艦船環境通信設備的電磁兼容設計*

(1.武漢船舶通信研究所 武漢 430079)(2.海軍92815部隊 寧波 315716)

艦船環境通信設備的電磁兼容設計*

幸明強1周世濤2孫衛華1

(1.武漢船舶通信研究所 武漢 430079)(2.海軍92815部隊 寧波 315716)

論文對現代艦船電磁干擾產生的機理進行了分析,在艦船通信系統方案論證、研制、安裝和使用等整個過程中,提出了通過接地設計、防浪涌設計、布線設計、屏蔽設計和濾波設計等措施開展EMC設計,有效降低了艦船環境中輻射干擾、傳導干擾、電磁脈沖、浪涌、靜電放電和串擾等因素對艦船通信系統的影響。

電磁干擾;電磁兼容;浪涌保護;屏蔽;濾波

ClassNumberTM15

1 引言

現代艦船通信系統是整個艦船的大腦與核心,是艦船內部和外部進行溝通的橋梁,由先進電子設備與系統組成,用于完成指揮與決策、外部和內部通信及數據傳輸處理等功能。組成艦船通信系統的眾多電子設備產生、接收、傳送、處理、貯存了大量的電信號,在艦船的狹窄空間內[1],集成了眾多的電子設備,這些電子設備涉及的頻段寬、天線種類繁多,對發射電平、接收靈敏度提出了越來越高的要求,加上數據和弱信號傳輸量的擴大、各種金屬構件的天線和非天線效應、大量成束電纜的敷設等因素都給電磁干擾的產生和傳播提供了條件和途徑,為了保證艦船通信系統正常工作,必須控制電磁干擾,實現艦船通信系統的電磁兼容。

2 現代艦船電磁干擾產生的原理

電磁干擾[2](EMI)實際上就是電子設備產生的連續、隨機或周期性的電噪聲。為了對艦船通信系統進行電磁兼容設計必須對電磁干擾產生的機理和艦船電磁干擾的產生途徑進行科學的分析,并將其隔離切斷以設計出電磁兼容的系統。

2.1 電磁干擾三要素

干擾源產生干擾,經過一定的耦合通道對其他設備的工作造成不良影響,即:電磁干擾源、耦合通道(干擾的傳遞途徑)和感應器(被干擾設備)這三者構成了產生電磁干擾的三個要素。

現代艦船電磁干擾主要來自三個方面:1)來自艦船上的無源金屬構件,這些物體以極其復雜的形狀和尺寸排列起來,以各種可能的方式產生阻擋、截獲、傳導、反射、散射、繞射和再輻射的電磁能,對沒有逃逸出去的電磁能以互調干擾的形式產生新的電磁散射體;1)來自艦船的所有電氣有源金屬裝置,如由電動驅動的機械裝置、武器系統瞄準和旋轉天線等電氣實體,對艦船環境形成強烈的電磁干擾;3)來自艦船各種發射機、雷達、電子干擾機和敵我識別器等設備的射頻干擾,它是由多個干擾源產生的輻射電磁能的復合場,在艦船電磁環境中射頻環境最為復雜。

從上述艦船電磁干擾產生的途徑可知,艦船通信設備經常處于下列電磁干擾的環境中工作:

1)輻射干擾:任何源自部件、天線、電纜、互連線的電磁輻射,以電場、磁場形式(或兼而有之)存在,并導致性能降級的不希望有的電磁能量。

2)傳導干擾:沿著導體傳輸的不希望有的電磁能量,通常用電壓或電流來定義。

3)電磁脈沖(EMP):核爆炸或雷電放電時產生的電磁輻射。由電磁脈沖所產生的電場、磁場可能會與電子或電子系統耦合產生破壞性的電壓和電流浪涌。

4)浪涌:沿線路或電路傳播的電流、電壓或功率的瞬態波。其特征最先快速上升后緩慢下降。浪涌由開關切換、雷電放電、核爆炸引起。

5)靜電放電(ESD):不同靜電電位的物體靠近或直接接觸時產生的電荷轉移。

6)串擾:通過與其他傳輸線路的電場(容性)或磁場(感性)耦合,在自身傳輸線路中引入的一種不希望有的信號擾動。

2.2 控制電磁干擾的途徑

針對電磁干擾產生的三要素,對應的控制干擾的基本方法是:抑制干擾源、提高設備的抗干擾能力和消除傳輸干擾的途徑。

3 艦船通信系統電磁兼容措施

為抑制輻射干擾、傳導干擾、電磁脈沖、浪涌、靜電放電和串擾等因素對艦船通信設備的電磁干擾,艦船通信系統EMC設計是通過在接地、防浪涌設計、布線、屏蔽和濾波等方面開展設計工作的。

