艦載導(dǎo)彈紅外射頻導(dǎo)引頭電磁兼容設(shè)計

姚 勤,李偉忠,吳 宇

(中國人民解放軍海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室,上海 201109)

0 引言

隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)電磁對抗強(qiáng)度的不斷提高,各類艦船上集中的電子設(shè)備數(shù)量越來越多、尺寸越來越小,且電子設(shè)備中發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率日益增大,接收機(jī)的靈敏度愈來愈高。這些電子設(shè)備工作時會產(chǎn)生電磁輻射和傳導(dǎo)干擾,對其他設(shè)備的正常工作造成影響。因此,電磁兼容性能已成為海軍武器裝備研制和論證的重要指標(biāo)之一。

作為導(dǎo)彈的核心艙段之一,導(dǎo)引頭集成了大量的電子器件和設(shè)備,是全彈中電磁環(huán)境最復(fù)雜的部分,其電磁兼容性直接關(guān)系導(dǎo)彈能否裝艦。因此,有必要在早期的論證和方案階段進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計。如在艦船和武器系統(tǒng)安裝完畢后再處理,可能會造成昂貴的代價,甚至不可克服。目前,海軍對新研裝備的電磁兼容性提出了明確的要求和考核標(biāo)準(zhǔn)。為此,本文對艦載導(dǎo)彈紅外射頻導(dǎo)引頭電磁兼容設(shè)計進(jìn)行了研究。

1 電磁兼容設(shè)計

電磁兼容設(shè)計的目的是使所設(shè)計的電子設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中實現(xiàn)電磁兼容[1]。其要求是使電子設(shè)備或系統(tǒng)滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定并具有兩種能力：能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作,無性能降低或故障;對該電磁環(huán)境不是污染源。系統(tǒng)電磁兼容的核心是有效抑制電磁(輻射或傳導(dǎo))干擾,一方面抑制系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間、系統(tǒng)與工作對象間的相互電磁干擾,另一方面提高系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備乃至工作對象抵抗電磁干擾的能力。其設(shè)計主要遵循三個原則：盡可能抑制干擾源,直接將干擾源隔離在分系統(tǒng)及設(shè)備外;消除干擾源與分系統(tǒng)及設(shè)備間的干擾耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳遞途徑;隔離敏感部件,加強(qiáng)分系統(tǒng)及設(shè)備本身抵抗電磁干擾的能力,以降低設(shè)備電磁環(huán)境惡化的風(fēng)險。

抑制電磁干擾的有效方法是阻止或減少干擾能量的傳輸。針對電磁干擾的不同傳輸途徑,采用各種有效方法,切斷或減少干擾能量的傳輸。常用的電磁兼容設(shè)計包括濾波、屏蔽、接地和合理布線等。

導(dǎo)引頭由金屬殼體的位標(biāo)器,彈上計算機(jī),電機(jī),信息處理、信號分選、陀螺控制、微波等電路組合及天線等組成,電磁兼容設(shè)計時,由于下一級系統(tǒng)均安裝在金屬殼體內(nèi),電磁環(huán)境不易計算,可采用分層與綜合設(shè)計法,以產(chǎn)品在電磁兼容設(shè)計時所采取的措施的重要性為順序,依次分有源器件的選型與印制板、接地、屏蔽、濾波和瞬態(tài)騷擾抑制等5個層次進(jìn)行設(shè)計,并作綜合分析,適當(dāng)調(diào)整直至完善[2-3]。

1.1 有源器件選型和印制板設(shè)計

導(dǎo)引頭中需用的有源器件包括運算放大器、AD變換器、接口電路和基準(zhǔn)電壓電路等。可根據(jù)抗擾性、電磁發(fā)射、封裝和電源電壓等優(yōu)選芯片,并按布線布局基本原則設(shè)計印制板。

封裝中電源和地線節(jié)點越近,電磁發(fā)射能力就越小。采用圖1(b)封裝時電磁發(fā)射能力小,利于提高電磁兼容性。功能相同時,電源電壓越低,電磁發(fā)射能力也越低。可在數(shù)字電路中采用1.8 V電源電壓的芯片。

