电磁兼容（共12篇）
电磁兼容 篇1
电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各个方面, 成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术, 可以有效地节约能源。随着电子技术的迅速发展, 现代的电子设备已处于飞速发展的时期, 并且这个发展过程仍以日益增长的速度持续着。电子设备的广泛应用和发展, 必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加。也就是说, 电子设备不可避免地在电磁环境中工作。因此, 必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力。
1 电力电子技术的现状
现代电力电子技术的发展方向, 是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学, 向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于50年代末60年代初的硅整流器件, 其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代, 并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。由于电力电子变频技术的迅速发展, 使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美, 交流调速技术大量应用并占据主导地位。在未来的磁悬浮列车中, 电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外, 车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。另外, 电力系统在通向现代化的进程中, 电力电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说, 如果离开电力电子技术, 电力系统的现代化就是不可想象的。总之, 电力电子技术的应用范围已经十分广泛。
2 电子设备电磁干扰是怎么产生的
2.1 电子设备设计的原因
电子仪器向着“轻、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向发展。塑料机箱、塑料部件或面板广泛地应用于电子仪器上, 于是外界电磁波很容易穿透外壳或面板, 对仪器的正常工作产生有害的干扰, 而仪器所产生的电磁波, 也非常容易辐射到周围空间, 影响其它电子仪器的正常工作。为了使这种电子仪器能满足电磁兼容性要求。
2.2 二极管的反向恢复时间引起的干扰
高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过, 在其受反偏电压而转向截止时, 由于PN结中有较多的载流子积累, 因而在载流子消失之前的一段时间里, 电流会反向流动, 致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化 (di/dt) 。开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波, 其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时, 这种谐波干扰将会很小。另外, 功率开关管在截止期间, 高频变压器绕组漏感引起的电流突变, 也会产生尖峰干扰。
2.3 交流输入回路产生的干扰
无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量, 通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量, 通过输入输出线传播时, 都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
3 电磁兼容性设计的内容
3.1 电子设备的接地
接地是电子设备的一个很重要问题。接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位, 保证电路系统能稳定地干作。另外, 机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放, 否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。对于电路的屏蔽体, 若选择合适的接地, 也可获得良好的屏蔽效果。保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时, 可避免电子设备的毁坏;当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时, 可避免操作人员的触电事故发生。
电路的接地方式基本上有三类, 即单点接地、多点接地和混合接地。单点接地是指在一个线路中, 只有一个物理点被定义为接地参考点。其它各个需要接地的点都直接接到这一点上。多点接地是指某一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上, 以使接地引线的长度最短。接地平面, 可以是设备的底板, 也可以是贯通整个系统的地导线, 在比较大的系统中, 还可以是设备的结构框架等等。混合接地是将那些只需高频接地点, 利用旁路电容和接地平面连接起来。但应尽量防止出现旁路电容和引线电感构成的谐振现象。
3.2 电子设备的屏蔽
屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离, 以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲, 就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来, 防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来, 防止它们受到外界电磁场的影响。
功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗, 为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘, 这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容, 开关电源的底板是交流电源的地线, 因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰, 解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片, 并把屏蔽片接到直流地上, 割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射, 电磁干扰对其他电子设备的影响, 可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩, 然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体, 就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。
3.3 利用滤波技术
滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如, 在电源输入端接上滤波器, 可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰, 也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中, 还采用很多专用的滤波元件, 如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环, 它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器, 并正确地安装和使用滤波器, 是抗干扰技术的重要组成部分。滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有效措施, 可以滤除多种原因产生的传导干扰。
电磁兼容的中心课题是研究控制和消除电磁干扰, 使电子设备或系统与其它设备联系在一起工作时, 不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量, 又应该不受任何不希望有的能量的影响。但由于电子技术应用广泛, 而且各种干扰设备的辐射很复杂, 要完全消除电磁干扰是不可能的。但是, 根据电磁兼容性原理, 可以采取许多技术措施减小电磁干扰, 使电磁干扰控制到一定范围内, 从而保证系统或设备的兼容性。
参考文献
[1]陈睿琦, 康文, 齐欣.几种实用的抑制电磁干扰的方法[J].电子器件, 2004 (4) .
[2]夏咏梅, 郭会然.MIC电源电气管理系统抗干扰设计研究[J].车辆与动力技术, 2005 (3) .
[3]徐宏伟, 张树勇.电磁干扰容性解决方式的研究[J].飞机设计, 2006 (4) .