3.1 接地設計

艦船通信系統的設備種類繁多,對同一臺設備而言可能會存在數字信號、模擬信號、高頻的射頻信號及低頻信號,這就要求我們正確地對通信設備的接地進行設計,接地技術是電磁兼容設計中十分有效的措施。接地有浮地、單點接地、多點接地三種基本形式,這些方法可以單獨使用也可以組合使用。到底采用什么樣的接地方式需根據具體情況確定。但有一點需引起重視,接地引線的長度必須小于工作波長λ的1/4[3],這僅是考慮到“地”作用的起碼要求,實際接地引線的長度還要看允許電源通過該接地線所產生的電壓降的大小。如果電路對此電壓降很敏感,則接地引線的長度不大于0.05λ或更小;如果只是一般敏感,則接地引線可長一些,但一般不超過0.15λ。同時為了降低接地引線的阻抗,接地引線的端頭應平行搭接在接地平面上。通信系統設備的接地按照以下原則進行設計:

1)通信系統信號地接地是由主接地電纜、分支接地電纜、接線箱及接地柱構成與船體絕緣,僅主接地電線通過接地柱與船體單點連接接地;

2)凡是使用電源電壓30V以上的電子、電氣設備的金屬外殼(包括機柜、機架)都應作機殼接地;

3)電纜管路應保持連續的電氣連接．接頭處必須用搭接線(或片)連接,一般每隔2m左右接地一次;

4)電源線、地線盡量加粗以減少環路電阻,走線以盡量短,轉角圓滑為原則;

5)大信號與小信號的地線應分開;數字地與模擬地分開;

6)低頻電路的接地盡量采用單點并聯接地;報房高頻接地是指發射機和接收機用銅帶或鋼板連接后接地,高頻電路宜采用多點串聯接地;地線應短而粗。高頻元件周圍盡量用地箔包圍,地箔可設計成柵格形式;

7)信號輸入、輸出線不要平行并排走線,信號線應遠離電源線;

8)無線通信系統設備的地線采用浮地,不與屏蔽地連接;

9)波導管穿至露天部位,靠近艙壁的法蘭用接地跨接片與船體連接,波導管的兩個法蘭之間用接地銅片進行跨接。

3.2 防浪涌設計

由于浪涌脈沖的上升時間較長(微秒級),脈寬較寬(幾十微秒至1毫秒),因此浪涌脈沖不含很高的頻率成分,對電路形成的干擾以傳導為主[4]。對于浪涌脈沖的這種高能量和所含諧波頻率相對偏低的特點,采用一般的濾波(如電源線濾波器和信號線濾波器)和吸收(如鐵氧體磁環),基本上是無效的,而唯一有用的就是浪涌保護器件,用在設備的電源和信號端口,將浪涌電壓在非常短的時間內與大地短接,使浪涌電流分流入地,阻止浪涌脈沖進入設備的內部,達到削弱和消除過電壓、過電流的目的,從而起到保護電子設備安全運行的作用。

浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類型[5]。第一種類型為橇棒(crow bar)器件。其主要特點是器件擊穿后的殘壓很低,因此不僅有利于浪涌電壓的迅速泄放,而且也使功耗大大降低。另外該類型器件的漏電流小,器件極間電容量小,所以對線路影響很小。常用的撬棒器件包括氣體放電管、氣隙型浪涌保護器、硅雙向對稱開關(CSSPD)等。另一種類型為箝位保護器,即保護器件在擊穿后,其兩端電壓維持在擊穿電壓上不再上升,以箝位的方式起到保護作用。常用的箝位保護器是氧化鋅壓敏電阻(MOV),瞬態電壓抑制器(TVS)等。

常用的浪涌保護器件有氣體放電管、壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管和半導體放電管等幾種。各種浪涌抑制器件的共同特點為器件在閾值電壓以下都呈現高阻抗,一旦超過閾值電壓,則阻抗便急劇下降,都對尖峰電壓有一定的抑制作用。但各自都有缺點,因此根據具體的應用場合,一般采用上述器件中的一個或者幾個的組合來組建相應的保護電路。各種浪涌抑制器件的參數對比如表1所示。

