鱼雷专用保障设备电磁兼容性整改分析与验证

张溢文 ,孙开锋 ,翟锋涛 ,陈 静

(1.中国船舶集团有限公司 第705 研究所,陕西 西安,710077;2.陕西海泰电子有限责任公司,陕西 西安,710075)

0 引言

鱼雷专用保障设备可以完成对鱼雷武器全雷、舱段及组件的技术准备、测试及故障诊断工作。专用保障设备使用场合多样,包含工房、技术阵地、洞库、方舱及鱼雷装载平台等,面临着复杂的电磁环境。设备与被测产品、其他设备之间若存在电磁不兼容的问题,轻则影响设备正常使用,重则可能导致安全问题。因此使用方和研制方都对专用保障设备的电磁兼容性提出了更高的要求。

某鱼雷专用保障设备在研制阶段后期增加了电磁兼容性考核要求,经过摸底测试,设备的传导发射和辐射发射出现超标现象,需要进行整改。由于鱼雷专用保障设备基于开放式体系架构进行设计,大量使用货架化电子产品[1],导致难以对成熟产品进行改动以满足电磁兼容性要求,必须从整机角度系统性地解决设备的电磁兼容问题。

1 专用保障设备组成及电磁特性分析

专用保障设备的系统组成如图1 所示,主要包括机箱、电源、人机界面、测试资源及线缆等。下面针对各组成部分的电磁特性进行分析。

1.1 机箱

机箱包含设备的外壳及内部安装框架,其主要功能是保护及固定设备的功能模块。机箱本身不产生电磁辐射,但封闭的导通机箱可以作为屏蔽体有效抑制辐射发射的传递[2]。

为了便于设备移动和携带,专用保障设备机箱使用了轻量化的非金属材料,不具备屏蔽能力,机箱内部功能模块产生的电磁波直接向外发射,导致辐射发射超标。因此需要对机箱进行屏蔽处理以抑制整机辐射发射。

1.2 电源

专用保障设备的电源构成如图2 所示,包含了AC/DC 一次电源及DC/DC 二次电源。一次电源将220 V 交流市电转换为直流供电,二次电源将一次电源的输出转换为不同电压等级的直流电供给各用电设备使用。

图2 电源构成示意图Fig.2 Composition of power supply system

无论是AC/DC 电源还是DC/DC 电源,其内部转换电路中的金属—氧化物—半导体(metal-oxidesemiconductor,MOS)场效应晶体管开关动作都会产生高频开关信号,信号的基频与倍频可以通过线缆传导及空间辐射的传递路径向外发射,产生电磁干扰[3]。

1.3 人机界面

人机界面是操作人员与设备的信息交互接口,主要包括显示屏和按键开关等。其电磁发射源包括液晶显示屏驱动电路中控制屏幕刷新的高频时钟信号,开关接通和断开瞬时产生的脉冲信号等。此外,显示屏和开关如果没有采取屏蔽措施也会成为电磁泄漏窗口[4]。

1.4 测试资源

测试资源是完成测试信号采集和处理的硬件资源,主要包含主控板卡及功能板卡等。板卡上的时钟信号是最主要的电磁发射源[5],另外通信和开关等信号也会向外产生电磁发射。

1.5 线缆

线缆可以连接各功能模块及被测产品,提供电源及信号传输通路。电缆线束由多股不同定义的导线组成,紧密相依的导线之间存在容性耦合和感性耦合关系,其容性耦合的强度大小和频率特性与导线之间的分布电容有关;感性耦合的强度大小与导线间距、干扰电流大小和回路面积等均相关[6]。设备内部线缆的干扰信号会发射至相邻导线,产生串扰干扰;设备外部线缆由于天线效应,将干扰信号向空间发射,引起辐射发射超标。

2 专用保障设备电磁兼容性整改方案

根据前文分析得出了专用保障设备的电磁发射源及传递路径,有针对性地开展电磁兼容性整改工作。设备选用的测试资源为货架化产品,难以进行适应性整改,因此通过整机采取的其他措施进行补偿。设备的电磁兼容性整改措施包括机箱屏蔽与接地、人机界面处理、电源滤波处理和线缆处理四方面。

2.1 机箱屏蔽与接地

电磁屏蔽的原理是利用电磁波在封闭导体表面产生反射以及在导体内部产生吸收和多次反射而起到屏蔽作用,可以有效阻止电磁波从一个空间向另一个空间传播[7]。理想的屏蔽体是一个低阻抗的封闭导体,因此需要使机箱导通并尽可能封闭孔缝。

设备所用的非金属机箱不导电,在不改变机箱材料的情况下,采取在机箱内壁喷涂导电涂层的整改措施,该涂层包含铜粉及底漆,均匀喷涂在机箱内壁,干燥后可以形成连续的导电铜层,如图3所示。

