某機載天線伺服系統電磁兼容設計及分析

王小宇　劉昕　張德

【摘要】 本文采用近場電磁干擾源探測定位法分析了某機載天線伺服系統的輻射發射問題。通過對比測試數據確定碼盤及開關電源為主要輻射源，針對碼盤和開關電源輻射超標的問題采用屏蔽、接地和濾波等措施進行整改。在設計共模濾波器時使用仿真軟件CST對濾波器的參數進行仿真，最后通過電磁兼容試驗驗證整改效果，確定伺服系統的電磁兼容性有明顯的改善。

【關鍵詞】 電磁兼容 輻射發射 屏蔽 濾波器設計

Design and Analysis of Electromagnetic Compatibility Problems of Airborne Antenna Servo System

Wang Xiao-yu，Liu Xin，Zhang De

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

Abstract：In this paper， electromagnetic interference sources detection method is used for the analysis of radiated emission problem of the airborne antenna servo system. By comparing the test data， it is confirmed that the main source of radiation is the encoder and switching power supply. In order to solve the problem of the encoder and switch power source radiation exceed the standard， a series of measures such as shielding， grounding and filtering are adopted to carry out rectification. The parameters of filter are simulated using the CST simulation software in the design of common mode filter. Furthermore， the rectification effect is verified by the electromagnetic compatibility test. It is found that the electromagnetic compatibility of the servo system is improved obviously.

Keywords：Electromagnetic compatibility，Radiation emission，Shielding，Filter design

一、引言

電磁兼容（EMC）作為一門綜合性的前沿學科，在20世紀末、21世紀初的電氣及電子科學中得到迅速發展，對理論及工程實踐緊密結合的要求越來越高[1]。

現代社會中飛機、艦艇、汽車等各種平臺在狹窄的空間中安裝了各種功能的電子設備，在工作時這些設備會產生電磁干擾，對其它設備的正常工作產生影響[2，3]。短波通信是現代飛機等載體完成任務、保障安全的重要通信手段。隨著技術的進步，各種飛行器對通信質量的要求日益高漲，導致飛行器上電子通信設備的種類和數量不斷增長。由于通信設備都安裝在飛行器殼體上，以殼體作為共地點，而在飛行期間殼體與大地并無連接，導致設備間的電磁兼容成為不可忽視的問題 [4，5]。

二、故障現象及分析

用戶在使用過程中發現，當伺服系統工作時，會導致短波/超短波系統有效通信距離縮短。使用頻譜儀觀察短波/超短波天線接收信號頻譜，在伺服系統工作時，在10MHz～200MHz頻段范圍內短波/超短波天線底噪有明顯抬升，抬升幅度隨頻點不同，但最小幅度也大于10dBm。伺服系統組成如圖1所示，組成伺服系統的各設備通過互聯線纜進行通信。

采用電磁兼容三原則法進行分析，伺服系統是輻射源，短波/超短波天線是受影響設備，而伺服系統和短波/超短波天線之間無任何線纜連接，并分別由各自系統的隔離電源供電，因此干擾信號無法通過傳導方式達到受影響設備。并且由于伺服系統的供電和信號電纜長度超過10m，而10MHz信號的波長約為30m，電纜長度已滿足L≥（λ/20）的輻射發射條件，由以上條件判斷輻射發射為干擾信號的傳輸路徑。為解決該輻射發射問題，按照GJB 151A-97中對機載設備的輻射發射要求，對伺服系統進行垂直極化RE102測試，測試結果如圖2所示，測試曲線在30KHz～500MHz范圍內頻譜嚴重超限，同時包括窄帶尖峰噪聲、寬帶噪聲和高密集型尖峰群噪聲三種情況。

采用頻譜儀和德國安諾尼公司生產的PBS系列近場探頭對組成伺服系統的每個設備和設備間的互聯線纜進行輻射發射檢查。使用電場探頭分別在距互聯線纜10cm和20cm的位置進行測量，觀察頻譜儀上測試曲線的峰值變化并將數據記錄于表1。采用對比法分析，由峰值變化可判斷輻射類型主要為電場輻射。同時按照頻譜儀上曲線峰值及包絡的強弱排列，可得開關電源、碼盤、設備間的互聯電纜為主要輻射源。