电磁兼容 篇2
姓名：赵军
学号：S20060151
电源电磁兼容原理及抑制方法
随着电子设备的大量应用，电源在这些设备中的地位越来越重要，而开关变换器由于体积小、重量轻、效率高等特点，在电源中占的比重越来越大。开关电源大多工作在高频情况下，在开关器件的开关过程中，寄生元件（如寄生电容、寄生电感等）中能量的高频变化产生了大量的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。
EMI信号占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经过在电路、空间中的传导和辐射，污染了周围的电磁环境，影响了与其它电子设备的电磁兼容（Electromagnetic Compatibility）性。随着近年来各国对电子设备的电磁干扰和电磁兼容性能要求的不断提高，对电磁干扰以及新的抑制方法的研究已成为开关电源研究中的热点。
本文对电磁干扰产生、传播的机理进行了简要的介绍，重点总结了几种近年来提出的抑制开关电源电磁干扰产生及传播的新方法。1 电磁干扰的产生和传播方式
开关电源中的电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。通常传导干扰比较好分析，可以将电路理论和数学知识结合起来，对电磁干扰中各种元器件的特性进行研究；但对辐射干扰而言，由于电路中存在不同干扰源的综合作用，又涉及到电磁场理论，分析起来比较困难。下面将对这两种干扰的机理作一简要的介绍。1.1 传导干扰的产生和传播
传导干扰可分为共模（Common Mode-CM）干扰和差模（Differential Mode-DM）干扰。由于寄生参数的存在以及开关电源中开关器件的高频开通与关断，使得开关电源在其输入端（即交流电网侧）产生较大的共模干扰和差模干扰。1.1.1 共模（CM）干扰
变换器工作在高频情况时，由于dv/dt很高，激发变压器线圈间、以及开关管与散热片间的寄生电容，从而产生了共模干扰。如图1所示，共模干扰电流从具有高dv/dt的开关管出发流经接地散热片和地线，再由高频LISN网络（由两个50Ω电阻等效）流回输入线路。
图1 典型开关变换器中共模、差模干扰的传播路径
根据共模干扰产生的原理，实际应用时常采用以下几种抑制方法： 1）优化电路器件布置，尽量减少寄生、耦合电容。
2）延缓开关的开通、关断时间。但是这与开关电源高频化的趋势不符。3）应用缓冲电路，减缓dv/dt的变化率。1.2.2 差模（DM）干扰
开关变换器中的电流在高频情况下作开关变化，从而在输入、输出的滤波电容上产生很高的di/dt，即在滤波电容的等效电感或阻抗上感应了干扰电压。这时就会产生差模干扰。故选用高质量的滤波电容（等效电感或阻抗很低）可以降低差模干扰。
1.2 辐射干扰的产生和传播
辐射干扰又可分为近场干扰〔测量点与场源距离<λ/6（λ为干扰电磁波波长）〕和远场干扰（测量点与场源距离>λ/6）。由麦克斯韦电磁场理论可知，导体中变化的电流会在其周围空间中产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，两者都遵循麦克斯韦方程式。而这一变化电流的幅值和频率决定了产生的电磁场的大小以及其作用范围。在辐射研究中天线是电磁辐射源，在开关电源电路中，主电路中的元器件、连线等都可认为是天线，可以应用电偶极子和磁偶极子理论来分析。分析时，二极管、开关管、电容等可看成电偶极子；电感线圈可以认为是磁偶极子，再以相关的电磁场理论进行综合分析就可以了。
图2是一个Boost电路的空间分布图，把元器件看成电偶极子或磁偶极子，应用相关电磁场理论进行分析，可以得出各元器件在空间的辐射电磁干扰，将这些干扰量迭加，就可以得到整个电路在空间产生的辐射干扰。关于电偶极子、磁偶极子，可参考相关的电磁场书籍，此处不再论述。
图2 Bosst电路在三维空间的分布
需要注意的是，不同支路的电流相位不一定相同，在磁场计算时这一点尤其重要。相位不同一是因为干扰从干扰源传播到测量点存在时延作用（也称迟滞效应）；再一个原因是元器件本身的特性导致相位不同。如电感中电流相位比其它元器件要滞后。迟滞效应引起的相位滞后是信号频率作用的结果，仅在频率很高时作用才较明显（如GHz级或更高）；对于功率电子器件而言，频率相对较低，故迟滞效应作用不是很大。2 几种新的电磁干扰抑制方法
