全面剖析雷达电路的电磁干扰和EMC设计

古莘 · 发表于 2015-6-22 09:56

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现代雷达对信号频谱质量的要求越来越高，并要求雷达能在恶劣的电磁干扰环境中可靠工作，这就对雷达电路系统的抗电磁干扰能力和电磁兼容设计提出了更高的要求。由于雷达信号的寄生输出，除了在信号变换等过程中产生外，还与系统外部的干扰、电路之间的干扰，电路系统的结构设计、工艺设计及信号传输匹配等有关，所以要研制满足电磁兼容要求的电路系统，除了方案合理、设计正确外，还必须注意以下几点。　　a、采取电路合理接地、电路之间去藕等有效措施，抑制一切无关信号。
　　b、装配设计、电路布局及排列等必须正确合理。
　　c、应采用先进的工艺设计。
　　d、加强单元电路和电缆之间及电路系统之间的屏蔽隔离。
　　电路系统的电磁兼容分析与设计
　　用高质量的单元电子电路组成电路系统，完成某种功能时，除了系统方案的正确，电磁兼容设计也是十分重要的。尤其对现代雷达中的高稳定信号系统和一些复杂电路系统以及工作在恶劣电磁环境中的电路系统，电磁兼容设计就更为重要。下面将详细分析电路系统的电磁兼容间题，并提出有关的实施措施和方法。
　　1电源系统的电磁兼容
　　电源系统方面的干扰有三种形式：第一种是系统外部的干扰串入，如由交流电网进来的干扰及干扰磁场等引起的干扰信号;第二种是系统本身产生的干扰信号，例如整流滤波后的波纹干扰，可控硅调压产生的尖脉冲，开关电源引起的高频脉冲，高频电源的泄漏及稳压管产生的噪声等等;第三种是系统连线上的场干扰信号。要抑制或削弱这些干扰信号必须对电源系统进行细心的电磁兼容设计。
　　a、对电源变压器加屏蔽、隔离措施。每只电源变压器都应在初次级之间加静电屏蔽，以隔离初级电网串进来的干扰。重要电源还应对整个变压器加罩高导磁材料进行磁屏蔽，抑制变压器磁场及外界磁场引起的干扰。这些静电隔离和磁屏蔽体均应可靠接地。
　　b、电源变压器要尽可能远离电子电路，以便使电源频率的干扰及交流电源磁场的干扰降到最低水平。
　　c、电路系统中，若同时有模拟电路和数字电路时，则必须分别给模拟电路和数字电路供电。防止数字电路中上升时间很快的瞬态过程通过电源影响模拟电路。
　　d、合理组装电路，正确接地，正确接线及铺设电缆。选用恰当的磁屏蔽材料和电磁屏蔽材料，同时必须兼顾尺寸、重量和成本。
　　2信号传输系统的电磁兼容
　　信号传输过程中的干扰主要有两个方面。一是信号通过传输线时，在其周围产生电磁场，这些电磁场会在周围的导体中感应出电流，形成干扰信号;二是信号在传输过程中，一般都有反射，反射信号串入其他电路形成干扰信号。克服传输引起的干扰一般可采取下列措施。
　　a、加强电磁屏蔽，对不同频率，不同类型的单元电路分别组合屏蔽可减小相互的影响。
　　b、加强传输信号的匹配、隔离，使信号的输入、输出均有匹配网络，适当增加隔离级以降低反射干扰。
　　c、抑制一切无用信号，即使落在电路频带外的信号，也应采取抑制措施。因为普通的放大器、倍频器、混频器和分频器中均有非线性存在，都可能把带外信号变换到电路的有效频带范围内。因此，必要时应增加各种滤波器以抑制无用信号。
　　d、合理布线、合理排列电路。印制板上的传输线，既可能成为发射天线，也可能成为接收天线，因此，必须对它们合理布置，并尽量缩短其长度，以降低它们的相互干扰。
　　地线系统的电磁兼容
　　作为电路系统的地线，首要的任务是必须接触良好，尽量减少接地电感及接地电阻。
　　使地电流少锅合，减小相互感应。
　　在电路系统中，一般应把模拟信号地，数字信号地和噪声地分开，有些系统还要单独设屏蔽地。模拟地用于模拟电路和它们的电源;数字信号地用于数字电路和它们的馈电电源;噪声地用于交流电源变压器的静电屏蔽及变压器屏蔽、交流供电线的屏蔽和发射机等。这几种地线在电路系统中不应混淆相连，使它们在系统外单点相接与大地相连。
　　电路工艺及结构方面的电磁兼容设计
　　电磁兼容不能只看成是电路设计人员的事，还必须由工艺和结构人员配合，才能共同完成合理的设计。因为不论是接地线的设置，电缆走向安排，还是电子组合的屏蔽体设计，电子组合的排列及变压器的放置位置，和各种材料的选择等都属于电子结构问题。
　　而屏蔽体的加工，印制板的制遣，电路的装配等将直接影响屏蔽，辐射及传导效果，这是工艺方面的问题。下述几个问题设计时应加以注意。
　　a、合理划分、组合单元电子电路，使它们按其功能组合成不同的功能块电路。尤其对周期性脉冲信号电路，最好让它起止于同一个功能块内，即组装在同一屏蔽盒里。
　　b、数字电路与模拟电路必须分开组装，相互间的连接应加以隔离，必要时可用光电耦合器件将它们完全隔离。
　　c、传输高稳定信号的电缆，必要时给电缆再加屏蔽套，或选用半刚性电缆和刚性电缆。
　　d、电路和元器件排列应合理，不要使信号迂回，尽量减小输出输入及各种情况上的相互耦合。
　　e、尽量选用平面安装电路，不要大面积接地，它对电磁场的辐射抵制优于立体电路，可大大降低场辐射。
　　f、特别注意噪声电路，噪声元器件的装配位置，处理了它们的地线，例如：继电器、电源变压器、高功率大电流器件及高压脉冲电路等等。
　　g、不要在屏蔽体上安装大功率、大电流元件，防止它们的返回电流通过屏蔽体产生不必要的耦合干扰。
在电磁兼容的设计中，屏蔽体设计是非常重要的一个方面。屏蔽是抑制一切无关信号的重要手段，一般可分三种类型：静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。
　　1静电屏蔽
　　空间任何两个带电物体均可产生静电场，其中一方电压的变化必定会引起另一方的变化，产生静电祸合。静电藕合的机理是通过电路之间存在的电容拙合作用引起的。
　　克服静电荆合最好的方法是利用金属板作静电屏蔽体。把受干扰的两个源用金属板隔离开，或者把电路上的所有元器件安装在金属板的一边，如同表面安装电路那样，可获得良好的静电屏蔽。具体的屏蔽方法，尤其对杂散电容祸合作用的屏蔽，应该在设计初始阶段就全面加以考虑。
　　屏蔽方法：将一块金属板置于两个被屏蔽的电路中间，并使各金属板与地作电气连接，如图l所示。这样从一点发出的电力线均被屏蔽板挡住，即起到静电屏蔽作用。
　　也可作成屏蔽罩，如图2所示，也能获得好的屏蔽效果。由图2看出，A点的电力线也达不到B点，因此也能起到良好的静电屏蔽作用。
　　