三、分析及整改措施

針對產生輻射的設備進行分析和整改，按照整改措施的難易程度進行排序為互聯電纜、碼盤和開關電源，具體措施如下。

3.1 互聯線纜

由于在進行伺服系統設計時，未考慮電磁兼容設計，所有的傳輸線均未使用屏蔽線纜，同時為走線美觀，將信號線和電源線集中捆扎，導致線纜間耦合嚴重，線纜整體成為發射天線。

3.2 碼盤

由于碼盤在設計時已采用金屬殼體進行屏蔽，因此對其使用近場探頭進行檢測。檢測發現輻射發射在碼盤插座與殼體連接處最強，拆下插座發現插座上安裝的密封膠圈是絕緣體，破壞了碼盤整體的電連續，將該密封膠圈更換為導電膠圈后，插座連接處的輻射發射有明顯降低。同時在碼盤的電源線和信號線上采用饋通濾波器LT1-200-332進行濾波，并將濾波器外殼有效接地，再次進行RE102測試，測試曲線已滿足GJB151A-97的要求。

3.3 開關電源

采用靠測法，使用200MHz帶寬的示波器測量開關電源的輸入及輸出端的電壓變化，在開關電源工作時觀察到輸入輸出端電壓均疊加有高頻共模噪聲，將共模噪聲在時域展寬后如圖3所示。

在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）軟件，該軟件強大的仿真能力解決了以上濾波器設計所面對的問題。設計共模濾波器如圖4所示，采用該共模濾波器并匹配合適的參數可有效抑制開關電源輸入和輸出端的共模噪聲。經仿真可得共模濾波器在不同參數下的特性曲線，如圖5所示。

按照仿真結果設計共模濾波器，在電源輸入及輸出端串入共模濾波器后，對開關電源進行RE102測試，測試結果如圖6所示，開關電源的輻射發射已滿足GJB151A-97的要求。

采用以上措施對伺服系統進行整改后，再次進行RE102測試，測試曲線如圖7所示，圖7-a為水平極化測試曲線，圖7-b為垂直極化測試曲線，由圖7可知，伺服系統的輻射發射在垂直和水平兩個極化方向上都能滿足GJB 151A-97中機載設備的電磁輻射發射要求。

四、結論

本文采用近場電磁干擾源探測定位法對組成伺服系統的各個設備與互聯線纜的輻射發射情況進行了分析，依據分析結果確定電場輻射是干擾信號的主要傳輸路徑。從電磁兼容問題產生所必需具備的三要素出發，采用切斷傳輸路徑及減少輻射源等措施對伺服系統進行了整改。在設計共模濾波器時引入仿真分析軟件CST對濾波器的參數進行計算，確保整改后的伺服系統順利通過了水平和垂直兩個極化方向的RE102測試，改善了伺服系統的電磁兼容性。

【摘要】 本文采用近場電磁干擾源探測定位法分析了某機載天線伺服系統的輻射發射問題。通過對比測試數據確定碼盤及開關電源為主要輻射源，針對碼盤和開關電源輻射超標的問題采用屏蔽、接地和濾波等措施進行整改。在設計共模濾波器時使用仿真軟件CST對濾波器的參數進行仿真，最后通過電磁兼容試驗驗證整改效果，確定伺服系統的電磁兼容性有明顯的改善。

【關鍵詞】 電磁兼容 輻射發射 屏蔽 濾波器設計

Design and Analysis of Electromagnetic Compatibility Problems of Airborne Antenna Servo System

Wang Xiao-yu，Liu Xin，Zhang De

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

Abstract：In this paper， electromagnetic interference sources detection method is used for the analysis of radiated emission problem of the airborne antenna servo system. By comparing the test data， it is confirmed that the main source of radiation is the encoder and switching power supply. In order to solve the problem of the encoder and switch power source radiation exceed the standard， a series of measures such as shielding， grounding and filtering are adopted to carry out rectification. The parameters of filter are simulated using the CST simulation software in the design of common mode filter. Furthermore， the rectification effect is verified by the electromagnetic compatibility test. It is found that the electromagnetic compatibility of the servo system is improved obviously.

