某型大气数据系统辐射发射整改及验证

高子洁，倪 冬，张 琴，江 豪

（成都凯天电子股份有限公司，四川 成都 610091）

0 引 言

大气数据系统是航空飞行器关键机载电子装备之一，其电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）性能不仅关系到产品本身的工作，还影响机上其他设备的运行[1-5]。本文根据电磁干扰的耦合和传播原理，提出了一种典型的大气数据系统电磁兼容发射干扰解决方案，并进行了实验验证。

1 产品描述

某型大气数据系统是由大气数据计算机组成。大气数据计算机由机箱组合、传感器组合、电源组合以及中央处理器组合等组成，其中中央处理器组合为具有DSP的嵌入式应用系统，由CPU电路模块与相关接口电路和电源模块等组成。系统设计原理如图1所示。

图1 系统设计原理图

压力传感器组合接受来自飞机空速管的总压和静压压力，将其转换为电压信号，送至中央处理机组合，采用逻辑器件经F/D转换及逻辑译码控制后将其送入CPU模块进行大气参数的解算，并通过外围接口电路将解算的大气参数送至飞机相关交联系统。其中，电源组合为整个产品提供工作电源，将机上28 V直流电源转换为产品工作所需的+15 V、-15 V以及+5 V工作电源，同时中央处理机组合的电源转换模块为CPU提供3.3 V和1.9 V工作电压。

2 电磁兼容设计更改前测试结果及原因分析

2.1 测试结果

依据《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》（GJB151B—2013 ）对系统的辐射进行测试，结果如图2所示，超出辐射边界的部分说明电磁兼容设计需要优化。

图2 10 kHz和20 MHz辐射发射骚扰测试结果

由图2可知，大气数据计算机在垂直极化400 kHz之后多频率点超标，最大超标11.58 dB。

2.2 原因分析

分析系统的工作原理，造成辐射超标的可能原因包括3个方面。

2.2.1 系统典型辐射电路

经分析，DC/DC模块开关频率为400 kHz。当DC/DC模块电路的接地、滤波以及布线等形成耦合时，该模块的开关频率及倍频信号会向外辐射共模干扰，造成400 kHz～5 MHz频段内出现宽带辐射发射，形成超标现场。对于DC/DC电路模块来说，尤其容易产生电源线共模辐射干扰。系统的数字芯片和SOC模块电路存在频繁的输入输出，也会产生对外辐射发射。

2.2.2 系统测试配置

通过对系统测试配置的分析，发现系统的电磁兼容测试电缆虽然采用了外套金属编织网的屏蔽措施，但屏蔽网与产品连接器尾附件的连接并没有做到360°环接。其屏蔽接地成为了等效天线，形成共模干扰。初步分析是电磁兼容电缆的屏蔽不良造成的共模辐射发射，导致15～30 MHz频段的辐射超标。

2.2.3 系统自身结构状态

系统辐射超标也可能是产品机箱接缝处使用的导电橡胶的电连接性不良造成的辐射发射。

3 电磁兼容设计整改

干扰源、干扰路径及敏感设备是EMC的3要素，可以通过找到干扰源或干扰耦合路径解决系统辐射发射测试超标问题[6-10]。前面从系统硬件设计、电缆屏蔽以及结构整体导电性3方面分析了系统电磁兼容辐射发射超标的原因，下面根据分析结果进行系统电磁兼容设计整改，并对整改后的产品重新测试。在电磁兼容整改中应逐步施加各项措施，直至达到整改目的。此后再逐一去掉所加措施，对结果基本无影响的可认为是无效措施。

3.1 电路设计整改措施

产品电路部分的整改主要考虑电源模块及其电源线束的走向（电磁耦合路径）和外围接口电路模块。

3.1.1 电源部分

开关电源工作时容易产生非线性的电磁干扰信号，该信号可产生辐射与传导干扰。从产品电源设计来看，机上电源分正常工作电源和应急电源两路，从产品插座进入电源模块的表决电路后，经EMI滤波器和RC滤波处理后进入DC/DC电源转换电路，转换为产品所需的工作电源，更改前电源线束走向如图3所示。