在开关电源产生的两类干扰中，传导干扰由于经电网传播，会对其它电子设备产生严重的干扰，往往引起更严重的问题。常用的抑制方法有：缓冲器法，减少耦合路径法，减少寄生元件法等。近年来，随着对电子设备电磁干扰的限制越来越严格，又出现了一些新的抑制方法，主要集中在新的控制方法与新的无源缓冲电路的设计等几个方面。下面分别予以介绍。2.1 新的控制方法—调制频率控制
干扰是根据开关频率变化的，干扰的能量集中在这些离散的开关频率点上，所以很难满足抑制EMI的要求。通过将开关信号的能量调制分布在一个很宽的频带上，产生一系列的分立边频带，则干扰频谱可以展开，干扰能量被分成小份分布在这些分立频段上，从而更容易达到EMI的标准。调制频率（Modulated Frequency）控制就是根据这种原理实现对开关电源电磁干扰的抑制。最初人们采用随机频率（Randomized Frequency）控制[1]，其主要思想是，在控制电路中加入一个随机扰动分量，使开关间隔进行不规则变化，则开关噪声频谱由原来离散的尖峰脉冲噪声变成连续分布噪声，其峰值大大下降。具体办法 是，由脉冲发生器产生两种不同占空比的脉冲，再与电压误差放大器产生的误差 信号进行采样选择产生最终的控制信号。其具体的控制波形如图3(a)所示。
(a)随机频率控制原理波形图
(b)调制频率控制原理波形图 图3 两种不同的频率调制波形
但是，随机频率控制在开通时基本上采用PWM控制的方法，在关断时才采用随机频率，因而其调制干扰能量的效果不是很好，抑制干扰的效果不是很理想。而最新出现的调制频率控制则很好地解决了这些问题。其原理是，将主开关频率进行调制，在主频带周围产生一系列的边频带，从而将噪声能量分布在很宽的频带上，降低了干扰。这种控制方法的关键是对频率进行调制，使开关能量分布在边频带的范围，且幅值受调制系数β的影响（调制系数β=Δf/fm，Δf为相邻边频带间隔，fm为调制频率），一般β越大调制效果越好[2][3]，其控制波形如图3(b)所示。
图4即为一个根据调制频率原理设计的控制电路。各种控制方法可以在不影响变换器工作特性的情况下，很好地抑制开通、关断时的干扰。
图4 一个典型的调制频率控制电路
2.2 新的无源缓冲电路设计
开关变换器中电磁干扰是在开关管开关时刻产生的。以整流二极管为例，在开通时，其导通电流不仅引起大量的开通损耗，还产生很大的di/dt，导致电磁干扰；而在关断时，其两端的电压快速升高，有很大的dv/dt，从而产生电磁干扰。缓冲电路不仅可以抑制开通时的di/dt、限制关断时的dv/dt，还具有电路简单、成本较低的特点，因而得到了广泛应用。但是传统的缓冲电路中往往采用有源辅助开关，电路复杂不易控制，并有可能导致更高的电压或电流应力，降低了可靠性。因此许多新的无源缓冲器应运而生，以下分别予以总结介绍。2.2.1 二极管反向恢复电流抑制电路
对于图5(a)的Boost电路，Q1开通后，D1将关断。但由于此前D1上的电流为工作电流，要降为零，其dv/dt将很高。D1的关断只能靠反向恢复电流尖峰，而现有的抑制二极管反向恢复电流的方法大多只适用于特定的变换器电路，而且只对应某一种的输入输出模式，适用性很差。国外有人提出了图5(b)的电路[6]，可以较好地解决这一缺陷。
图5(b)的关键在于把一个辅助二极管（D2）、一个小的辅助电感（L2）与主功率电感（L1）的部分线圈串联，然后与主二极管（D1）并联。其工作原理是，在Q1开通时，利用辅助电感及辅助二极管构成的辅助电路进行分流，使主二极管D1上的电流降为零，并维持到Q1关断。由于电感L2的作用，辅助二极管D2上的反向恢复电流是很小的，可以忽略。
(a)Boost电路
(b)二极管反向恢复电路
图5 Boost电路及其二极管反向恢复电路
这种方法除了可用于一般的变换器电路，以限制主二极管的反向恢复电流，还可以用在输入输出整流二极管的恢复电流抑制上。图6是这种应用的举例。这种技术应用在一般的电源电路里，都可以获得有效抑制反向恢复尖峰电流、降低EMI、减少损耗提高效率的效果。
(a)输入整流电路
(b)输出整流电路 图6 输入输出整流二极管反向恢复电流抑制电路
2.2.2 无损缓冲电路
在变换器电路中，主二极管反向恢复时，会对开关管造成很大的电流、电压应力，引起很大的功耗，极易造成器件的损坏。为了抑制这种反向恢复电流，减少损耗，而提出了一种无损缓冲电路[5]，如图7所示。
图7 无损缓冲电路