Keywords：Electromagnetic compatibility，Radiation emission，Shielding，Filter design

一、引言

電磁兼容（EMC）作為一門綜合性的前沿學科，在20世紀末、21世紀初的電氣及電子科學中得到迅速發展，對理論及工程實踐緊密結合的要求越來越高[1]。

現代社會中飛機、艦艇、汽車等各種平臺在狹窄的空間中安裝了各種功能的電子設備，在工作時這些設備會產生電磁干擾，對其它設備的正常工作產生影響[2，3]。短波通信是現代飛機等載體完成任務、保障安全的重要通信手段。隨著技術的進步，各種飛行器對通信質量的要求日益高漲，導致飛行器上電子通信設備的種類和數量不斷增長。由于通信設備都安裝在飛行器殼體上，以殼體作為共地點，而在飛行期間殼體與大地并無連接，導致設備間的電磁兼容成為不可忽視的問題 [4，5]。

二、故障現象及分析

用戶在使用過程中發現，當伺服系統工作時，會導致短波/超短波系統有效通信距離縮短。使用頻譜儀觀察短波/超短波天線接收信號頻譜，在伺服系統工作時，在10MHz～200MHz頻段范圍內短波/超短波天線底噪有明顯抬升，抬升幅度隨頻點不同，但最小幅度也大于10dBm。伺服系統組成如圖1所示，組成伺服系統的各設備通過互聯線纜進行通信。

采用電磁兼容三原則法進行分析，伺服系統是輻射源，短波/超短波天線是受影響設備，而伺服系統和短波/超短波天線之間無任何線纜連接，并分別由各自系統的隔離電源供電，因此干擾信號無法通過傳導方式達到受影響設備。并且由于伺服系統的供電和信號電纜長度超過10m，而10MHz信號的波長約為30m，電纜長度已滿足L≥（λ/20）的輻射發射條件，由以上條件判斷輻射發射為干擾信號的傳輸路徑。為解決該輻射發射問題，按照GJB 151A-97中對機載設備的輻射發射要求，對伺服系統進行垂直極化RE102測試，測試結果如圖2所示，測試曲線在30KHz～500MHz范圍內頻譜嚴重超限，同時包括窄帶尖峰噪聲、寬帶噪聲和高密集型尖峰群噪聲三種情況。

采用頻譜儀和德國安諾尼公司生產的PBS系列近場探頭對組成伺服系統的每個設備和設備間的互聯線纜進行輻射發射檢查。使用電場探頭分別在距互聯線纜10cm和20cm的位置進行測量，觀察頻譜儀上測試曲線的峰值變化并將數據記錄于表1。采用對比法分析，由峰值變化可判斷輻射類型主要為電場輻射。同時按照頻譜儀上曲線峰值及包絡的強弱排列，可得開關電源、碼盤、設備間的互聯電纜為主要輻射源。

三、分析及整改措施

針對產生輻射的設備進行分析和整改，按照整改措施的難易程度進行排序為互聯電纜、碼盤和開關電源，具體措施如下。

3.1 互聯線纜

由于在進行伺服系統設計時，未考慮電磁兼容設計，所有的傳輸線均未使用屏蔽線纜，同時為走線美觀，將信號線和電源線集中捆扎，導致線纜間耦合嚴重，線纜整體成為發射天線。

3.2 碼盤

由于碼盤在設計時已采用金屬殼體進行屏蔽，因此對其使用近場探頭進行檢測。檢測發現輻射發射在碼盤插座與殼體連接處最強，拆下插座發現插座上安裝的密封膠圈是絕緣體，破壞了碼盤整體的電連續，將該密封膠圈更換為導電膠圈后，插座連接處的輻射發射有明顯降低。同時在碼盤的電源線和信號線上采用饋通濾波器LT1-200-332進行濾波，并將濾波器外殼有效接地，再次進行RE102測試，測試曲線已滿足GJB151A-97的要求。

3.3 開關電源

采用靠測法，使用200MHz帶寬的示波器測量開關電源的輸入及輸出端的電壓變化，在開關電源工作時觀察到輸入輸出端電壓均疊加有高頻共模噪聲，將共模噪聲在時域展寬后如圖3所示。

