軍用計算機電磁兼容性設計和試驗達標技術研究

王永戰

（合肥恒研智能科技有限公司 安徽省合肥市 230088）

1 概述

隨著信息化的發展，軍用計算機對于電磁工作環境的兼容性能備受重視。在檢驗軍用計算機的電磁兼容性時，要重點關注考核設備的兼容能力，還要重點關注在設備出現后，其他設備運行時保持的電磁環境是不是滿足正常運行狀態的標準。電磁兼容性試驗具有較強的雙向性，接受檢測設備EUT 在滿足不對外產生電磁干擾和能夠承受電磁干擾的兩個條件時，才能將其認定為是測試合格。電磁信號產生效應主要表現為兩種途徑，分別是空間輻射和電路傳導，通過對設備的機械結構和電子電氣的高效協調，使軍用計算機在電磁兼容性試驗的過程中滿足設計的要求。

2 軍用計算機的EMC特點和設計對策

2.1 軍用計算機的EMC特點

軍用計算機相對于一般的非軍工類計算機來說，其電磁兼容性具有以下特點：

（1）安裝密集度高。

（2）強弱信號共存。

（3）頻譜分布廣。

（4）共用電源和地線。

（5）設備機械結構的回旋余地小。

2.2 軍用計算機的EMC設計對策

由于以上這些特點，軍用計算機的EMC 設計更為復雜和困難，電磁兼容性試驗很難達標。要設計符合GJB151B-2013 標準的軍用計算機，要以通用的EMC 設計原則為基礎，并以此為基礎來升級EMC 措施，對接地質量、電路設計、機箱屏蔽以及電源等問題予以高度的關注。

2.2.1 電源與EMC 之間的關系

在GJB151B-2013 標準里，與電源有直接關系的內容包括CE101、CE102、CE107、CS101 和CS106 等，電源電纜與CS114、CS115、CS116 之間存在著直接的關系，電源與其它敏感度、輻射發射的項目與電源保持著間接的關系。在設計軍用計算機EMC 時，要將電源的EMC 設計工作放在首要位置上。

電源EMC 設計策略包括的內容有：

（1）電源濾波器。電源線在連入到機箱以前，要先與濾波器連接，濾波器金屬外殼與地面要保持大面積的接觸，濾波器輸入線與輸出線保持一定的距離，嚴禁輸入輸出線捆扎在一起，濾波器輸出端再串聯電源。

（2）隔離變壓器。如果采用交流電源，就要使用隔離變壓器，該變壓器的初次級間設置的電源變壓器要有屏蔽隔離層存在，其發揮的主要作用為提高共模干擾抑制能力、隔離地線環流、變壓以及安全防護等，電源濾波器與隔離變壓器的濾波特性之間實現了互相補充。

（3）二次電源。二次電源主要包括兩種類型，分別為線性電源和開關電源，開關電源能夠抑制外來的干擾，然而開關電源的外部輻射發射和傳導發射比較明顯，在開展EMC 試驗時，敏感度試驗項目能夠得到高效的實現，而發射項目卻很難得到滿足。對于低功耗電路而言，盡量不要使用開關電源，使用線性穩壓器可以將外部干擾降到最低。

（4）電源整體屏蔽。在軍用計算機EMC 性能層面上，電源發揮著積極的促進作用，在屏蔽箱內部將部分電源設計成為屏蔽暗盒，實現對電源的整體屏蔽。

2.2.2 機箱電磁屏蔽

空間電磁輻射預防的關鍵性技術為機箱電磁屏蔽，GJB151B-2013 標準中明確指出，機箱屏蔽與RS101、RS103、RS105、RE101、RE102 之間存在著緊密的聯系，與電纜相關的項目與機箱屏蔽也存在著間接的關系，究其原因，機箱完成了電纜的進出。

機箱設計原則有：

（1）屏蔽層導電的連續性。機箱的外部縫隙全部具有超強的導電接觸，且具有較好的連續性。

（2）科學管控機箱的開口。機箱開口的作用包括安裝指示燈、開關、連接器等，在開口比較大的情況下，假如屏蔽措施在安裝的器件前無法發揮作用，需要將屏蔽層設置在器件的后面，這就使后置屏蔽法采取濾波處理方法來處理穿過屏蔽層的導線。

（3）機箱插件的選擇與安裝。將外屏蔽層加設在連接機箱插座的外部線纜上，機箱屏蔽層與線纜的外屏蔽層保持著良好的導電性。機箱上安裝的所有插件，需要全部滿足軍用標準的要求。