　　加大A、B距离，以减小杂散电容，也可减弱电容祸合作用，但这种方法受到体积限制，一般无法采用。特别要注意静电屏蔽体与地之间的接触必须良好，若接触不好，屏蔽体与地之间将有电位差，影响屏蔽效果。因此要求屏蔽盒应作导电防腐处理，所用螺钉，铆钉等固定不宜太稀，尽量使电接触良好，减小接地电阻，减小接地电感。
　　2磁屏蔽
　　电流在导线中流动，流过电感线圈和变压器时，其周围产生磁场，磁场通过电路中的互感来传播，电流产生的磁力线，通过互感在其它电路中感应出电压。
　　尤其在3KH：以下的低频条件下，主要干扰影响是由磁场引起的，但解决磁屏蔽往往既昂贵又困难。在雷达中，磁屏蔽主要针对电源变压器和高压调制器。一般低纹波电源的变压器常都采用坡莫合金加以屏蔽，否则达不到良好效果。
　　3电磁屏蔽
　　任何一种交流电路都会产生交变的电场和磁场。电磁屏蔽与电磁场的性质、变化频率、及辐射源和受感器之间的距离等有关。在雷达电子电路系统中，工作频率一般都较高，在IKHz以上，一般可选用铝为电磁屏蔽材料。用切削工艺制成的铝屏蔽盒，对300MHz信号屏蔽隔离可达100dB以上。当频率在]KHz以下，主要对磁场进行屏蔽，应选择高导磁率的材料。
　　在电子电路系统中，为了内部走线及取出放置电路方便，给屏蔽组装盒加有盖板，有时为了通风、散热等需要，在屏蔽板上打孔，开缝，造成屏蔽体出现间断点，引起信号泄漏，形成干扰，设计者应认真考虑。正确排列元件的位置，使缝和孔不要切断感应电流，必要时可将孔改用截止波导管，使孔辐射进一步削弱。
　　屏蔽组装设计
　　除了屏蔽设计以外，组装技术也很重要，尤其是对射频系统的组装，更应细心设计。
　　一般应注意下面几点。
　　a、内部电路的屏蔽设计，应能防止电子线路自身的射频能量泄漏，同时也防止外界电磁能量对它的影响。
　　b、采取措施，防止电路级与级之间不必要的反馈和祸合。
　　c、对电源加滤波去锅措施，衰减抑制射频信号在电子组合内部和电子组合与组合之间传导。
　　d、射频接地电阻越小越好。
　　当然还必须兼顾体积、重量、成本等方面的要求。
　　当电路之间对寄生场的衰减要求较高时，用组装盒结构形式较好，它可作成单隔离室形式，也可设计成多个隔离室形式，即一个屏蔽盒，内分几个隔离室，这样的组装盒对静电场和电磁场均有较好的隔离。制造组装盒的材料最好选用铝，它既便宜又轻，对雷达的电路系统，隔离效果一般都很好。
　　在装配这些屏蔽体时，常遇到长缝泄漏，对此应采取必要措施，使长缝上能有许多接触点。可用增加螺钉，加设弹性片和加衬导电衬垫等措施。但是这样作一定要注意防腐蚀，尤其电化防腐蚀，否则不能长期保持满意的效果。
　　还应考虑射频导线的干扰，合理选取传输信号的幅度，正确安排系统电缆走向，脉冲信号线。交流信号线相互不应绑在一起，尤其大幅度的脉冲信号，与高纯度的信号在传输时应严加区别。
　　总之，屏蔽设计是一项较为复杂的设计，它不仅需要机械设计知识，还必须熟悉所涉及的电尸各和多方而的知识。