其主要工作原理是，主开关Q开通时的di/dt应力、关断时的dv/dt应力分别受L1、C1所限制，利用L1、C1、C2之间相互的谐振及能量转换，实现对主二极管D反向恢复电流的抑制，使开关损耗、EMI大大减少。不仅如此，由于开通时C1上的能量转移到C2，关断时C2和L1上的能量转移到负载，这种缓冲电路的损耗很低，效率很高。2.2.3 无源补偿技术
传统的共模干扰抑制电路如图8所示。为了使通过滤波电容Cy流入地的漏电流维持在安全范围，Cy的值都较小，相应的扼流线圈LCM就变大，特别是由于LCM要传输全部的功率，其损耗、体积和重量都会变大。应用无源补偿技术，则可以在不影响主电路工作的情况下，较好地抑制电路的共模干扰，并可减少LCM、节省成本。
图8 共模干扰滤波器 由于共模干扰是由开关器件的寄生电容在高频时的dv/dt产生的，因此，用一个额外的变压器绕组在补偿电容上产生一个180°的反向电压，产生的补偿电流再与寄生电容上的干扰电流迭加，从而消除干扰。这就是无源补偿的原理。
图9(a)为加入补偿电路的隔离式半桥电路。由于半桥、全桥电路常用于大功率场合，滤波电感LCM较大，所以补偿的效果会更明显。该电路在变压器上加了一个补偿线圈Nc，匝数与原边绕组一样；补偿电容CCOMP的大小则与寄生电容CPARA一样。这样一来，工作时的Nc使CCOMP产生一个与CPARA上干扰电流大小相同、方向相反的补偿电流，迭加后消除了干扰电流。补偿线圈不流过全部的功率，仅传输干扰电流，补偿电路十分简单。
同样，对于图9(b)中的正激式电路，利用其自身的磁复位线圈，可以更加方便地实现补偿。无源补偿技术还可以应用于非隔离式的变换器电路中，如图10所示，原理是一样的。
(b)带补偿电路的正激电路
(a)带补偿电路的隔离式半桥电路
图9 两种无源补偿电路
(a)Boost电路
(b)Buck电路
图10 带补偿电路的非隔离式Boost、Buck电路
需要注意的是，无源补偿技术有一定的应用条件，它受开关电流、电压的上升、下降时间，以及变压器结构等因素的影响，特别当变压器的线间耦合电容远大于寄生电容时，干扰电流不经补偿线圈而直接进入大地，此时抑制效果就不很理想。3 结语
产生噪声的来源很多，如外来干扰、机械振动、电路设计不当、元器件选择不当以及结构布局或布线不合理等。在开关变换器中，功率三极管和二极管在开－关过程中所产生的射频能量是干扰的主要来源之一。由于频率较高，或以电磁能的形式直接向空间辐射（辐射干扰），或以干扰电流的形式沿着输入、输出导线传送（传导干扰），其中后者的危害更为严重。
航空计算机电磁兼容性研究与应用 篇3
[关键词]计算机设备 电磁干扰 敏感 可靠运行 电磁兼容性
[中图分类号]F224-39 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0069-01
1 引言
随着自动化技术和半导体期间迅速发展，电力电子技术和微电子技术迅速地向电器控制设备领悟渗透，逐渐形成了电力电子设备相结合、弱电与强电交互工作的局面。近年来，由于机电一体化和测量与控制一体化的发展，形成了复杂的自动化系统，电磁环境和电磁干扰问题日趋复杂。
自然界的各种充放电现象和人类的各种用电活动，都会使空间电场和磁场产生有序或无须的变化。电磁环境及其变化过程对处于该环境的各种电气设备产生各种形式的电磁干扰。
电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，简称EMC俗称抗干扰）是指干扰可以在不损害信息的前提下与有用信号共存。电磁兼容性比较切贴的定义为：装置回系统在其设置的预定场所投入实际运行时，既不受周围电磁环境的影响，又不影响周围的环境，也不发生性能恶化和误动作，而能按设计要求正常工作的能力。
电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备中的某些元器件损害。因此，对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意电子设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要注意电子设备本身不对周围其它设备产生电磁干扰，影响其它设备正常运行。
2 形成电磁干扰要素
一般情况下，形成电磁干扰的要素有三个：①电磁干扰源；②耦合途径或传播通道；③敏感设备。
