点火电路中低通滤波器的接地对其性能的影响

李建飞,李 凯,王华斌,郑海龙

（中国航天科工集团六院41所，呼和浩特,010010）

0 引言

在火箭发动机的点火电路中，电磁干扰信号容易使发火元件误发火，为了保证火箭发动机的安全可靠，有时需要在发动机点火电路中串联低通滤波器将这些干扰信号滤掉。

在低通滤波器中通常是利用电感和电容的高频特性，即电容和电感在信号频率越大时，感抗越大，而容抗越小；其中电感是串联在点火线路中，电容是并联在点火线路与地线之间，当有高频干扰信号加载在点火电路上时，由于串联了较高的电感感抗，使其产生的高频干扰电流减小，又由于在点火线路与地线之间并联了较小的电容容抗，使主要高频干扰电流流经并联电容的分路，而只有少量干扰电流流经点火电路的发火元件上，该电流不足以使发火元件引爆出现误发火。

1 插入损耗的概念

插入损耗是衡量低通滤波器对高频干扰信号衰减能力的重要指标，它是指没有低通滤波器接入时，从干扰源传输到负载的功率P1和接入低通滤波器后，从干扰源传输到负载的功率P2之比，用 dB（分贝）表示。

插入损耗表示为

其中 ：F —— 低通滤波器插入损耗

P1—— 干扰源的输出功率

P2—— 干扰信号经滤波衰减后传输给发火元件的功率

U1—— 干扰源的输出电压

U2—— 干扰信号经滤波衰减后加载在发火元件上的电压

2 现有低通滤波器的结构及安装连接方式

目前在点火电路中常采用Π型低通滤波器，电感L串联在一根点火线中，两个电容C1和C2并联后与地线相连，电路结构如图1所示，其中RL是等效的负载阻抗。

图1

当电感L为4mH，电容C1和C2为50nF，等效负载阻抗为50Ω，其理想插入损耗随信号频率变化的曲线图见图2。从图2中可以看出，理想插入损耗是随信号频率的增大而不断增大，并且当频率大于1MHz后，插入损耗在波特图上是线性递增的。

图2

3 现有低通滤波器接地效果及数据

使用两个Π型低通滤波器进行了不同频率下的插入损耗实际测试， 测试连接框图如图3所示，由函数发生器产生不同频率的信号输入给低通滤波器，再由频谱分析仪采集经低通滤波器滤波以后的频率信号，对信号的功率谱进行分析，从而得到低通滤波器的插入损耗。

图3

上述测试是将低通滤波器的接地端与函数发生器和频谱分析仪的负极相连，即通过一根信号线将低通滤波器中的电容并联端与测试仪的负极单点连接，该信号线是用于对干扰信号电流提供旁路，来减小干扰信号电流从低通滤波器的输出。

2个低通滤波器的测试结果见表1。从表中可以看出，低通滤波器的实际插入损耗与理想情况不一致，插入损耗随干扰信号频率的增大不是持续增大，当频率大于1MHz后，插入损耗是在不断减小。

表1

图4

4 低通滤波器的接地对其性能的影响

在上述图1的低通滤波器中，当点火线中有高频干扰信号时，就会在电容C1和C2上产生旁路电流，产生的旁路电流都要由低通滤波器的接地线返回干扰信号源的负极，而在接地回路中存在接地阻抗，将该阻抗等效为电阻R，形成如图4所示电路。

按照图4电路图，列出如下等式：

其中 ：U1—— 干扰源的输出电压

U2—— 干扰信号经滤波衰减后加载在发火元件上的电压

C1、C2—— 低通滤波器中旁路电容的电容值

L—— 低通滤波器中电感的电感值

R—— 低通滤波器接地线的接地阻抗

RL—— 发火元件的等效负载阻抗

UX—— 干扰信号在接地阻抗R上产生的电压

ω—— 干扰信号的角频率

则由公式（2）、（3）联立方程组，解出干扰信号经滤波衰减后加载在发火元件上的电压为：

通过公式（4）可以推出如下结论：

当ω= 0时，得出U2=U1，即插入损耗F→0，也就是说，当信号为直流信号时，低通滤波器不对该信号进行衰减，保证点火直流电压不在低通滤波器上产生压降损耗。

当ω→∞时，得出U2→0，即插入损耗F→∞，也就是说，当信号频率无限增大时，该信号电压将会被低通滤波器全部衰减。

在R=0时得出的上述结论与图2的理想插入损耗随信号频率变化的曲线图是一致的。

② 当R≠0时，即低通滤波器的接地线上有接地阻抗，利用公式（4）可以得出：

当ω= 0时，得出U2=U1，即插入损耗F→0，也就是说，当信号为直流信号时，低通滤波器不对该信号进行衰减，保证点火直流电压不在低通滤波器上产生压降损耗。

当ω→∞时，得出U2→U1，即插入损耗F→0，也就是说，当信号频率无限增大时，低通滤波器对高频信号的衰减能力会减小，直至失去其衰减能力。

低通滤波器在实际使用时，其接地线的接地阻抗不可能等于0，所以其插入损耗不会随信号频率的增大而不断增大，而是当信号频率达到某个点后，其插入损耗会随频率的增大而不断减小，这与表1测试的2个低通滤波器插入损耗的变化趋势是一致的。

对同一个低通滤波器在不同接地阻抗下进行插入损耗测试，接地阻抗分别为0.3Ω、0.5Ω、0.7Ω，得到的插入损耗波特图见图5.

图5

从图5可以看出，这个低通滤波器的插入损耗也是随频率的增大，出现先增大而后缓慢减小的现象。针对这3个不同的接地阻抗，在同一频率下，随着接地阻抗的增大，测出的插入损耗会减小。

5 结论

低通滤波器应用在点火电路中，是通过接地将高频干扰信号电流旁路到地，从而减小流过发火元件的干扰电流，保证发火元件的可靠安全；但接地阻抗的存在，导致低通滤波器的插入损耗会随干扰信号频率的不断增大而减小，并且接地阻抗越大，插入损耗会越小，对干扰信号的衰减能力越差。所以在点火电路中使用低通滤波器时，要尽量减小接地阻抗，如采用增大接地面积、缩短接地回路或多点接地的方法，来增强低通滤波器对高频干扰信号的衰减能力，保证点火电路的安全可靠，避免因高频干扰而误点火。

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].2版.北京：高等教育出版社，1988

[2]吴三强. 点火低通滤波器检测报告.西安电子工程研究所校准实验室，2007

[3]邱关源. 电路. 高等教育出版社. 1996年6月第4版

[4]沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术.北京理工大学EMC专业技术培训教材,2005