舰载天线稳定平台EMC设计

      0　引言

      舰载天线稳定平台是为安装在船舶桅杆上的微波天线提供一个不受船舶摇摆影响的安装水平面,其功能是在舰船摇摆情况下,补偿舰体运动引起的纵、横摇摆角,使天线始终垂直于水平面。但因其安装位置处于恶劣电磁干扰环境下,外部除了自身承载的微波天线的辐射外,还有附近的各种类型雷达和通信天线的辐射干扰,内部电机的PWM干扰,要保证设备在恶劣电磁干扰环境下正常工作,必须对电磁兼容严格设计。

      电磁干扰(EMI)即电子设备或电气设备所产生的电噪声,这些电噪声表现为多种形式,可以是连续的、随机的或周期性的。EMI的形成必须同时具有3个因素:电磁干扰源;对干扰能量敏感的接收设备;将干扰能量从干扰源传播到接收设备的传播途径。如果一个系统既不是干扰源也不是接收设备,那么该系统是电磁兼容的。电磁兼容性的研究是围绕构成电磁干扰的3个因素进行:提高抗干扰性能及减少对其他设备的干扰辐射和干扰传导。恰当的系统设计技术可抑制发射传导和辐射干扰,恰当的设计技术可硬化系统以减小其对干扰的敏感度,恰当的屏蔽、接地、滤波以切断干扰的传播途径以保护受害设备。

      1　电源线尖峰信号传感敏感度设计

      设备对尖峰信号的敏感度即设备能够承受规定水平的瞬态干扰,不会出现故障或工作状态混乱。电源线尖峰信号传感敏感度(CS106)的测试条件为在设备不接地的交流电源线上注入脉冲宽度小于5μs、幅值为400 V的尖峰信号,CS106测试原理图如图1所示。

      试验过程中，尖峰信号与交流信号波形的峰值同步，同时为了产生最大跟随能量，尖峰信号均施加在过零点，即分别在0度、90度、180度、270度的相角上进行测试。尖峰信号发生器的输出电压从0V开始逐渐增大,当输出电压增加至350 V时,设备的液晶显示屏出现了白屏,设备受到了尖峰信号的干扰,不能正常工作。

      1.1　非线性器件瞬态抑制

      无论是从电源线还是从信号线进入的瞬态,都可以使用非线性器件衰减。将这些器件与被保护线路并联,对于正常的信号或电压水平,它表现为高阻态———主要由它自己的电容和漏电特性决定。当干扰源的电压大于它的击穿电压时,器件会立即转变为低阻态,使从瞬态源过来的电流离开保护电路,限制了保护电路上的瞬态电压。以瞬变电压吸收二级管(TVS)为例,TVS就是硅雪崩型二级管,它体积小、响应时间短。TVS在击穿前表现为一个跨接在线路输入端的高阻抗负载,而出现瞬态高压时,它即被激活,PN结发生雪崩效应,吸收大量能量,因此以箝位方式限制线路电压在允许范围内。在选取这些非线性器件时,它们必须能够承受电路的连续工作电压,并具有一个安全裕量,以吸收来自任何预期瞬态的能量。对瞬态抑制器的典型安装位置图如图2所示（略）。

      本系统设计时，采用压敏电阻和瞬变电压吸收二级管进行电磁兼容设计。在天线稳定平台控制器电源进线间并联了压敏电阻。压敏电阻耐浪涌电流、电压有一定的容量，一般按式（1）选择其标称电压：

      式中，Um为线路额定电压峰值，为电压升高率，一般取1.05~1.10

      在倾角仪和陀螺信号传输电路设计中,将TVS并联在功率管两端;同时,在供电DC电源两端并联TVS,在CAN总线的信号线与地线之间并联TVS,它们均对电路起到了保护和抗电磁干扰作用。

      1.2　线缆内部的串扰效应控制

      系统内部的线缆走线布局对线缆之间本地电场和磁场的耦合有极大影响。为了使线缆之间耦合最小,应对不同类型的线缆进行划区,并且相互之间至少保持150 mm的间隔;当不同类型的线缆不能避免相邻走线时,应尽量缩短走线长度。这样可以减小线缆内部的串扰效应,对系统电磁兼容设计取得较好效果。

      2　电场辐射敏感度(RS103)设计

      天线稳定平台为了保证天线始终垂直于水平面而不受舰船摇摆的影响,采用了倾角仪和速率陀螺测量舰船倾角信号和摇摆速率信号分别引入反馈和前馈组成复合控制策略,实现天线稳定平台的伺服控制。在本系统中采用力平衡式倾角仪LCF100测量舰船倾角信号,将天线稳定平台置于10 kHz~40 GHz、200 V/m的辐射电场强度的环境中进行RS103测试时,天线稳定平台受到了干扰,系统不能正常工作。

      2.1　采用屏蔽技术降低电场辐射

      屏蔽是利用导电或导磁材料制成壳、板、套、筒等各种形状的屏蔽体,将电磁能量限制在一定空间范围内抑制辐射干扰的一种有效措施。使用屏蔽体将外来电场与屏蔽空间隔绝,同时将屏蔽体接地以消除电势的影响,实现有效屏蔽。由于屏蔽的机理是电场反射损耗,而且二次反射趋向于减小总体反射损耗,故涂层电阻率越高屏蔽效果越差。在电场屏蔽设计时应采用良导体制成屏蔽体,通过对电磁波的反射和吸收作用来达到衰减电磁能量,减少辐射干扰的目的。屏蔽体的孔缝在实际应用中是不可避免的,它是影响屏蔽的一个重要因素。为了保证屏蔽效果,减小屏蔽体的电阻,并且在设计屏蔽体时应尽量减小垂直于电场方向的孔缝尺寸。

