某电子设备电磁兼容性问题的解决方法

厉旭冉 满志平

摘要 本文通过某电子设备的电磁兼容性试验中出现的指标超标问题， CE102和RS103项目不满足GJB151B-2013标准，从屏蔽和滤波理论出发，结合工程实现方法，采取优化滤波器参数和电磁屏蔽等措施，对设备进行整改，经试验验证，证明了改进方法的有效性且措施得当，有效解决了设备的电磁兼容性问题，具有较高的工程指导价值。

【关键词】电磁兼容性 滤波器 电磁屏蔽

伴随着信息技术与信息化武器装备的迅速发展和战场的大量投入，未来战场已经转变为了陆、海、空、天、电高度交叉，多位一体的复杂电磁环境。现代武器装备的电子设备也越来越多，如通信电台、导航设备、火控设备、识别系统、电子对抗设备等，这些机载电子设备工作频段宽，频率范围相互重叠且安装于武器设备上的天线多，因此更容易受到复杂电磁环境的影响。除了武器系统自身的电磁干扰，作战环境中设备、无线通信、导航系统等军事设施，其他武器平台工作，敌方电子对抗设备等对武器设备的干扰也不容忽视，这些因素均对现代武器设备的EMC设计提出了较高要求。本文结合某型电子设备的研制试验中，暴露出电磁兼容性的设计不足，通过采取有效的改进措施，确保电子设备的满足GJB151B-2013的指标要求。

1 电子设备EMC特点

电磁兼容性为系统平台内部各分系统设备在共同的电磁环境中同时执行各自设备功能的共存状态，包括两个方面：

（1）电磁环境对设备或子系统的影响。设备在规定要求的电磁环境运行时，可按照执行的裕度实现正常工作且性能不降级;

（2）设备或子系统对环境带来的干扰影响，应满足规定的电磁环境指标要求。

对于战斗机、预警机一类的机载平台，系统内多个设备紧凑安装且要求同时工作时，具有以下特点：

（1）辐射源多、辐射功率大，特别是存在发射信号雷达、电子战、询问机等辐射源设备，如果电磁兼容性设计控制不当，会严重影响其他设备工作的稳定性;

（2）辐射信号的覆盖频段宽，不同波段的多个设备同时工作，甚至二次谐波或多次谐波的交调分量，均造成设备工作的稳定性不足的问题;

（3）平台内多个设备共电和共地连接，当个别设备存在电源耦合或地线耦合干扰信号时，影响整个系统内的设备工作稳定性;

（4）设备密度高、加装电磁滤波设备空间和体积有限等特点，造成系统内的电磁兼容性难以解决的问题。

本文结合某电子设备的电磁兼容性试验中暴露的问题，开展电磁兼容性原因分析，通过改进系统电缆、传动机构的屏蔽与接地设计，实现设备工作符合电磁兼容要求。按照GJB151B-2013标准，电子设备涉及的电磁兼容试验项目较多，考虑到不同平台实际使用环境的差异，实际使用时，设备电磁兼容性试验考核项目根据国军标要求和设备实际情况适当裁剪，在某机载电子设备中CE102、RS103较难通过，这两个项目的具体说明见表1。

2 原因分析

雷达、电子战系统等一类机载电子设备为高度集成的小型设备，设备内部包括数字信号、模拟信号以及射频信号，内部频段复杂，其对外连接的电源、地线、设备互联线上必然存在不同频率成分的传导发射，可能通过这些途径干扰其它设备的正常工作，一般通過在线路上增加电磁兼容滤波器或采用滤波插头等措施抑制干扰，但由于滤波器的设备量与频段有关联，频段越低，滤波器体积重量越大，这就导致在机载设备体积重量受限的条件下CE102低频段传导发射很难达到标准;此外依赖模拟信号、射频信号工作的设备容易受到外部强辐射电场干扰，通过增加机箱屏蔽以及模块特定位置局部屏蔽接地、改善电缆屏蔽等措施可以有效克服外部场强辐射对本身工作的影响，但带有转动环节的设备由于存在结构缝隙，屏蔽设计困难，往往RS103试验项目较难通过。

3 测试方法与结果

3.1 CE102

电源线传导发射试验目的是控制设备在较低频段工作时，通过电源线以传导的方式对外造成干扰，测试内容为测量试样设备整机输入电源线上lOkHz- 10MHz的传导发射是否超出规定要求。

3.1.1 测试方法

按照GJB151B要求保持试样设备和测试系统的基本测试配置。先需要对测试系统进行测量误差校准，具体方法是将测试设备通过线性阻抗稳定网络连接到电源上，测试系统通电预热稳定后，在LISN电源输出端施加GJB151B要求的校准信号，在设备正常的状态下，测试通过LISN耦合的干扰电压，检查测试系统的测量误差在GJB151B允许的容差范围内。后续测试步骤如下：

（1）试样测试设备开机后自动进入加电自检方式，三分钟后加电自检结束。设备自动转入待机状态;

（2）控制设备进入所有可能的正常工作状态如下：

控制设备工作运行，检测设备工作响应的稳健性和输出结果。

（3）按照GJB151B中CE102方法测试设备输入AC/DC电源线上的传导发射，判断是否满足GJB151B-2013中CE102指标要求。

3.1.2 测试结果

电源线传导发射典型测试结果如图1所示，可见在10KHz-40KHz与200KHz-300KHz频段范围内不达标，低频段比较突出，需进一步进行优化设计，使其满足电磁兼容试验要求。

经过分析，超标的频率是设备正常工作必要的工作频率成分，由于采用了通用的小型电磁兼容滤波器，其低频段滤波性能受体积重量限制，未能有效抑制这些频段信号通过电源线向外传导，需要增加低频传导抑制措施。