印制板設(shè)計中,采用將地電位不均勻降為最小的方法：減少負(fù)載電容,增大負(fù)載電阻;最大程度地減少印制板布線時電源和接地的電感;用接地參考引線在器件中心的器件替代接地參考引線在拐角處的器件;對CAN總線信號進(jìn)行阻抗匹配,減小信號反射。

圖1 兩種封裝對比Fig.1 Optimal encapsulation mode comparewith typical mode

1.2 接地設(shè)計

接地的目的是使整個電路系統(tǒng)的所有單元電路均有一個公共的參考電零位,保證電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作;防止外界電磁場干擾;保證安全工作。其要點是在關(guān)鍵位置提供低轉(zhuǎn)移阻抗的路徑。

由于與紅外相關(guān)的系統(tǒng)多工作于低頻,采用單點接地的方法,各模塊分別接地線至參考地匯總,可使接地網(wǎng)絡(luò)其他任何部分的電流均不會耦合入電路,避免低頻地環(huán)路出現(xiàn)問題;射頻主要工作在高頻,采用多點接地方法,各射頻模塊就近接金屬外殼,與地線可靠連接,盡可能減少接地阻抗感應(yīng)的共模電壓;對多個功能模塊傳輸?shù)男》刃盘?可盡量減少地回路電阻,使模塊間信號電平一致。

用光耦隔離、隔離運放等方法隔離大功率電路和其他電路。

1.3 屏蔽設(shè)計

最優(yōu)化的屏蔽體是全封閉的單一金屬殼體,但實際導(dǎo)引頭上有出線孔、電氣接口等開孔,致使屏蔽效能下降,故需進(jìn)行屏蔽設(shè)計。

對射頻模塊和電源模塊等主要干擾源,用金屬殼體進(jìn)行封閉屏蔽;對易受影響的小信號,在輸出電纜上進(jìn)行屏蔽設(shè)計,對紅外信息處理模塊,用金屬殼體進(jìn)行屏蔽。金屬外殼上的開孔部分主要用于對外電氣連接,接插件亦采用全金屬材料,與外殼間加墊屏蔽墊片,減少泄露。對重要信號采用濾波接插件,減少通過電纜的對外輻射。

1.4 濾波設(shè)計和瞬態(tài)騷擾抑制

濾波的目的是將以傳導(dǎo)方式進(jìn)入或離開設(shè)備的噪聲衰減至一合理水平,濾波器配置的效果取決于電路阻抗大小。導(dǎo)引頭電路屬于高阻抗電路,需用電容器進(jìn)行濾波。

由于體積的限制,導(dǎo)引頭內(nèi)不能安裝體積過大的濾波器件,電源可用電解電容器進(jìn)行直流濾波,鉭電解電容的容量與體積比值大,串聯(lián)電阻、電感小,溫度穩(wěn)定性好,在每個電路模塊的電源輸入端使用貼片鉭電容。陶瓷電容有較好的高頻特性,可用于數(shù)字電路的電源與電源地間,作為干擾濾波。在DC/DC電源模塊的輸入中,采用T型濾波器進(jìn)行濾波。

2 EDA分析

隨著電子設(shè)計自動化技術(shù)的發(fā)展,對設(shè)備的電磁兼容仿真研究不再局限于電路分析或場分析[4]。基于分層法設(shè)計,用電子輔助設(shè)計(EDA)軟件分析裝備系統(tǒng)內(nèi)部的電磁環(huán)境和輻射,為系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)品的研制提供信息,并根據(jù)這些信息進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計,從設(shè)計層面有效提高電磁兼容性。用Ansoft公司提供的軟件模塊對電子設(shè)備進(jìn)行電磁兼容分析的流程如圖2所示。

圖2 Ansoft仿真分析流程Fig.2 Simulation analysis flowchart using Ansoft

2.1 殼體內(nèi)電磁分布仿真分析

殼內(nèi)主要的干擾源有射頻組件和高速電路等。先用ProE工具對殼體建模,導(dǎo)入HFSS并按國軍標(biāo)設(shè)置外部電磁環(huán)境及分配材料,確定導(dǎo)電率和導(dǎo)磁率,選擇本征模式進(jìn)行求解,給出仿真結(jié)果。某導(dǎo)引頭殼體內(nèi)電磁分布的分析結(jié)果如圖3所示。圖中顏色越淺,干擾越大。根據(jù)仿真結(jié)果可了解殼體內(nèi)部處在惡劣電磁環(huán)境的部件,對該部件進(jìn)行相應(yīng)的電磁干擾預(yù)防設(shè)計。