在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）軟件，該軟件強大的仿真能力解決了以上濾波器設計所面對的問題。設計共模濾波器如圖4所示，采用該共模濾波器并匹配合適的參數可有效抑制開關電源輸入和輸出端的共模噪聲。經仿真可得共模濾波器在不同參數下的特性曲線，如圖5所示。

按照仿真結果設計共模濾波器，在電源輸入及輸出端串入共模濾波器后，對開關電源進行RE102測試，測試結果如圖6所示，開關電源的輻射發射已滿足GJB151A-97的要求。

采用以上措施對伺服系統進行整改后，再次進行RE102測試，測試曲線如圖7所示，圖7-a為水平極化測試曲線，圖7-b為垂直極化測試曲線，由圖7可知，伺服系統的輻射發射在垂直和水平兩個極化方向上都能滿足GJB 151A-97中機載設備的電磁輻射發射要求。

四、結論

本文采用近場電磁干擾源探測定位法對組成伺服系統的各個設備與互聯線纜的輻射發射情況進行了分析，依據分析結果確定電場輻射是干擾信號的主要傳輸路徑。從電磁兼容問題產生所必需具備的三要素出發，采用切斷傳輸路徑及減少輻射源等措施對伺服系統進行了整改。在設計共模濾波器時引入仿真分析軟件CST對濾波器的參數進行計算，確保整改后的伺服系統順利通過了水平和垂直兩個極化方向的RE102測試，改善了伺服系統的電磁兼容性。

【摘要】 本文采用近場電磁干擾源探測定位法分析了某機載天線伺服系統的輻射發射問題。通過對比測試數據確定碼盤及開關電源為主要輻射源，針對碼盤和開關電源輻射超標的問題采用屏蔽、接地和濾波等措施進行整改。在設計共模濾波器時使用仿真軟件CST對濾波器的參數進行仿真，最后通過電磁兼容試驗驗證整改效果，確定伺服系統的電磁兼容性有明顯的改善。

【關鍵詞】 電磁兼容 輻射發射 屏蔽 濾波器設計

Design and Analysis of Electromagnetic Compatibility Problems of Airborne Antenna Servo System

Wang Xiao-yu，Liu Xin，Zhang De

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

Abstract：In this paper， electromagnetic interference sources detection method is used for the analysis of radiated emission problem of the airborne antenna servo system. By comparing the test data， it is confirmed that the main source of radiation is the encoder and switching power supply. In order to solve the problem of the encoder and switch power source radiation exceed the standard， a series of measures such as shielding， grounding and filtering are adopted to carry out rectification. The parameters of filter are simulated using the CST simulation software in the design of common mode filter. Furthermore， the rectification effect is verified by the electromagnetic compatibility test. It is found that the electromagnetic compatibility of the servo system is improved obviously.

Keywords：Electromagnetic compatibility，Radiation emission，Shielding，Filter design

一、引言

電磁兼容（EMC）作為一門綜合性的前沿學科，在20世紀末、21世紀初的電氣及電子科學中得到迅速發展，對理論及工程實踐緊密結合的要求越來越高[1]。

現代社會中飛機、艦艇、汽車等各種平臺在狹窄的空間中安裝了各種功能的電子設備，在工作時這些設備會產生電磁干擾，對其它設備的正常工作產生影響[2，3]。短波通信是現代飛機等載體完成任務、保障安全的重要通信手段。隨著技術的進步，各種飛行器對通信質量的要求日益高漲，導致飛行器上電子通信設備的種類和數量不斷增長。由于通信設備都安裝在飛行器殼體上，以殼體作為共地點，而在飛行期間殼體與大地并無連接，導致設備間的電磁兼容成為不可忽視的問題 [4，5]。

二、故障現象及分析

用戶在使用過程中發現，當伺服系統工作時，會導致短波/超短波系統有效通信距離縮短。使用頻譜儀觀察短波/超短波天線接收信號頻譜，在伺服系統工作時，在10MHz～200MHz頻段范圍內短波/超短波天線底噪有明顯抬升，抬升幅度隨頻點不同，但最小幅度也大于10dBm。伺服系統組成如圖1所示，組成伺服系統的各設備通過互聯線纜進行通信。

