系統級電磁兼容性設計研究

摘要:隨著電子技術在航天飛行器、飛機、艦艇中的廣泛應用，系統整機的電磁兼容性設計已經成為一個不可回避的課題，對目前整機系統的電磁兼容性設計提出了設計思路。

關鍵詞:電磁兼容性;系統;綜合

中圖分類號:O44

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)15-0340-01

隨著電子技術在航天飛行器、飛機、艦艇中的廣泛應用，這些設備在工作的同時往往要產生一些有用或無用的電磁能量，這些能量將影響到其它設備的工作，從而形成了電磁干擾，尤其在軍用飛機上，大量的電子設備密集在狹小的空間內，相互間的電磁干擾非常嚴重，同時還要攜帶大量的作戰設備和武器系統，很容易就使飛機不能處于正常狀態，從而發生災難性的后果。因此在復雜的電磁環境中，如何減少相互間的電磁干擾，使各電氣電子系統、分系統、設備和元件能正常工作互不干擾，達到能兼容工作的狀態，已成為當前機載電氣電子設備設計一個不可回避的課題。而電磁兼容學正是為解決這類問題而迅速發展起來的一門科學。

眾所周知，電磁兼容學是近年來發展起來的一門新興科學。它主要研究的是如何使在同一電磁環境下工作的各種電氣電子系統、分系統、設備和元器件都能正常工作，互不干擾，達到兼容狀態。從某種程度上也可以說成是研究干擾與抗干擾的問題。而隨著電磁兼容技術不斷的發展，研究和分析電磁兼容性的方法也逐步得到提高和完善，按其發展過程，通常分為三種方法:問題解決法、規范法和系統綜合法。

問題解決法是解決電磁兼容問題的早期方法，首先按常規設計建立系統，然后再對實驗中出現的電磁兼容問題予以解決。由于系統已安裝完工，要解決電磁兼容問題比較困難，為了解決問題可能要進行大量的拆卸，甚至要重新設計，對于大規模集成電路要嚴重地破壞其版圖。因此問題解決法是一種非常冒險的方法，而且這種頭疼醫頭，腳疼醫腳的方法是不可能從根本上解決電磁兼容問題的。這種方法在設計階段節省了電磁兼容設計所增加的成本，但在成品的最后階段解決電磁兼容問題不僅困難大，而且成本高。所以這種方法只適合比較簡單的設備。規范法是比問題解決法較為合理的一種方法，該方法是按照現行電磁兼容標準所規定的極限值來進行計算，使組成系統的每個分系統均符合所規定的標準，并按標準所規定的實驗設備和實驗方法核實它們與標準所規定的極限值的一致性。該方法可在系統實驗前對系統的電磁兼容提供一些預見性。但該方法也存在可能引起過儲備的設計，或謀求解決的問題不一定真實存在的問題，從而影響系統本身的性能指標，又增大本身不存在的設計成本。系統綜合法是最近幾年興起的一種先進的電磁兼容設計方法，它集中了電磁兼容方面的研究成就，根據電磁兼容的要求給出最佳工程設計的方法。系統綜合法從設計開始就預測和分析電磁兼容性，并在系統設計、制造、組裝和實驗過程中不斷對其電磁兼容性進行預測和分析。由于在設計階段采取電磁兼容措施，因此可以采取電路與結構相結合的技術措施。這種方法通常在正式產品完成之前就解決90%的電磁兼容問題。

下面結合某型飛機機載通信設備的設計為例，討論一下如何用系統綜合法的思路進行機載設備整機的電磁兼容設計。

1 首先要明確電磁兼容設計的目的

對于新研制的機載通信設備，從一開始首先要明確其使用環境和將要通過的電磁兼容性指標，這是綜合權衡電磁兼容性與功能特性設計的起點，再此基礎上同時考慮研制周期和經費需求，確定整機系統總體設計的電磁兼容性的控制等級和控制方案。一般來說，是依據電磁兼容標準規范，以設計為重點，以電磁兼容試驗為保障，來保證電磁兼容性設計的有效性，同時在制定研制計劃時要充分意識到系統電磁兼容性設計工作將貫穿于系統研制的全過程。

2 整機系統的電磁兼容分析和溝通

首先，整機系統設計師在設計時要充分理解其各分系統主要功能及關聯性，這樣才能對其進行合理的電磁兼容分析，例如該新型飛機機載通信設備，其系統主要由供電分系統，信號處理與控制分系統，接收分系統和發射分系統組成，分析各個預期的電磁環境，根據功能和性能的要求規定安裝的位置和線纜的走向，對于可以調整位置的模塊，要充分利用空間隔離，使其遠離干擾源;像高靈敏度的接受機不但要做好屏蔽工作，還要使其遠離大功率發射機。另外，對于各個分系統安裝位置的地電位可能產生的干擾也要早期控制，像信號處理與控制分系統一般大都是數字電路，而接收機和發射機一般大都是模擬電路，所以數字電路的信號地，摸擬電路的地電位和供電模塊的安全地三者的規劃必須引起高度重視，選用適合的接地方法盡量避免因為地電流而引起的干擾。

