船舶通信中控设备的电磁兼容性设计

徐一凡, 曹建明, 王皆欢

(上海船舶运输科学研究所,上海200135)

0 前 言

随着科学技术的不断进步,目前船舶电子系统、雷达系统、通信系统、电视广播系统等功能越来越强大,而这些电子设备大多集中在一个相对狭小的专用空间内。这些设备在工作时会产生大量电磁能量,而这些能量又必然要影响其它设备的工作,从而形成电磁干扰。船舶通信中控是通信系统的关键设备,是船舶各类通信设备控制的枢纽,它具有几十个通信设备的专用接口,极易受到其它设备的干扰。为确保通信中控的稳定工作,除了对中控设备进行良好的电路设计之外,其电磁兼容设计也是一项极为重要的工作,从某种意义上来说,这项设计将直接决定电路设计的成败,决定着通信中控设备在船舶上的工作稳定性。

1 通信中控设备电磁兼容设计的关键点

船舶通信中控设备的控制对象一般为各类电台、各类终端、特高频、甚高频、卫星通信等设备,这些设备的一个共同特点就是具有很强的射频干扰和微波干扰,以及目前船舶电网的供电品质不佳造成的工频干扰。另外,由于通信中控设备与这类电子设备有着几十个实线接口,因而其传导干扰也是中控设计中所不能忽视的一个方面。因此,在中控设备的总体设计中,其电磁兼容设计的主导就是研究以各种干扰的耦合途径来进行电磁兼容(EMC)设计,即:

●重点解决空间电磁耦合对本设备的影响;

●解决工频电源对本设备的影响;

●降低实线传导干扰对设备的影响;

●设备电路设计中的抗干扰措施。

1.1 解决空间电磁耦合的干扰

在船舶无线电通信中,电台不可或缺,在各类电台的工作中,其传输泄漏是形成干扰源的主要原因之一。1根天线辐射的泄露,我们可以看成是1个干扰源的主动发射天线,而通信中控设备的各个实线接口则均是潜在的接收源,根据文献[2]可知,这二者之间的辐射耦合或者接收源对发射源的响应则可用式(1)表达。

式中:PR为接收端等效天线的接收功率;

Pr为干扰源等效发射天线的发射功率;

Gr(θ1·Φ1)为等效干扰源等效发射天线在指向等效接收天线方向的增益;

GR(θ2·Φ2)为在干扰频率上等效接收天线指向等效发射天线方向的增益;

d为两者之间的距离;

λ为干扰频率所对应的波长。

从式(1)可以看出,受干扰端设备的接收功率与二者之间距离及干扰源的功率成正比,而通信中控设备在通常情况下与各类电台均放置于同一组合机架,相互间作用距离极小,因此,提高通信中控设备的抗干扰能力就显得极为重要,否则极有可能会影响整个通信系统的正常工作。

中控设备在整个船舶通信系统中,毫无疑问属于被干扰设备。因此,如何对中控设备进行恰当合适的电磁屏蔽就成为本设备抗干扰设计的关键点。众所周知,电磁屏蔽是屏蔽辐射干扰源的远区场,是同时屏蔽电场和磁场的一种措施,当干扰电磁波以不同方向向屏蔽体入射时,首先将在其屏蔽体的表面感应出电流和电荷,随后形成新的辐射源,而新的辐射源又会产生向屏蔽体面二侧传播的电磁波。进而通过某种途径进入屏蔽体内并在内部继续传播的透射波由于屏蔽体热损耗的影响将以指数规律衰减,当这一电磁波到达屏蔽体的内侧表面时将再次产生反射,但这时电磁能量已大大减弱,从而起到屏蔽作用。显然若感应电流和电荷越大,所产生的反射场就越强,热损耗(吸收损耗)越大,透射波的衰减就越多,因此,电磁屏蔽材料必须选用导电性能优越的导体材料。