表1 幾種常用浪涌抑制器參數比較

艦船通信系統電子設備所需的浪涌保護系統一般由二級或三級組成[6],利用各種浪涌抑制器件的特點,可以實現可靠保護。氣體放電管一般放在線路輸入端,做為一級浪涌保護器件,承受大的浪涌電流。二級保護器件采用壓敏電阻,在微秒級時間范圍內更快地響應。對于高靈敏的電子電路,可采用三級護器件TVS,在皮秒級時間范圍內對浪涌電壓產生響應。三級浪涌保護原理圖如圖1所示。當雷電等浪涌到來時,TVS首先起動,會把瞬間過電壓精確控制在一定的水平;如果浪涌電流大,則壓敏電阻起動,并泄放一定的浪涌電流;兩端的電壓會有所提高,直至推動前級氣體放電管的放電,把大電流泄放到地。

圖1 三級浪涌保護原理圖

氣體放電管可靠工作所能承受的浪涌電流強度與浪涌電壓打擊次數直接相關,次數越高電流耐受能力越低。同時需要確定模擬的浪涌電壓峰值、持續時間、內阻等指標,以此確定流過氣體放電管的最大峰值電流。氣體放電管與壓敏電阻或穩壓管組合串聯使用時最大峰值電流為

(1)

式(1)中,Vsource為浪涌電壓的峰值電壓;rsource為浪涌電壓的內阻值;Vclamp為壓敏電阻或穩壓管的鉗位工作電壓;Vp為氣體二極管短路工作時的弧光電壓。

3.3 布線設計

電磁兼容對于電纜敷設提出新的、較高的要求,根據電纜傳輸電磁能量的大小及頻率將艦船電纜基本上分為四類。1)所有電力、照明以及與電網有聯系的控制電纜。2)低頻(100kHz以下)信號電纜。3)射頻信號電纜(含天線饋線)。4)脈沖、數字電路、控制電路及其他用途的電纜。第一類電纜應盡可能靠近船體或艙壁敷設,來回線應沿著同一路徑并緊靠敷設。第二類電纜中電平差大于40dB的信號電纜不能敷設在同一束電纜內。聲納設備的信號電纜應單獨敷設,其連接接收換能器的電纜距離其他所有電纜至少150mm或穿管敷設。連接發射換能器的電纜距離其他電纜至少450mm。第三類電纜通常為傳輸大功率信號的同軸電纜應單獨敷設。傳輸低電平信號的電纜應盡量遠離傳輸寬頻帶信號的電纜。第四類電纜中的電平差大于40dB的信號電線不可敷設在同一束內。雷達調制脈沖電纜及天線饋線電纜應距離其他電纜至少450mm。傳輸模擬信號的電纜與傳送數字信號的電纜應予以分開,并應避免平行敷設。

為避免電場和磁場的耦合作用引起線纜內部的串擾效應,在進行艦船通信系統布局設計時,應根據電纜的類別對系統內部線纜的走線布局進行科學的設計,通過對不同類型的線纜分類布置,并且不同類型的線纜間保持一定距離的間隔,來減小線纜間耦合效應[7];如果不同類型的線纜間不能做到保持一定距離的間隔,可以通過縮短走線長度的方式來減少線纜內部的串擾效應。

3.4 濾波設計

濾波是抑制傳導干擾最直接有效的辦法,同時由于良好的濾波可以抑制干擾源,因而它對輻射干擾的抑制也有明顯效果。濾波器對電磁干擾的抑制作用是建立在合理選擇濾波電路的形式和參數基礎之上的。

為了抑制配電系統的電纜傳導干擾,對脈沖干擾和瞬變干擾較為敏感的電子設備應通過濾波器供電。

線路中的電磁干擾電流可分為共模(Common-mode)干擾和差模(Differential-mode)干擾兩種。共模干擾的干擾電流在電纜中的所有導線上流動的方向是相同的,是在這些導線與“地”之間形成的回路中流動的;而差模干擾的干擾電流則是在信號線與信號“地”線之間的回路中流動的。共模干擾一般是由來自外界或電路其它部份的干擾電磁波在電纜與“地”的回路中感應產生的,有時由于電纜兩端部位的接“地”電位不同,也會產生共模干擾。它對電磁兼容的危害很大,一方面,共模干擾會使電纜線向外發射出強烈的電磁輻射,干擾電路的其它部份或周邊電子設備;另一方面,如果電路不平衡,在電纜中不同導線上的共模干擾電流的幅度、相位發生差異時,共模干擾則會轉變成差模干擾,將嚴重影響正常信號的質量。差模干擾主要是電路中其它部分產生的電磁干擾經過傳導或耦合的途徑進入信號線回路,如高次諧波、自激振蕩、電網干擾等。由于差模干擾電流與正常的信號電流同時、同方向在回路中流動,所以它對信號的干擾是嚴重的。