（4）自然風冷散熱。在機箱散熱的過程中，最好使用自然風冷的方法，散熱孔的直徑要以比機箱壁的厚度小。在安裝散熱風扇時，將截止波導式屏蔽通風板安裝在風扇的外面。

2.2.3 設計電路EMC

（1）在設計電路的過程中，最好使用多層板。插裝式元器件的等效電磁輻射面積大于表面貼裝元器件的等效電磁輻射面積，表面貼裝元器件的EMC 性能就會表現出較強的優勢。聯合使用多層電路板與表面貼裝元器件，才能使其滿足GJB151B-2013 標準的電路板設計要求，具有較強的優勢。

（2）有源器件的高頻旁路。在RS103 項目試驗時，要以GJB151B-2013 標準為基礎，經常遇到的問題為：干擾信號的類型為等幅波時，輸出信號一切正常；干擾信號的類型為調幅波時，輸出信號就會受到一定的干擾。在詳細研究后，發現在電路中竄入調幅波干擾信號后，高頻檢波會存在于有源器件的非線性響應中，使干擾隨之產生。要想使這些問題得到有效的處理，就要出臺行之有效的方法來對有源器件的高頻旁路予以強化處理。

2.2.4 接地質量

在設計電路、屏蔽和電源時，要將接地質量和地線質量放在第一位。接地質量的前提條件為接地正常，接地方式與接地點要與設計的要求相同，接地要確保安全、可靠，接地面積、接地線路和接地螺栓要滿足設計的要求，從而使接地電阻保持在最小的范圍之內。

3 針對各項軍標EMC試驗的達標技術

3.1 傳導發射類

對于傳導發射試驗而言，其包含的具體內容有CE107、CE102和CE101，電源線常規傳導發射試驗中包含后兩項的內容，精確測試EUT 傳導發射到電源線上的信號，CE102 能夠準確的測試EUT從電源線傳導發射出的尖峰信號。

EUT 的電源電路和功能電路是電源線傳導發射信號的主要來源，隔離和濾波能夠高效的阻斷EMI 信號的傳導發射。使用擁有屏蔽隔離層的電源變壓器來隔離交流供電模式的EUT，同時高效的隔離低頻段的EMI。對于直流供電情況而言，使用輸入、輸出不共地的DC/DC 變換器來完成隔離任務。脈寬調制技術是DC/DC 變換器的核心技術，具有較強的干擾性，所以要高度重視選型工作。

電源進線處的濾波器發揮著重要的作用，對稱無源電路是濾波器的主要結構類型，實現了對濾波的雙向隔離，外來干擾很難進入到EUT 中，內部干擾傳向外部也非常困難。高頻段干擾使用電源濾波器來濾除，其對低頻段干擾很難起到任何的作用。

電源電路的輸出濾波占據著核心位置，軍用計算機的CPU 利用率不斷提高時，電源供電就隨之發生改變，外部線上的電源波動也會越來越明顯。該波動的幅度比較大，頻率大于25 Hz 時，CE101 測試很難滿足相關的要求。大容量的濾波電容器并聯于電源電路的輸出端，借助電容的儲能作用，使得電源波動逐漸的實現了平滑化。要想將CE101 試驗頻率下限避開，使試驗達到設計的標準，就要將電源波動的頻率降到25 Hz 以內。

CE107 項目的主要作用表現為使電源線尖峰信號對外產生的傳導發射干擾得以準確的測試。電子設備運行時，同時會出現尖峰干擾信號，從共用電源的影響和傳導功率強度的角度分析，尖峰干擾的主要來源為EUT 的開關電源。CE107 測試達標的方法非常多，比如：將尖峰干擾吸收電力并聯在開關電源上、使用無觸點開關、熱啟動等等。

3.2 傳導敏感度類

傳導敏感度類試驗包含的具體內容有CSI16、CS115、CS114、CS106、CS101，CS106 和CS101 主要是針對EUT 電源線而開展的試驗，而CSI16、CS115 和CS114 是針對連接到EUT 的所有電纜和電源線開展的試驗。該試驗測試EUT 時，核心內容為測試電纜傳入的外來干擾的敏感度，在外來干擾傳入時，EUT 不會受到任何的影響，而保持正常的工作狀態。CS101 和CS106 的測試要求為電源線傳導的干擾給EUT 造成影響時，其依然能夠保持正常的工作狀態。在開展傳導敏感度測試工作的過程中，EUT 抵御外部的干擾信號時，必須要在整個頻段內完成，只依靠電源濾波器很難抵御干擾。對于低頻段而言，其對濾波電容容量的要求比較高，電容容量如此大的濾波器在普通電源濾波器上無法應用。接地平面和電源線之間跨接著電源濾波器的濾波電容，如果濾波電容比較大，旁路的干擾電流借助公共地線就會耦合到同一接地平面的其他設備中，使新的電磁干擾出現，該形式在船艦上裝載的設備影響最為明顯。

