系统级电磁兼容性设计研究

摘要:随着电子技术在航天飞行器、飞机、舰艇中的广泛应用,系统整机的电磁兼容性设计已经成为一个不可回避的课题,对目前整机系统的电磁兼容性设计提出了设计思路。

关键词:电磁兼容性;系统;综合

中图分类号:O44

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)15-0340-01

随着电子技术在航天飞行器、飞机、舰艇中的广泛应用,这些设备在工作的同时往往要产生一些有用或无用的电磁能量,这些能量将影响到其它设备的工作,从而形成了电磁干扰,尤其在军用飞机上,大量的电子设备密集在狭小的空间内,相互间的电磁干扰非常严重,同时还要携带大量的作战设备和武器系统,很容易就使飞机不能处于正常状态,从而发生灾难性的后果。因此在复杂的电磁环境中,如何减少相互间的电磁干扰,使各电气电子系统、分系统、设备和元件能正常工作互不干扰,达到能兼容工作的状态,已成为当前机载电气电子设备设计一个不可回避的课题。而电磁兼容学正是为解决这类问题而迅速发展起来的一门科学。

众所周知,电磁兼容学是近年来发展起来的一门新兴科学。它主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子系统、分系统、设备和元器件都能正常工作,互不干扰,达到兼容状态。从某种程度上也可以说成是研究干扰与抗干扰的问题。而随着电磁兼容技术不断的发展,研究和分析电磁兼容性的方法也逐步得到提高和完善,按其发展过程,通常分为三种方法:问题解决法、规范法和系统综合法。

问题解决法是解决电磁兼容问题的早期方法,首先按常规设计建立系统,然后再对实验中出现的电磁兼容问题予以解决。由于系统已安装完工,要解决电磁兼容问题比较困难,为了解决问题可能要进行大量的拆卸,甚至要重新设计,对于大规模集成电路要严重地破坏其版图。因此问题解决法是一种非常冒险的方法,而且这种头疼医头,脚疼医脚的方法是不可能从根本上解决电磁兼容问题的。这种方法在设计阶段节省了电磁兼容设计所增加的成本,但在成品的最后阶段解决电磁兼容问题不仅困难大,而且成本高。所以这种方法只适合比较简单的设备。规范法是比问题解决法较为合理的一种方法,该方法是按照现行电磁兼容标准所规定的极限值来进行计算,使组成系统的每个分系统均符合所规定的标准,并按标准所规定的实验设备和实验方法核实它们与标准所规定的极限值的一致性。该方法可在系统实验前对系统的电磁兼容提供一些预见性。但该方法也存在可能引起过储备的设计,或谋求解决的问题不一定真实存在的问题,从而影响系统本身的性能指标,又增大本身不存在的设计成本。系统综合法是最近几年兴起的一种先进的电磁兼容设计方法,它集中了电磁兼容方面的研究成就,根据电磁兼容的要求给出最佳工程设计的方法。系统综合法从设计开始就预测和分析电磁兼容性,并在系统设计、制造、组装和实验过程中不断对其电磁兼容性进行预测和分析。由于在设计阶段采取电磁兼容措施,因此可以采取电路与结构相结合的技术措施。这种方法通常在正式产品完成之前就解决90%的电磁兼容问题。

下面结合某型飞机机载通信设备的设计为例,讨论一下如何用系统综合法的思路进行机载设备整机的电磁兼容设计。

1 首先要明确电磁兼容设计的目的

对于新研制的机载通信设备,从一开始首先要明确其使用环境和将要通过的电磁兼容性指标,这是综合权衡电磁兼容性与功能特性设计的起点,再此基础上同时考虑研制周期和经费需求,确定整机系统总体设计的电磁兼容性的控制等级和控制方案。一般来说,是依据电磁兼容标准规范,以设计为重点,以电磁兼容试验为保障,来保证电磁兼容性设计的有效性,同时在制定研制计划时要充分意识到系统电磁兼容性设计工作将贯穿于系统研制的全过程。

2 整机系统的电磁兼容分析和沟通

首先,整机系统设计师在设计时要充分理解其各分系统主要功能及关联性,这样才能对其进行合理的电磁兼容分析,例如该新型飞机机载通信设备,其系统主要由供电分系统,信号处理与控制分系统,接收分系统和发射分系统组成,分析各个预期的电磁环境,根据功能和性能的要求规定安装的位置和线缆的走向,对于可以调整位置的模块,要充分利用空间隔离,使其远离干扰源;像高灵敏度的接受机不但要做好屏蔽工作,还要使其远离大功率发射机。另外,对于各个分系统安装位置的地电位可能产生的干扰也要早期控制,像信号处理与控制分系统一般大都是数字电路,而接收机和发射机一般大都是模拟电路,所以数字电路的信号地,摸拟电路的地电位和供电模块的安全地三者的规划必须引起高度重视,选用适合的接地方法尽量避免因为地电流而引起的干扰。