      在本系统中采用铝壳表面镀银做成的屏蔽盒进行电场屏蔽,将倾角仪和信号调理电路置于此屏蔽盒中,同时采用了2层屏蔽,控制2层间距尽量接近1/4波长的奇数倍(由于在频率很高时,电磁波在2屏蔽层间会产生谐振。当2层间距为1/4波长的奇数倍时,双层屏蔽具有最大的屏效;当2层间距为1/4波长的偶数倍时,屏效最小),有效减小了电场辐射对倾角仪信号的影响。[page]

      2.2　采用接地技术降低电场辐射

      当采用屏蔽技术降低电场辐射时,必须将屏蔽体接地消除电势的影响,才能实现有效的屏蔽。接地技术是电磁兼容设计中十分有效的措施。接地有浮地、单点接地和多点接地3种基本形式,这些方法可以单独使用也可以组合使用。到底采用什么样的接地方式需根据具体情况确定。但有一点需引起重视,接地引线的长度必须小于工作波长λ的1/4,这仅是考虑到“地”作用的起码要求,实际接地引线的长度还要看允许电源通过该接地线所产生的电压降的大小。如果电路对此电压降很敏感,则接地引线的长度不大于0.05λ或更小;如果只是一般敏感,则接地引线可长一些,但一般不超过0.15λ。同时为了降低接地引线的阻抗,接地引线的端头应平行搭接在接地平面上。

      2.3　采用滤波技术降低电场辐射

      滤波是抑制传导干扰最直接有效的办法,同时由于良好的滤波可以抑制干扰源,因而它对辐射干扰的抑制也有明显效果。滤波器对电磁干扰的抑制作用是建立在合理选择滤波电路的形式和参数基础之上的。

      在本系统设计中,通过设计一个截止频率为2 kHz的贝塞尔低通滤波器,将2 kHz以上的噪声信号滤除,从而抑制10 kHz~40 GHz辐射源的辐射干扰。

      3　电源线传导发射干扰(CE101)设计

      3.1　试验方法

      天线稳定平台系统由监视单元、驱动控制单元和主机单元3部分组成。这3部分分别安装在不同位置,监视单元与驱动控制单元之间通过30 m的电缆相连,驱动控制单元的输出功率接近1 kW,为了实现监视单元对驱动控制单元的遥控,在驱动控制单元中应用交流过零触发型固态继电器(SSR)进行交流开关控制。CE101试验框图如图3所示。

      图3中由监视单元控制SSR的输入端，监视单元对SSR的控制电压为DC12V，当DC12V加在SSR的输入端时，SSR的输出端接通，AC220V接入驱动控制单元,通过滤波器滤波后经线性电源给目标系统供电。使AC220V输入端的一根火线穿过传感探头,将传感探头的测试端接入EMI接收机。当监视单元给驱动控制单元遥控供电时,EMI接收机按照CE101标准进行测试并记录测试曲线。结果发现测试曲线中在50 Hz的奇数倍频率和偶数倍频率处均有正弦半波出现,同时波形在偶数倍频率处有超出标准曲线的部分。CE101项电磁兼容测试不合格。

      3.2　原因分析

      为了找到电磁干扰的原因,先对交流过零触发型SSR原理和结构做一个简单介绍[1]。SSR是一种由固态电子元器件组成的新型无触点电子开关器件,一般由耦合电路、过零电路、开关器件和吸收电路等部分组成。SSR一般为4端组件,其中2端为输入端,另2端为输出端。在输入端加一控制信号,就可以控制输出端的“通”与“断”,完成开关功能。

      耦合电路是以光电耦合器作为输入、输出间的通道,在电气上完全隔离,以防止输出端对输入端的干扰。过零电路保证当开关器件2端电压过零瞬间时输入信号触发开关器件,从而完成在电压过零条件下的通、断动作,减少了开关过程所产生的干扰和污染。

      吸收回路由R、C组成,其作用是为了防止电源中带来尖峰电压、浪涌电流对开关器件的冲击和干扰。

      由SSR的原理可知,SSR的输入信号在开关器件2端电压过零瞬间触发开关器件,从而完成在电压过零条件下的通、断动作。电压过零点并非真的是在0 V处,而是在±10~±25 V区域内,即输入信号总是在交流电压过零附近才能触发SSR,实现过零触发。以一个周期AC220V正弦波为例进行说明,当使用固态继电器时,0Hz、 50Hz、100Hz处均为过零点,此时开关器件快速导通和关断,功率电路电流变化率di/dt、电压变化率du/dt较大,从而产生电磁干扰。

      3.3　解决办法

      针对电磁干扰产生的机理,采用PHOTOMOS继电器代替交流过零触发型SSR,按照上述方法进行CE101电磁兼容测试。测试结果仅在50 Hz的奇数倍频率处有正弦半波出现,并且奇数倍频率处的波形完全相同,偶数倍频率处不再有正弦半波出现,测试曲线位于CE101标准曲线范围内,完成25 Hz~10 kHz电源线传导发射干扰的电磁兼容设计。

      4　结束语

      舰载天线稳定平台由于所处环境恶劣,电磁干扰产生的因素及传递途径是十分复杂的。因此,各种措施的有效性也随之而异,指望一种既简单又万能的方法是不现实的。需要在开始设计时便着手考虑电磁兼容设计,并始终贯穿在电路设计、元器件选择和结构工艺布局等方面。本文以项目设计过程中遇到的电磁兼容问题为研究对象,对电磁干扰产生的原因进行了分析并提出了解决办法,并在实际应用中收到了较好的效果。