图3 机箱内壁喷涂导电涂层Fig.3 Conductive coating sprayed on inner wall of the chassis

箱体与面板的装配缝隙也会造成电磁泄漏,需要对搭接面进行处理。在搭接面粘贴了弹性导电泡棉,装配时通过螺钉紧固使面板压紧泡棉实现可靠的搭接[7],如图4 所示。

图4 搭载处理措施Fig.4 Treatment measures for overlapping

完成导通处理后,将机箱接地,既可以作为设备电子组件的等电位参考点,又可以将机箱金属层感应的干扰信号通过大地泄放,抑制电磁干扰[8]。

2.2 人机界面处理

人机操作界面安装在设备外表面,存在非连续导电的外露器件,如显示屏、开关及指示灯等,导致设备壳体成为不连续导体,造成电磁泄露[9]。对于显示屏采用增加屏蔽玻璃的处理方式,兼顾透光的同时实现屏蔽,如图5 所示,屏蔽玻璃内有金属丝网夹层,将丝网与周边箱体360°搭接实现孔洞封闭。

图5 显示屏处理措施Fig.5 Treatment measures for display screen

对于开关和指示灯的处理方法如图6 所示,在开关和指示灯后增加1 个屏蔽罩进行封闭,引线上加装穿心滤波电容,使引线所感应的干扰信号被旁路接地[9]。

图6 开关与指示灯处理措施Fig.6 Treatment measures for switch and indicator light

2.3 电源滤波处理

加装电源滤波器可以切断电磁干扰沿电源线的传播路径,与屏蔽措施共同构成完善的电磁干扰防护。

电源滤波器是由电感和电容等组成的一种二端口网络,具有选择频率的特性,能够毫无衰减地把50 Hz 的电源功率传输到专用保障设备上去,并极大程度衰减经电源传入的电磁干扰信号,同时又能抑制专用保障设备本身产生的电磁干扰信号,防止其进入电网,污染电磁环境,危害其他设备[10]。

根据专用保障设备测试超标曲线选用合适的电源滤波器,其拓扑结构如图7 所示。

图7 电源滤波器拓扑结构图Fig.7 Topology of power filter

电源线上的干扰有共模干扰与差模干扰2 种形式[11]。共模干扰由共模滤波电路滤除,共模滤波电路由共模电感和共模旁路电容构成,采用2 个共模电感,并与共模电感合理搭配使用合适的共模旁路电容;差模干扰由差模滤波电路滤除,使用合适的差模电感,为了进一步增加差模滤波电路的滤波效果,使用了差模电容以获得较好的差模损耗。按上述滤波电路制作滤波器并安装在设备电源接入端,可以切断专用保障设备的电磁干扰通过电源线传播路径。

2.4 线缆处理

线缆按位置可分为内部线缆和外部线缆。外部线缆位于屏蔽机箱外部,需要单独进行屏蔽处理。在线缆外穿套柔性防波套管,防波套管两端与连接器360°搭接,形成屏蔽体将线束封闭其中,抑制对外发射[12]。外部线缆处理措施如图8 所示。

图8 外部线缆处理措施Fig.8 Treatment measures for external cable

内部线缆间的串扰可以通过优化布线方式解决。内部线缆可按照承载信号类型做如表1 所示分类[13]。

表1 内部线缆分类Table 1 Classification of internal cable

不同类型的线缆应彼此分开,在无法使用屏蔽体隔离时,应保持足够间距。II 类和III 类线束之间至少保持10 cm 以上间距,其他类别线束之间至少保持5 cm 以上间距[13]。

3 电磁兼容性试验验证

专用保障设备电磁兼容性整改方案应经过相关试验进行评估验证,通过对比增加整改措施前后的测试结果,验证整改措施的有效性。试验依据GJB151A 和GJB152A 进行CE102 和RE102 测试项测试。

3.1 CE102 测试

CE102 测试结果如图9 所示。由图可知,未采取整改措施的保障设备在CE102 测试时,在整个10 kHz～10 MHz 测试频段均出现严重超标,尤其较大幅度超频点为43 kHz、250 kHz 基频及其倍频,该频率为开关电源的工作频率。在采取有效共模和差模结合的电源滤波整改措施后,传导干扰整体降低了30 dB,满足国军标测试要求。

图9 CE102 测试结果Fig.9 CE102 test results

3.2 RE102 测试

RE102 测试结果如图10 所示。未采取整改措施时RE102 测试结果在10 kHz～510 MHz 频段出现大幅超标。保障设备内含多种用电设备如电源、显控模块、测试资源及线缆等,贡献了不同频谱的电磁干扰,由于整个机箱壳体未采取屏蔽措施,造成电磁干扰通过空间、传导等各种途径向外发射。超标幅值较大的频点为开关电源的倍频。

图10 RE102 测试结果Fig.10 RE102 test results

针对以上电磁干扰现象,同时采取滤波、接地和屏蔽等多种整改措施后,辐射电磁干扰在10 kHz～510 MHz 频段内最大降低了60 dB,整体曲线均在极限线以下,满足国军标测试要求。证明该整改措施有效,表明增加电源滤波器在抑制传导发射的同时也可以有效改善辐射发射指标。

4 结束语

文中通过分析鱼雷专用保障设备的组成及电磁特性,确定了设备电磁兼容设计的薄弱环节,并针对性地采取了整改措施。经电磁兼容性试验验证,设备传导发射和辐射发射指标相比整改前大幅降低,满足使用要求,证明了分析方法和整改措施的有效性。