3 EMC设计
电子设备的EMC设计思想就是采用屏蔽、隔离、接地、滤波等多种方法将外系统对本系统的干扰以及本系统对外部的干扰减弱,通过选择抗干扰能力强的元器件以及提高固有元器件的抗干扰强度等多方面设计,使系统内的部件对于EMI敏感程度降低.为了提高电子设备的EMC能力,必须从开始设计时就给予EMC以足够的重视.由于发射机本身的特点决定了已无法从EMI发射源来进行抗干扰设计,只能通过切断耦合途径或提高敏感设备自身的可靠性来着手解决EMC问题.具体方法概括为地线设计、屏蔽设计、瞬态抑制和滤波设计4个方面.
3.1 地线设计
地线设计是最有效且廉价的解决EMI的方法,设计思想有3点:一是地线应尽量短,以减小地线电阻,降低地线干扰电压;二是合理布局,减小互耦;三是各种地线各行其道,互不干涉.通常采用悬浮接地、单点接地、多点接地和混合接地4种形式.
a)悬浮接地,是将电路或设备中的接地系统在电器上与参考地及其他导体相隔离.悬浮地与大地间有电位隔离问题,常用光/电耦合器、光纤隔离和变压器隔离等,对于高电位(数千伏以上)的隔离常用光纤或变压器实现.
b)单点接地,适合于较近的多单元低频(低于1MHz)电路的接地.但是当地线长度超过被传信号1/4波长时,其接地电阻将增大,从而失去接地作用.
c)多点接地,适合于高频(高于10 MHz)系统和数字电路的接地,宜采用大面积接地,以减小地阻抗和地线的趋肤效应.
d)混合接地,适合于大系统,因为在实际设备中,单一的接地方式很难满足系统要求,因此需要采用混合接地.在雷达发射机的实际地线设计系统中,为了实现较好的混合接地,常采用安全地、模拟地、数字地三地分开接地的方式.安全地线目的是用低电阻连接来排除内部或外部产生的电磁场电流,从而基本上保持设备间的等电位.模拟地线由绝缘导体组成,以保证与安全地和数字地隔离,可作为模拟电路和模拟电路电源接地.数字地线由绝缘导体组成,以保证与安全地和模拟地隔离,用于数字电路和数字电路电源接地.具体做法是机柜内采用3条面积较大的汇流条,各单元的3种地分别接在各自对应的汇流条上,然后分别引出机柜,再与机柜间的3条汇流条(其面积应更宽)对应相连,最后将各汇流条分别引线到同一点汇人大地.每个接地系统内部以及三通道接地系统之间都不应造成接地系统的闭合回路,以免形成环路电流,这种环路电流是形成设备中干扰的一种主要来源.
对于高频信号的接地,可通过一个10 nF～100 nF的无感电容器与机壳相接,以便使高频电流信号就近接地.使用屏蔽双绞线或屏蔽电缆时,为了防止其耦合,屏蔽层应接地.但当干扰源频率较高时,则单端接地的屏蔽层会产生谐振.这时可采用双层屏蔽电缆,并将外屏蔽层两端接地,内屏蔽层单端接地.
3.2 屏蔽设计
对辐射性耦合需采用屏蔽技术加以抑制.即通过对敏感电路的屏蔽,减小其所受的干扰,也可以通过对干扰源的屏蔽来削弱其干扰信号的辐射强度.雷达发射机能产生干扰源的地方较多,且于扰信号的强度也大.因此,发射机的屏蔽设计既要对干扰源进行屏蔽,也要对敏感电路进行屏蔽,才能达到EMC设计的要求.雷达发射机中辐射干扰源的屏蔽主要集中在大功率微波管和射频传输系统上,常用的方法是用具有绝缘特性的微波吸收材料包封泄漏微波的缝隙,同时对安装微波管的机箱或机柜再采取一次屏蔽处理,以提高其屏蔽效果.对于变压器、电感器或强大电流引线,均应采用磁屏蔽罩或磁屏蔽套来屏蔽磁干扰,并且将这些器件或导线安装在远离小信号或敏感电路的地方,以减小其耦合.对于既有磁场干扰又有电场干扰的干扰源,其屏蔽盒体应采用在具有高磁导率材料的表面镀上一层高电导率材料(金或银)的方法.屏蔽体材料选择的原则是:
a)当干扰电磁场的频率较高时,利用高电导率的金属材料中产生的涡流,形成对外来电磁波的抵消作用,电阻电导率越高,这种抵消作用越大,从而达到屏蔽的效果.
b)当EMI波的频率较低时,则采用高导磁率的材料,使磁力线限制在屏蔽体内部,防止扩散到屏蔽的空间去.
c)在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体.任何结构的金属都是良好的EMI吸收材料,增加屏蔽物厚度,可增加EMI的吸收量.
3.3 滤波设计
为满足EMC要求,对传导性耦合需采用滤波技术,即采用EMI滤波器件加以抑制,滤波器可以显着地减小传导干扰的电平.采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合,或是增强接收设备的抗干扰能力,都是一种有力的措施.应用阻容和感容去耦网络(如隔离变压器)能把电路与电源隔离开,消除电路之间的耦合,并避免干扰信号进入电路,达到既能抑制共模干扰,又能抑制差模干扰的作用.
近年来,开关电源在雷达发射机中得到广泛应用,开关电源除了具有体积小、效率高的特点外,能发射强烈的EMI也是一大特征,因此电源线上必须安装滤波器,否则不可能满足EMC的要求.安装在电源线上的滤波器称为电源线干扰滤波器,安装在信号线上的滤波器称为信号线干扰滤波器.之所以这样划分,主要是因为两者除了都对EMI有较大的抑制作用外,分别还有一些特殊的考虑.信号线干扰滤波器要考虑滤波器不能对工作信号有严重的影响,不能造成信号的失真;电源线干扰滤波器除了要满足安全方面的要求外,还要确保当负载电流较大时,电路中的电感不能发生饱和,否则滤波器性能会下降.