為抑制艦船通信設備信號線上的共模干擾和差模干擾,可采用濾波電路進行電磁兼容設計,目前應用較多的有磁珠、共模扼流圈、差模扼流圈和雙模(共模/差模)扼流圈。磁珠在很多場合可以用來抑制共模干擾和差模干擾,而且體積小、價格低、使用方便,但它有不足之處,如其形態因子較小,因而當信號頻率與噪聲頻率接近時,磁珠在抑制噪聲的同時將對信號產生嚴重的影響,造成信號的畸變;對共模電流和差模電流的抑制是相同的,沒有區別;另一不足之處是在大電流時容易達到飽和,特別是在疊加直流的情況下,磁珠不能很好地抑制噪聲。為了更有效地抑制共模與差模干擾,人們設計制造了共模扼流圈、差模扼流圈和雙模(共模/差模)扼流圈。近年來,世界各大電子元件公司(如日本的村田、TDK、我國的深圳南虹電子陶瓷公司等)已使這3種扼流圈成功地片式化,滿足了表面貼裝電路的需求。片式扼流圈成為EMI對策元件家族中的佼佼者。

3.5 屏蔽設計

屏蔽的原理是電場反射損耗理論。屏蔽是利用金屬導電材料或導磁材料制成閉合的屏蔽體,將電磁能量限制在密閉空間內,從而有效地抑制輻射干擾。屏蔽體起到將外來電場與屏蔽空間隔離的作用,通過將屏蔽體接地[8],實現消除電勢的作用。屏蔽效果的好壞與涂層電阻率的大小成反比,因而在實際項目設計過程中,通過采用良導體制成屏蔽體對電磁波反射和吸收[9],達到衰減電磁能量減少輻射干擾的目的。屏蔽體的孔縫在實際應用中是不可避免的,它是影響屏蔽的一個重要因素。為了保證屏蔽效果,減小屏蔽體的電阻,在設計屏蔽體時應盡量減小垂直于電場方向的孔縫尺寸。

在強電場輻射環境中可采用雙層金屬屏蔽層來對強電場進行屏蔽,控制兩金屬屏蔽層間距盡量接近1/4波長的奇數倍(由于在頻率很高時,電磁波在兩屏蔽層間會產生諧振。當兩層間距為1/4波長的奇數倍時,雙層屏蔽具有最大的屏效;當兩層間距為1/4波長的偶數倍時,屏效最小),有效減小了電場輻射通信設備的影響。

4 結語

隨著電子、電氣、計算機、控制技術的迅速發展,艦船通信系統的電磁環境越來越復雜。艦船上復雜的電磁環境可能造成電臺通訊距離縮短、噪聲增大、計算機誤碼、雷達虛警、應答機自激泄漏密碼等故障,甚至造成不可挽回的惡劣后果。現代戰爭條件下艦船各系統間的電磁兼容性對艦船戰斗力的影響越來越大,為適應新時期現代戰爭的發展趨勢[10],艦船通信系統的電子設備必須與電磁輻射與接收的各種環境情況作斗爭,特大功率的發射機必須在復雜的艦船環境條件下與較敏感的接收機共存和同時工作。這就要求我們充分掌握和了解艦船電磁環境,在論證、研制、安裝和使用等過程中解決好電磁兼容性的問題,以發揮艦船的最佳作戰效能,提高艦船的戰斗力。

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CommunicationEquipment’sElectromagneticCompatibilityinMarineEnvironment

XING Mingqiang1ZHOU Shitao2SUN Weihua1

(1. Wuhan Maritime Communications Research Institute, Wuhan 430079)(2. No. 92815 Troops of Navy, Ningbo 315716)

This paper investigates the mechanism of electromagnetic interference which is generated in marine communication system. EMC design is carried out by ground connection, anti surge design, wiring design, shield design and filtering design in the different process of project argument、development、installation and use of marine communication equipment. So effect of factors such as radiated interference, conducted interference, electromagnetic pulse, surge, electrostatic discharge and crosstalk which affect the EMC design of marine communication system are decreased.

electromagnetic interference, electromagnetic compatibility, surge protection, shield, filtering

2013年11月8日,

:2013年12月20日

幸明強,男,工程師,研究方向:艦船通信系統與通信中心控制器。周世濤,男,工程師,研究方向:通信系統綜合集成。孫衛華,男,高級工程師,研究方向:艦船通信系統。

TM15DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.042