷线条间的距离，或在走线之间有意安插一根零伏线，作为线条之间的隔离；集成电路的电源引脚要加旁路电容到地。PCB设计中还要特别注意电流导线环路尺寸，因为这些回路相当于正在工作的小天线，随时向空间进行辐射。

　　3.5.2设备内的布线

　　尽量选用双绞线、屏蔽双绞线和同轴电缆等有抑制EMI能力的导线或电缆，走线时应将设备的输入线与输出线分开、大信号线与小信号线分开、滤波器的输入线与输出线分开、高频电缆与视频电缆分开；信号通道进行光电隔离，采用光纤传输，用光缆代替电子设备间的信号电缆，可免除连接线外界的EMI的影响，同时提供良好的电气隔离并保证传输数据的保密。

　　3.5.3软件抗干扰设计

　　由于发射机功率很大，其微波峰值功率达数兆瓦，调制脉冲电压可高达上百千伏，脉冲电流达数千安，且有许多强功率开关和非线性元器件，是一个强干扰源，而发射机监控电路又是一个敏感度很高的小信号电路，要可靠地工作，需要在设计过程中采取各种抗干扰措施。硬件上采取的措施包括采用隔离电源供电、用光电隔离输入／输出信号等。软件上则常采用下面的一些方法来提高发射机监控电路的抗干扰性。

　　a)对于输入的开关信号进行延时去抖动。

　　b)A／D转换采用数字滤波，如采用比较平均法、平均法等，以防止突发性干扰。

　　c)在软件中的关键部位设置看门狗，保证即使软件走飞也能从头开始。

　　d)尽量用查询代替中断，把中断减少到最少。

　　e)通信加奇偶校验或采用查询、表决、比较等措施，防止通信出错。

　　4 结束语

　　由于电子技术的广泛应用，而且在电子设备运行过程中各种干扰是随机的，要完全消除EMI是不可能的。但是，根据EMC原理，可以采取许多技术措施减小EMI，使EMI控制到一定范围内，从而保证系统或设备的EMC。但是，随着电子系统的集成化、综合化，以上措施的应用往往会与成本、质量、功能要求产生矛盾，因此必须权衡利弊，研究出最合理的措施来满足电子设备的EMC要求。保证设备的EMC是一项复杂的技术任务，对于这个问题不存在万能的解决方法。只要掌握有关EMC的基本原理，认真分析和试验，就能找到合适的解决问题的方法。