圖3 典型外部電磁環(huán)境殼體內(nèi)電磁環(huán)境Fig.3 Electromagnetic environment in shell under typical exterior electromagnetic environment

2.2 殼體內(nèi)諧振仿真分析

導(dǎo)引頭外殼可產(chǎn)生諧振腔效果。在外部干擾作用下,殼體內(nèi)部分部位的干擾強(qiáng)度會因諧振而放大,如在此區(qū)域內(nèi)有線纜或電子元器件,會引起信號干擾或器件工作的不正常。因此,須準(zhǔn)確分析殼體諧振的空間分布和頻域分布,并以此修改設(shè)計。

某導(dǎo)引頭殼體內(nèi)空間及某部件上外加干擾的諧振分布仿真分析結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知：兩個矩形區(qū)域內(nèi)的干擾強(qiáng)度因諧振而達(dá)到0.7,遠(yuǎn)高于殼體內(nèi)10-6量級的平均干擾強(qiáng)度。由于殼體內(nèi)一敏感部件恰好處于頭部附近的矩形諧振區(qū)域內(nèi),當(dāng)存在外部激勵時,該部件所處空間的電磁干擾強(qiáng)度較大,可能影響電磁兼容,故對其進(jìn)行單獨分析和改進(jìn),其電場分布如圖4(b)所示。

圖4 原設(shè)計的電場分布Fig.4 Electric field distribution in shell interior space of original design

為保證產(chǎn)品的電磁兼容性能,使之在惡劣環(huán)境中能正常工作,對原設(shè)計進(jìn)行了修改：修改結(jié)構(gòu)和材料改變諧振點強(qiáng)度,改變內(nèi)部部件的外形和位置以避開殼體內(nèi)諧振區(qū)的區(qū)域。將導(dǎo)引頭外殼由原設(shè)計的透波材料氟化鎂改為全金屬材料,原諧振區(qū)域內(nèi)的電磁干擾強(qiáng)度減少為原來的20%。移動部分部件位置,使諧振區(qū)域向后移動30 mm。改進(jìn)后殼體內(nèi)諧振如圖5所示。改動后不僅殼體內(nèi)諧振強(qiáng)度大幅降低,且殼體內(nèi)部部件的位置也偏離了諧振點,使殼體內(nèi)部件所在空間的干擾強(qiáng)度明顯降低,避免了電磁干擾對產(chǎn)品的影響。

圖5 改進(jìn)后電場分布Fig.5 Electric f ield distribution in shell interior space of modified design

3 結(jié)束語

本文對艦載導(dǎo)彈紅外射頻導(dǎo)引頭電磁兼容設(shè)計進(jìn)行了研究。總體來說,目前對系統(tǒng)級的電磁兼容性評估和設(shè)計尚未形成成熟的設(shè)計流程,計算機(jī)仿真工具也受諸多因素的限制,主要還需依靠系統(tǒng)實測和調(diào)試。本文通過工程實例,運用基于分層分析的設(shè)計方法并結(jié)合EDA仿真工具,提高了導(dǎo)引頭的電磁兼容性水平,可為海軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈彈上設(shè)備的電磁兼容設(shè)計提供參考。

[1]楊克俊.電磁兼容設(shè)計與測試[M].北京：人民郵電出版社,2004.

[2]同 云.電磁兼容分層與綜合設(shè)計法——電磁兼容設(shè)計的新方法[J].電子質(zhì)量,2008(5)：98-101.

[3]白同云.嵌入式機(jī)器人控制器的電磁兼容設(shè)計[J].安全與電磁兼容,2010(5)：70-72.

[4]劉 瑩,謝擁軍,張 勇.車載集群通信系統(tǒng)“自頂向下”電磁兼容設(shè)計[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2010,39(5)：720-723.