图3 更改前电源线束走向

图3中，插座到电源组合的机箱接线和EMI滤波器的进出线均存在相互交叉，因此滤波前后电源线上的干扰就会相互耦合感应串扰，减弱EMI滤波器的效果。

为了解决正常电源和应急电源需要表决而绕行远距离并形成线束交叉的问题，在机箱内部再增加一个EMI滤波器，两路电源进入产品后首先分别进入EMI滤波器进行滤波，滤波后进入电源组合，完成表决后进行转换和使用。如此改进后，滤波器电源线不需到电源组合绕行，减少了电源环路面积。同时将EMI滤波器的进线和出线相互隔离，避免耦合，防止串扰，提高了滤波效果。更改后电源线束走向如图4所示。

图4 更改后电源线束走向

此外，针对存在的单频率点400 kHz及其倍频点超标情况进行设计更改。400 kHz为开关频率常见的频率点，属于EMI滤波器没有滤掉的频率点，需在产品电源进入EMI滤波器前并联一个去耦电容，降低电源地平面的阻抗。依据去耦电容本身的串联谐振回路的谐振点选择电容容值，一般使所选电容的串联谐振频点与要降低阻抗的频点对应或接近。为减小400 kHz频率点及其倍频点处的阻抗，使其辐射值明显降低，选择10 μF电容，其阻抗特性曲线如图5所示。

图5 10μF滤波电容的阻抗曲线

3.1.2 外围接口部分

该大气数据计算机采用HB6096总线与飞机交联系统进行通信，接口电路采用驱动芯片HI8597完成HB6096总线信号与TTL信号的转换。HB6096总线信号使用了差分电路，会产生较强的共模辐射。为了抑制共模辐射发射，在HI8597驱动芯片的429输入及输出管脚分别加入共模电感LL，这种处理方式不会对429信号的传输造成影响。另外，HB6096总线发送器输出阻抗为（75±5） Ω。在线A和线B间均分，使输出阻抗平衡，为避免出现传输线效应，应在发送器输出端A线和B线均串接匹配电阻37.5 Ω，使终端负载阻抗等于走线的特性阻抗，消除反射，抑制信号传输的辐射发射。

图6 外围接口电路的整改

3.2 线缆部分电磁兼容整改措施

该大气数据计算机屏蔽层采用编制丝网，但屏蔽层的接地方式错误，通过多根导线连接各传输线和电源线屏蔽层，最后汇总为一点连接到连接器的尾夹使其接地。通过多根导线汇集一点接地效果差，使用的多根导线还有天线效应，增强了辐射发射。正确的屏蔽层接地方式为每根线裸露屏蔽层0.5～1 cm，通过导电布捆扎后用连接器尾附件夹紧接地，可以使屏蔽网与连接器尾附达到电磁屏蔽的密闭。

3.3 产品结构部分的电磁兼容整改措施

产品结构采用整体冲铣成型，仅在底部使用底板，在底板和机箱壳体之间使用导电橡胶和螺钉固定。但使用的国产导电橡胶导电性能差，更换进口的导电橡胶后导电性能良好，使机箱成为一个完整的导体，并且通过安装面实现良好接地，保证了屏蔽的连续。

4 整改后的使用验证

电子产品的设计过程中RE102是重要的产品特性，经过整改，超标的频点得到大幅抑制，产品符合电磁兼容试验标准的要求，具体见图7。

图7 整改后辐射发射测试结果

此外，需要注意以上措施必须综合实施才能得到满意的整改结果。

5 结 论

在产品设计阶段，需要从电路设计、电缆屏蔽以及产品结构导电特性几个方面考虑。其中，电路应设计好阻抗匹配以保障信号的完整性，信号应具有完整的参考平面，电源应设计良好的去耦电路，线缆及结构部分则需要特别关注屏蔽和接地，通过降低机箱的电磁泄露来减少线缆的电磁辐射。本文对某型大气数据系统辐射发射超标问题进行了详细分析，并通过设计优化实现了系统电磁兼容的整改，所提出的方法对其他系统的电磁兼容设计及整改具有一定的参考价值。