其次就是整機各個分系統之間設計的匹配性與合理性，例如頻譜的使用率，分系統之間的隔離措施，接口設計，互聯電纜之間的電磁干擾以及系統與外部設備的連接控制等，都需要綜合考慮。這里要著重強調頻譜的使用率，電磁波頻譜是有限的，但不是消耗性的，因為它在各頻段的傳播特性是不同的，如果不充分和合理地使用，不但會造成本身利用率的下降，還會干擾和影響其他分系統正常工作，因此，頻譜的使用率是否合理在電磁兼容的設計中是相當重要的一項內容。

再次就是分析各種干擾源的特性和技術參數，確定干擾的源頭，干擾的路徑以及其耦合的方式，然后再確定采用的控制方案和各種抑制干擾的措施。一般來說，電源線傳導發射與輻射，信號線傳導發射與輻射，大功率發射機的諧波帶來的輻射，空間耦合，地線耦合是主要的干擾途徑。而新型設備中其使用的開關電源，高性能的DSP數字處理器，高增益的微波放大器等為干擾產生比較集中的地方，由于這些問題所引起的異常工作需要特別關注，設計時需要全面考慮。

3 整機電磁兼容性設計的系統性和綜合性

電磁兼容本身就是一門綜合性科學，而用系統綜合法的思路從設計開始就預測和分析了整機及其各模塊的電磁

兼容性。可以這么認為，電磁兼容是設計出來的。因為單個元件的電磁兼容控制技術已經比較成熟 ，并且被廣泛的應用，而目前問題比較多的是缺乏系統綜合設計，這樣就出現了單個元件滿足要求，而系統聯起來后不滿足要求;或者無限擴大化的采用電磁兼容控制措施，造成成本的成倍上漲，經驗表明，對于復雜系統而言，只有進行系統級的綜合設計，才有可能達到滿意效果及合理的費效比。可以從以下方面綜合考慮。 

3.1 設計約束

電磁兼容設計約束的優先級并不比設計中的其他方面高，然而一些電磁兼容約束必須要盡可能清晰的同設計師系統和設計者溝通。如電源去耦，路徑分離，襯墊使用，殼體結構等。

3.2 機械結構設計

從電磁兼容的觀點來考慮機械設計方面的事項是相當重要的。

首先設計殼體結構時就必須知道它的屏蔽效能，這樣有助于其他區域的設計，這也會在很大程度上決定電磁兼容措施的應用等級。如果需要在各模塊接觸面使用襯墊，那么設計者需要保證在應用中具有最佳的屏蔽效能，考慮交界面，材料，壓縮和接觸面區域等。

其次要從電磁兼容的觀點來考慮系統的分割，將噪聲較大的電纜分離出來，電纜的分離對耦合路徑和電磁干擾性能有很大的影響，電纜的選擇包括是否需要屏蔽、雙絞等;在電路設計中根據電路功能和噪聲電平的不同分離電路，例如模擬電路，數字電路，電源電路都是要盡可能在物理上分離開來。

再次要注意系統布局，減少空間耦合。高靈敏度設備遠離產生大功率干擾的設備，充分利用空間衰減特性;高靈敏設備與產生大功率干擾的設備利用結構進行屏蔽。 

3.3 提高電源供電質量

必要的精化設置電網，實行分網供電，減少電源的傳導耦合，加強電網的控制，合理使用電源，這樣可以有效的控制電源干擾;加強電源濾波，控制傳導干擾，一般情況一個系統是統一供電的，那么在什么地方濾波，采用何種方式濾波，幾級濾波需要綜合考慮。

3.4 地線網絡和接地設計

在整個系統中要保證一致接地的方針，統一設計合理采用各種接地方式，考慮潛在的地環路和靜電放電路徑，有利于增加系統的抗干擾性;系統一定要進行綜合網絡的設計，盡可能設置電源地，信號地;盡可能減小地電阻，要特別注重接地點的防松動，防氧化功能的設計;高靈敏設備的接地點要遠離大功率設備的接地點，消除地電流耦合。

3.5 可制造性

在設計之初應該充分考慮產品的可制造和可控制性，必須保證設計中的電磁兼容控制措施易于操作，可制造且成本較低。

參考文獻

[1]何宏主編，秦會斌主審.電磁兼容原理與技術[M].西安:西安電子科技大學出版社，2008，(7).

[2]大衛·A·韋斯頓著，楊自佑，王守三譯.電磁兼容原理與應用[M].北京:機械工業出版社，2006，(1).