电磁干扰的传播途径包括传导耦合和辐射耦合。传导耦合必须在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接。这个传输电路可包括导线、设备的导电部分、供电电源、公共阻抗、接地平面、电阻、电感、电容和互感元件等。
辐射耦合是通过介质以辐射电磁波形式传播，干扰能量按电磁波的规律向周围空间发射，常见的辐射耦合有三：①干扰源天线发射的电磁波被敏感设备天线以外接收，称为天线对天线耦合；②空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合；③两根平行线之间的高频信息感应，称为线对线感应耦合。
传导耦合包括互传导耦合和导线间的感性与容性耦合。辐射耦合包括近场耦合和远场耦合。
电磁干扰敏感设备一般将端口分为以下5类：外壳端口；交流电源端口；直流电源端口；控制线＼信号线端口；接地端口，即系统和地活参考地之间的连接。
3 抑制电磁干扰措施
电磁兼容（EMC）的基本含义是，保证电子设备在共同的电磁环境中执行各自功能的共存状态而互不干扰。电子产品的电磁兼容设计，就是在电子产品设计时，设法抑制（消除）电磁干扰，提高电子产品在电磁环境中的工作稳定性和可靠性。
抑制（消除）电磁干扰主要有接地、屏蔽和滤波三种方法，三种方法各具特色，也相互关联。
1）接地。在电磁兼容设计时，接地是十分重要的环节。良好接地可以消除各种噪声的产生，减少电磁干扰的作用，降低对屏蔽和滤波的要求。
常见的接地方法有浮地、单点接地和多点接地三种。采用浮地的方法，不仅可以将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来，而且还可以使不同电位的电路之间的配合变得容易，它的主要特点是抗干扰性能好。单点接地的方法在低频条件下效果好，多点接地的方案则在高频条件下有较佳表现。与单点接地相比，多点接地的主要有点是接线比较简单，而且在接地线上出现高频驻波的现象也明显减少。但多点接地系统中的众多地线回路对线路的维护提出了更高的要求。应为设备本身的腐蚀、冲击振动和温度变化等因素，都会使接地系统出现高阻抗，使其接地效果变差。
为了回避单点接地和多点接地的缺点，充分发挥各自的优点，在实际设计时，通常采用混合接地方式。所谓混合接地，就是对电子系统的各部分工作情况做一分析，只将那些需要就近接地的电直接（或需要高频接地的电通过旁路电容）与地平面相连，而其余各点采用单点接地的办法。
2）屏蔽。屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是抑制辐射能量越出某一区域；二是防止外来的辐射电磁能力量进入某一区域。在电源设计时，主要是采用全封闭的金属外壳封装来实现屏蔽，达到抑制辐射电磁干扰的目的。
3）滤波。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。是根据观察某一随机过程的结果，对另一与之有关的随机过程进行估计的概率理论与方法。滤波能有效地抑制通过载流导体传播的电磁干扰（即传导电磁干扰）。采用滤波的目的有两个：一是限制传导电能通过载流导体越出莫一区域；二是防止外来的传导电能通过载流导体进入莫一区域。
传导电磁干扰分为差模干扰和共模干扰两种。在实际工作中，抑制电源传导电磁干扰通过载流体传播，主要是采用在电源的输入端和输出端设置差模共模滤波器。例如，安插在电源与电子设备之间的电源线滤波器就是抑制电源线传导电磁干扰的重要手段，它对提高电子设备在电磁环境中运行的可靠性（电磁兼容性）有着重要的作用。
4 电磁兼容的设计思路
为了提高电子设备的电磁兼容能力，必须从开始设计时就给予电磁兼容性以足够的重视。电磁兼容的设计思路可以从电磁兼容的三要素，即电磁干扰源、电磁干扰可能传播的路径及易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件人手。
1）首先，要充分分析电子设备可能存在的电磁干扰源及其性质，尽量消除或降低电磁干扰源的参数。
2）其次，要充分了解电磁干扰可能传播的路径，尽量切断其路径，或降低与电磁干扰耦合的能力。
3）最后，要充分认识易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件，尽量杜绝其接收电磁干扰的可能性。