3.1.3 改进方案

通过更改电源组件内的输入滤波器，针对超标频段的频谱进行调整电源滤波器设置参数，实现特定频率范围的频率被有效降低或滤除。

电源滤波器是采用电容、电感和电阻组成的滤波电路，滤波器的输入输出端与电源和负载端的阻抗适配越大，对电磁干扰的衰减效果越明显，通过增加2-3级滤波器，实现对10KHz-40KHz与200KHz-300KHz频段范围信号进行滤波，采用π型滤波器的设计，网络图设计如图2所示。

通过增加滤波器并优化滤波器参数，滤波参数根据式（1）和式（2）设计，具体更改如下：

（1）通过图1的测试结果，经计算获得滤波器的设计参数，选择π型网络滤波器参数的器件并完成设备电源输入端的滤波器改造;

（2）根据试验验证，确定滤波器参数设计的合理性，迭代滤波参数，固化滤波器状态;

（3）调整滤波器位置（置于接触器后），保证在设备没有开机的情况下，三相没有漏电流，对地绝缘电阻大于500MΩ。

3.1.4 改进效果

电源滤波器的改进后测试结果如图3所示，改善了在低频段（40KHz内）超标20分贝和200KHz-300KHz不达标的现象，满足了电磁兼容试验要求，设备顺利通过试验。

3.2 RS103

电场辐射敏感度测试的试验目的是测试设备含互联电缆承受规定的辐射电场的能力，即测试设备在复杂的电磁环境下能否可靠地工作，实验要求在规定的实验信号电平下，受试设备不应出现任何故障、性能降低或偏离规定的指标值。

3.2.1 测试方法

按照GJB151B要求保持试样设备和测试发射天线和接收天线或监测场强探头的测试配置。测试系统通电预热稳定后，按照GJB151B中RS103方法从发射天线到测试接收机的整个测试系统进行校准，校准试验信号电平满足200V/m极限场强要求。具体测试步骤如下：

（1）设备上电后自动进入加电自检方式，加电自检结束后，设备自动转入待机状态;

（2）控制设备进入所有可能的工作模式，检测设备工作状态响应的稳健性和输出结果;

（3）按照GJB151B中RS103方法在离开试样设备预定位置的发射天线上注入满足要求的校准试验信号并监测设备各组件的敏感性，当设备出现敏感现象时测定设备的敏感频率，并在该频率上确定敏感度门限。

3.2.2 测试结果

根据测试结果，在lOkHz-18GHz的范围内，电场辐射敏感度测试在2MHz-lGHz内超标，设备工作时辐射电场信号，设备工作异常，在无输入控制值条件下，设备中的电机受干扰异常转动工作，造成设备不满足测试要求。

经分析，由于电机的输入电缆和供电电缆电连接器电磁屏蔽，以及设备箱体、转动机构的天然缝隙电磁屏蔽措施不足，造成电磁噪声或干扰串入电机或角度传感器的电缆，引起角度传感器采样出误码，处理运算设备控制电机运动，造成异常现象。

3.2.3 改进方案

为降低辐射电场对敏感电路的耦合干扰，可采取在干扰源与敏感设备电路之间增加导电性能好的金属屏蔽体，并将屏蔽体良好接地，实现阻隔串扰信号，辐射电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于电场电压、耦合电容和屏蔽体接地电阻之积。因此通过设法将金属屏蔽体良好接地，能够有效将电场对敏感电路的耦合干扰电压大大降低;另一方面屏蔽体在高频磁场的作用下，能够产生反向涡流磁场与原磁场抵消，而削弱高频磁场的干扰，利用屏蔽体的趋肤效应特点，将屏蔽体良好接地，大大减小电磁场对电路的干扰。

依据电磁兼容设计基本原则及前期累计经验，对机械传动的减速箱、角度传感器和电连接器支架结构的屏蔽接地的密封性进行改造，提升设备的屏蔽性能。

電机减速箱屏蔽改进前后示意图如图4所示，设备X向减速箱、Y向减速箱、Z向减速箱的电缆引出处分别加装自制后附件;角度传感器改进前后示意图如图5示，其电缆引出处加装自制后附件;电缆转接支架改进前后示意图如图6，在天线座的电缆转接处，电连接器支架的电缆引出位置加装自制后附件;自制后附件适用于Ti-Ni合金记忆环，保证机构电缆电磁屏蔽的连续性。

其中减速箱和角度传感器的自制后附件采用铝合金5A05（防锈铝），前期零部件的霉菌、盐雾、湿热三防试验中证明5A05防腐蚀能力最好。三向传动机构与其控制电缆后附件的连接为过盈加点焊，己通过了耐久振动试验。电连接器支架的自制后附件同为铝合金5A05，与支架的连接为螺钉连接。

3.2.4 改进效果

通过对电机减速箱的电缆屏蔽结构改进和角度传感器的结构改进，均增加金属防波套等屏蔽材料，加装屏蔽套与结构件连接处的密闭压接处理，实现电缆的屏蔽连续和良好接地，有效消除电磁干扰对传输信号的串扰，设备工作正常，未出现敏感现象。

4 总结

机载小型电子设备在复杂的电磁环境下稳定工作，需满足国军标规定的电磁兼容设计要求并通过电磁兼容性试验的验证。本文结合某设备的电磁兼容性试验和改进过程分析，验证了在设备体积重量受限的条件下采取有针对性的屏蔽密封、牢靠接地和滤波等手段，优化改进设备电缆和结构件，可以提高设备的电磁兼容性。本文提出了通过预先测试，根据测试结果再针对性改进设计的方法对复杂小型电子设备的电磁兼容性设计和改进有重要的工程参考价值。

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