采用電磁兼容三原則法進行分析，伺服系統是輻射源，短波/超短波天線是受影響設備，而伺服系統和短波/超短波天線之間無任何線纜連接，并分別由各自系統的隔離電源供電，因此干擾信號無法通過傳導方式達到受影響設備。并且由于伺服系統的供電和信號電纜長度超過10m，而10MHz信號的波長約為30m，電纜長度已滿足L≥（λ/20）的輻射發射條件，由以上條件判斷輻射發射為干擾信號的傳輸路徑。為解決該輻射發射問題，按照GJB 151A-97中對機載設備的輻射發射要求，對伺服系統進行垂直極化RE102測試，測試結果如圖2所示，測試曲線在30KHz～500MHz范圍內頻譜嚴重超限，同時包括窄帶尖峰噪聲、寬帶噪聲和高密集型尖峰群噪聲三種情況。

采用頻譜儀和德國安諾尼公司生產的PBS系列近場探頭對組成伺服系統的每個設備和設備間的互聯線纜進行輻射發射檢查。使用電場探頭分別在距互聯線纜10cm和20cm的位置進行測量，觀察頻譜儀上測試曲線的峰值變化并將數據記錄于表1。采用對比法分析，由峰值變化可判斷輻射類型主要為電場輻射。同時按照頻譜儀上曲線峰值及包絡的強弱排列，可得開關電源、碼盤、設備間的互聯電纜為主要輻射源。

三、分析及整改措施

針對產生輻射的設備進行分析和整改，按照整改措施的難易程度進行排序為互聯電纜、碼盤和開關電源，具體措施如下。

3.1 互聯線纜

由于在進行伺服系統設計時，未考慮電磁兼容設計，所有的傳輸線均未使用屏蔽線纜，同時為走線美觀，將信號線和電源線集中捆扎，導致線纜間耦合嚴重，線纜整體成為發射天線。

3.2 碼盤

由于碼盤在設計時已采用金屬殼體進行屏蔽，因此對其使用近場探頭進行檢測。檢測發現輻射發射在碼盤插座與殼體連接處最強，拆下插座發現插座上安裝的密封膠圈是絕緣體，破壞了碼盤整體的電連續，將該密封膠圈更換為導電膠圈后，插座連接處的輻射發射有明顯降低。同時在碼盤的電源線和信號線上采用饋通濾波器LT1-200-332進行濾波，并將濾波器外殼有效接地，再次進行RE102測試，測試曲線已滿足GJB151A-97的要求。

3.3 開關電源

采用靠測法，使用200MHz帶寬的示波器測量開關電源的輸入及輸出端的電壓變化，在開關電源工作時觀察到輸入輸出端電壓均疊加有高頻共模噪聲，將共模噪聲在時域展寬后如圖3所示。

在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）軟件，該軟件強大的仿真能力解決了以上濾波器設計所面對的問題。設計共模濾波器如圖4所示，采用該共模濾波器并匹配合適的參數可有效抑制開關電源輸入和輸出端的共模噪聲。經仿真可得共模濾波器在不同參數下的特性曲線，如圖5所示。

按照仿真結果設計共模濾波器，在電源輸入及輸出端串入共模濾波器后，對開關電源進行RE102測試，測試結果如圖6所示，開關電源的輻射發射已滿足GJB151A-97的要求。

采用以上措施對伺服系統進行整改后，再次進行RE102測試，測試曲線如圖7所示，圖7-a為水平極化測試曲線，圖7-b為垂直極化測試曲線，由圖7可知，伺服系統的輻射發射在垂直和水平兩個極化方向上都能滿足GJB 151A-97中機載設備的電磁輻射發射要求。

四、結論

本文采用近場電磁干擾源探測定位法對組成伺服系統的各個設備與互聯線纜的輻射發射情況進行了分析，依據分析結果確定電場輻射是干擾信號的主要傳輸路徑。從電磁兼容問題產生所必需具備的三要素出發，采用切斷傳輸路徑及減少輻射源等措施對伺服系統進行了整改。在設計共模濾波器時引入仿真分析軟件CST對濾波器的參數進行計算，確保整改后的伺服系統順利通過了水平和垂直兩個極化方向的RE102測試，改善了伺服系統的電磁兼容性。