其次就是整机各个分系统之间设计的匹配性与合理性,例如频谱的使用率,分系统之间的隔离措施,接口设计,互联电缆之间的电磁干扰以及系统与外部设备的连接控制等,都需要综合考虑。这里要着重强调频谱的使用率,电磁波频谱是有限的,但不是消耗性的,因为它在各频段的传播特性是不同的,如果不充分和合理地使用,不但会造成本身利用率的下降,还会干扰和影响其他分系统正常工作,因此,频谱的使用率是否合理在电磁兼容的设计中是相当重要的一项内容。

再次就是分析各种干扰源的特性和技术参数,确定干扰的源头,干扰的路径以及其耦合的方式,然后再确定采用的控制方案和各种抑制干扰的措施。一般来说,电源线传导发射与辐射,信号线传导发射与辐射,大功率发射机的谐波带来的辐射,空间耦合,地线耦合是主要的干扰途径。而新型设备中其使用的开关电源,高性能的DSP数字处理器,高增益的微波放大器等为干扰产生比较集中的地方,由于这些问题所引起的异常工作需要特别关注,设计时需要全面考虑。

3 整机电磁兼容性设计的系统性和综合性

电磁兼容本身就是一门综合性科学,而用系统综合法的思路从设计开始就预测和分析了整机及其各模块的电磁

兼容性。可以这么认为,电磁兼容是设计出来的。因为单个元件的电磁兼容控制技术已经比较成熟 ,并且被广泛的应用,而目前问题比较多的是缺乏系统综合设计,这样就出现了单个元件满足要求,而系统联起来后不满足要求;或者无限扩大化的采用电磁兼容控制措施,造成成本的成倍上涨,经验表明,对于复杂系统而言,只有进行系统级的综合设计,才有可能达到满意效果及合理的费效比。可以从以下方面综合考虑。

3.1 设计约束

电磁兼容设计约束的优先级并不比设计中的其他方面高,然而一些电磁兼容约束必须要尽可能清晰的同设计师系统和设计者沟通。如电源去耦,路径分离,衬垫使用,壳体结构等。

3.2 机械结构设计

从电磁兼容的观点来考虑机械设计方面的事项是相当重要的。

首先设计壳体结构时就必须知道它的屏蔽效能,这样有助于其他区域的设计,这也会在很大程度上决定电磁兼容措施的应用等级。如果需要在各模块接触面使用衬垫,那么设计者需要保证在应用中具有最佳的屏蔽效能,考虑交界面,材料,压缩和接触面区域等。

其次要从电磁兼容的观点来考虑系统的分割,将噪声较大的电缆分离出来,电缆的分离对耦合路径和电磁干扰性能有很大的影响,电缆的选择包括是否需要屏蔽、双绞等;在电路设计中根据电路功能和噪声电平的不同分离电路,例如模拟电路,数字电路,电源电路都是要尽可能在物理上分离开来。

再次要注意系统布局,减少空间耦合。高灵敏度设备远离产生大功率干扰的设备,充分利用空间衰减特性;高灵敏设备与产生大功率干扰的设备利用结构进行屏蔽。

3.3 提高电源供电质量

必要的精化设置电网,实行分网供电,减少电源的传导耦合,加强电网的控制,合理使用电源,这样可以有效的控制电源干扰;加强电源滤波,控制传导干扰,一般情况一个系统是统一供电的,那么在什么地方滤波,采用何种方式滤波,几级滤波需要综合考虑。

3.4 地线网络和接地设计

在整个系统中要保证一致接地的方针,统一设计合理采用各种接地方式,考虑潜在的地环路和静电放电路径,有利于增加系统的抗干扰性;系统一定要进行综合网络的设计,尽可能设置电源地,信号地;尽可能减小地电阻,要特别注重接地点的防松动,防氧化功能的设计;高灵敏设备的接地点要远离大功率设备的接地点,消除地电流耦合。

3.5 可制造性

在设计之初应该充分考虑产品的可制造和可控制性,必须保证设计中的电磁兼容控制措施易于操作,可制造且成本较低。

参考文献

[1]何宏主编,秦会斌主审.电磁兼容原理与技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008,(7).

[2]大卫・A・韦斯顿著,杨自佑,王守三译.电磁兼容原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2006,(1).