考虑到中控在通信系统中的特殊地位,以及所处强干扰源部位等因素,我们进行的屏蔽设计采用整体屏蔽方式,表面进行特殊处理以增加其导电性。然而根据散射理论可知机箱盖板与柜门处的接缝是设备中屏蔽难度最大的一类孔缝,也是产生电磁泄漏的主要原因。由于通信中控设备有着众多接口,不可能没有孔缝,因此,解决孔缝电磁泄漏就显得异常重要。

由于一个屏蔽体必定会存在多个电磁泄露要素,那么第i个泄露要素的泄漏量为

式中:E前为未加屏蔽时电偶极子场源所产生的场;

SEi为各个泄漏要素的屏蔽效能(i=1,2,3,…,n)。

则总泄漏场

从式(2)可以看出,中控设备屏蔽体(即机箱)的屏蔽效能实际上是由各个泄漏要素中产生最大泄漏的要素决定的,即是由屏蔽最薄弱环节决定的。根据这一理论,我们在通信中控EMC设计中,对整个屏蔽体设计为相互嵌套式,设计数个屏蔽体,将每个事实上的孔缝电磁泄漏处进行单独处理,每个接缝处加入导电衬垫确保两个界面间的电连续性,确保机箱体最佳屏蔽效果,用金属丝网作为通风屏蔽层,在屏蔽层内部,将主电路与电源部分再分别加装金属屏蔽,形成屏蔽嵌套,设备与外部信号交换连接器采用EMC电磁兼容连接器,从而保证了中控设备整体抗干扰效果。

1.2 解决工频电源的干扰

通常情况下船舶电源的品质都不如普通市电,其中的干扰脉冲谐波分量较大,它对中控设备的影响不容忽视。另一方面,中控本身的开关电源其内部的高频分量信号也会对通过电源口向外部设备进行干扰,从而影响其它设备的工作。如进行EMC试验时的CE102项,等等。因此,合理设计电源滤波就成为抑制电源传导干扰最为有效的手段,它要求能最大限度地把交流50 Hz等电源功率传输到中控设备本身,又要能大大衰减经电源传入的干扰信号,保护通信中控免受其害。同时它又能抑制通信中控本身产生的干扰信号,防止它进入船舶电网,污染电磁环境,危害其它设备。

在对通信中控电源输入端滤波器的设计过程中,自行设计了一套电源滤波器,经实际使用及测试,效果良好,在这一设计过程中,我们主要遵循以下的设计原则:

●选取工频的10倍频作为滤波器的截止频率;

●交流共模截止频率的选择依据CE102相关测试的规定,在不影响体积情况下尽可能降低共模截止频率;

●共模和差模电容器的选择考虑了在其失效时不危及人身安全;

●选择高频特性适当的电容器;

●选择正确的安装方式,尤其是地线的安装方式,以提高电源滤波器的实际效果。

对于交流供电电源的差模信号,主要用于传递能量,其工作频率即为AC电网的工频。若将输电线等效为传输线网络,则传输线上的工频谐波成分就与多种因素有关,如线缆的质量、走向等等。而这些谐波成分是工频的奇次谐波。为实现我们的目标而又不产生太大的能量损耗,滤波器的截止频率选择在工频的10倍以上,这里选取工频的10倍频作为滤波器的截止频率。

若设在某个频点F处所要求达到的插入损耗为IL,而IL0表示滤波器在高频段的倍频段衰减,n为滤波阶数时,与考尔(caure)I型滤波器相对应,有IL0=n×6 db/倍频。

在差模情况下的截止频率Fc还应同时满足10倍工频 f AC的要求,即Fc≥10f AC。

最终,根据该原则所设计的通信中控电源滤波器取得了很好的滤波效果。

图1—图4分别是CE101和CE102的测试结果图。

图1 CE101电源相线测试结果图

图2 CE101电源中线测试结果图

图3 CE102电源相线测试结果图

图4 CE102电源中线测试结果图

1.3 降低实线传导干扰及优化电路抗干扰功能

船舶通信中控设备具有多达几十个外部设备接口,这部分实线接口均是潜在的传导干扰通道。因此,在进行这部分的电磁兼容设计时,主要是在电路设计中考虑必要的抗干扰措施,通信中控在这方面主要进行了如下工作:

1.对全部实线信号通道采用非共地传输模式,对模拟量信号传输加装滤波连接器,并使用双绞线形式,这样能使双绞线的每个环路上感应出的干扰电流具有相反的方向,以至相互抵消,提高抗干扰效果。

2.数字信号通道采用高电压光耦电路,确保电路具有高抗干扰性。

3.恰当选择电路的工作模式,使通信中控工作在工作曲线线性最好部分,使输出谐波分量最小。不采用倍频方式处理电路,在音频功率输出级,采用乙类放大模式,使输出级产生的各项谐波最小。

4.在满足响应速度的前提下,降低晶振频率,最大限度地降低对外辐射。

5.采用三重接地方式以降低传导干扰并采用恰当屏蔽方式降低设备的敏感度,在端接电缆屏蔽时禁止使用屏蔽层辫状引出线。

6.在模拟电路信号通路中,采用平衡式差分放大电路,从而使放大器具有很好的共模抑制比(Conmon Mode Rejection Radio,CMRR),以提高模拟电路的抗干扰能力。

7.印刷电路板(PCB)设计时,注意印刷导线的布局和形状,尽可能不采用会增加驻波比的直角转弯折线,合理安排接地线;对于时钟、时隙等高频信号走线,附加伴随接地引导线,并安排芯片退耦电容,以提高电路稳定性与降低数字电路噪声。

2 接地技术的合理运用

接地是使通信中控设备正常工作的基本技术要求之一。由于电路的电流需经过地线形成回路,而地线或接地平面总有一定阻抗,该公共阻抗使两接地点之间形成一定的电压,从而产生接地干扰。而恰当的接地方式可以给高频干扰信号形成低阻抗通路,从而抑制了高频干扰信号对其它电子设备的干扰,可见接地可以引起接地阻抗干扰,同时,良好的接地亦可抑制干扰。接地系统的设计与其它电路系统设计同等重要,良好的接地可在花费较少情况下解决许多电磁干扰问题。

在通信中控设备的接地设计中,主要考虑了如下的接地技术:

1.详细分析中控设备的实际电流路径及分析电路的辐射和敏感情况,降低信号回流源的阻抗路径,并通过实验选择到较佳的接地点。

2.增加地环路阻抗,降低差模干扰电压;如增加浮地层次。在本设备中,共设计有3组零电平参考点。

3.小信号传输电路采用变压器隔离法。但这种方式会产生初次级间的寄生电容,从而降低高频时的隔离能力。因此在电路工艺处理时对变压器采用了良好的屏蔽,以适当提高高频段的隔离度。

4.合理考虑信号地线的接地方式。公共地线串联一点接地、独立地线并联一点接地、多点接地及混合接地等多种接地技术分不同电路工作频域而灵活使用,并辅以实验验证以达到最佳的抗干扰效果。

5.由于地回路干扰与接地点的位置及接地点的个数有直接关系,因此,必须进行恰当的接地选择,包括接地点的位置及接地点的个数等。

3 结 语

本文是对船舶通信中控设备研发后对有关电磁兼容性设计方面的技术总结。该中控设备的电磁兼容性经国家有关检测机构进行全面检测后,各项指标完全达到GJB151A-97和GJB152A-97的要求,设备经实船使用后效果良好,并通过了国家有关部门组织的鉴定。

[1] 张松春,竺子芳,赵秀芬,等.电子控制设备抗干扰技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,1989.

[2] 诸邦田.电子电路实用抗干扰技术[M].北京:人民邮电出版社,1996.

[3] 邱扬,田锦.电磁兼容设计技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[4] 曾峰,侯亚宁,曾凡雨.印刷电路板(PCB)设计与制作[M].北京:电子工业出版社,2003.

[5] 周承联.综合法滤波器的理论与计算[M].北京:人民邮电出版社,1979.