不僅要將電源線的EMI 阻擋住，同時還要確保濾波電容不要過大，因此對器件的要求就比較嚴苛，器件要能夠吸收和衰耗EMI，典型的器件為磁柱和磁環。

在開展CS114、CS115、CS116 等傳導敏感度試驗時，干擾頻率范圍保持在10 kHz 到數百MHz 之間，使用三端濾波器來抵御干擾，三端濾波器主要是由低頻電磁衰耗和高頻濾波共同構成。

3.3 輻射發射類

磁場輻射發射項目RE101 與電場輻射發射項目RE102 是輻射發射類試驗的主要構成部分，電場輻射發射RE102 的測試頻率范圍保持在10 kHz ～18 GHz 之間，在該頻段中的所有頻點上，EUT輻射發射信號與設計值進行比較，會略低一些，表明最終的測試結果滿足相關的標準。

有些受測設備的輻射發射頻率很難達到上述的各項標準，輻射發射能量通常會在某一頻段或者是某一頻點上集中。EUT 低頻端輻射發射的核心組成部分為開關電源，電路振蕩器的高次諧波和基波是高頻端輻射發射的主要來源。

對于開關電源來說，會存在直接發射輻射的情況，電路的脈寬調制(PWM)信號會給高頻電路帶來一定的影響，會出現調制的作用，導致輻射干擾出現在與開關電源工作頻率距離比較遠的頻點位置處。這樣的干擾很難被及時的發現，即便干擾出現以后，在最短的時間之內也無法判斷其根源。

EUT 電路里的晶體振蕩器也是輻射發射的主要根源，通常情況下，在對輻射發射來源進行判斷時非常的容易，晶振頻率是已經掌握的，且精確度比較高，假如RE102 項目測試中，發現的輻射頻率與晶振頻率一致或者是其倍數為整數，則表明屬于諧波干擾或者是振蕩基波干擾。但是也會出現例外的情況，假如將多個不同頻率的晶振放置在EUT 里，晶振頻率會出現交叉調制的情況，導致輻射頻譜出現比較復雜的情況，頻點位置就會有輻射干擾的情況發生。

3.4 輻射敏感度類

電場輻射敏感度項目RS103 與磁場輻射敏感度項目RS101 共同組成了輻射敏感度類試驗內容。軍用計算機需要檢測和接收比較微弱的信號，核心檢測項目為電場輻射敏感度，這也是EMC 試驗中難度系數最大的測試內容。

從屏蔽和電源等層面著手，使RS103 測試達標得以快速的實現。機箱屏蔽盡量要使整個機箱的導電連續性得以滿足，采取行之有效的措施處理機箱的開口和接縫位置。焊接是機箱接縫處理的最佳方法，假如后續會存在維修拆卸的情況，一定要壓實接縫，使用以銀鋁填料為主要材質的導電橡膠襯墊處理接縫位置。

外來電場干擾穿入機箱的薄弱點包含機箱的電纜孔在內，沒有經過任何處理的電纜從屏蔽體中穿過時，屏蔽效能被降到了30dB以內。將專用的屏蔽電纜附件安裝到軍品接插件上，使電纜外屏蔽層導電的連續性得以滿足。值得注意的是，假如設備中包含的器件具有超強的磁場輻射敏感度，其RS101 測試很難滿足相關的要求。

4 結語

以國家軍用標準GJB151B-2013 的相關規定為基礎，從實際情況出發，對軍用計算機EMC 設計、測試達標等相關經驗進行了總結和歸納。電磁兼容具有超強的實踐性和理論性，在設計軍用計算機時，如能夠依據理論和實踐準確預估到EMI 產生的問題，積極采取有效措施來處理EMC，就會不斷地提升整個設計工程的實效性，完成電磁兼容性試驗以后，出現的反復的情況比較少，使整個過程中的進度和質量與設計標準保持高度的統一。