据此，在设计时应采取相应对策，消除或部分消除可能出现的电磁干扰，以减轻调试工作的压力。在调试中，针对具体出现的电磁干扰，以及接收电磁干扰的电路和元器件的表现进行分析，以确定电磁干扰源所在及电磁干扰可能传播的路径，再采取相应的解决办法。
5 结束语
本文概述了电磁干扰和电磁兼容的基本知识，综合分析了电磁干扰产生机理和抑制对策。总的来说，电磁干扰主要采用滤波、屏蔽、接地，合理布局布线，挑选适当的元器件和电路技术等方法。与其它电子设备一样，为了达到电磁兼容性要求，采用一种方法往往是不够的，需要综合采用几种方法，才能起到良好的效果。为了提高电子设备的电磁兼容能力，必须从开始设计时就给予电磁兼容性以足够的重视。
参考文献
[1]张国雄，《测控电路》机械工业出版社2004，2
电磁兼容 篇4
随着电磁环境的日益复杂,电子系统在工作过程中会受到各种各样的干扰。当在一个相对有限的区域内大量使用雷达这种大功率电子设备时,系统之间必然存在一定的干扰,轻则使系统某些性能指标降低,重则使系统瘫痪不能正常工作,因此必须考虑系统间的干扰问题,即需要对系统进行电磁兼容预测。电磁兼容预测的实质是对电子系统的抗电磁干扰能力或电磁兼容性进行预测,它旨在发现系统中不兼容的薄弱环节和评价系统的安全裕度,为系统的电磁兼容性设计及技术实现提供科学、合理的依据。它既是实现系统电磁兼容性的必要步骤,又是一种具有较高费效比的电磁兼容性工程技术法。然而对雷达系统之间进行系统级电磁兼容预测是一个复杂的系统工程,为了解决复杂系统的EMC分析问题,20世纪70年代美国学者Carl E.Baum提出了“电磁拓扑”(EMT)的概念,通过建立系统各空间体积之间电磁作用的EMT模型获得用传输函数描述系统电磁作用的“相互作用关联图”来达到预测复杂系统EMI耦合的目的[1]。
1 雷达系统间EMC预测原理
电磁兼容分析、预测是一种通过理论计算对用电设备或系统的电磁兼容程度进行分析评估的方法。解决电磁兼容性问题一般都从“电磁兼容3要素”入手[2]。这3要素是指:
① 干扰源,分为自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声;人为干扰源是由机电或其他人工装置产生的电磁干扰。本文的干扰源为雷达;
② 传播干扰能量的途径和通道,分为传导方式和辐射方式。传导传输是指在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器发生干扰;辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。通常包括场对场耦合、场对线耦合和线对线感应;
③ 被干扰对象(敏感设备):它可以是一个很小的元件或一个电路板组件,也可以是一个单独的用电设备甚至可以是一个大型系统。本文的被干扰设备也为雷达。
在进行雷达系统间电磁兼容预测计算时,必须建立相应的干扰源数学模型、传输特性数学模型以及敏感设备敏感度阈值的数学模型。为了确定雷达之间是否存在电磁干扰,应将干扰源函数与传输函数组合起来以得到在敏感设备(接收机)处的有效功率,然后将有效功率与敏感度函数比较来确定是否存在潜在干扰[3,4]。
设PI为单个辐射源的有效干扰功率;PV为敏感设备的灵敏度门限值;IM为干扰裕量,则系统间EMI预测方程为:
IM(dB)=PI(dB)-PV(dB)。 (1)
式中,PI=P·T,P为干扰源发射功率,T为传输路径的传递函数模型。
如果当IM>0时,表示发生干扰,干扰源和敏感设备不兼容,且按IM值大小表明干扰的严重程度;当IM<0时,表示二者兼容,且设m=-IM为安全系数,m越大,安全裕度越大,电磁兼容性能就越好。
2 电磁拓扑分析
2.1 电磁拓扑理论的基本思想[5]
电磁拓扑学利用拓扑的概念将一个复杂的电子系统进行分解,从而降低整个系统分析的复杂性。其基本思想是将研究对象空间分解成不同大小的区域,各个区域之间通过系统的拓扑图相联系,从而把整个复杂的电磁耦合问题分解成相对独立的简单的电磁问题来解决。在对雷达系统间电磁兼容性分析中应用此方法,可以大大简化对问题的处理。
2.2 系统的拓扑分解和电磁作用树形图
雷达系统的组成比较复杂,主要由发射机、天线、馈线、接收机、定时测距、天线控制、显示器和公用直流电源等系统组成。同时,雷达系统间电磁耦合路径也非常复杂[6],主要有:① 天线与天线之间的耦合,可以根据已知发射天线模型、接收天线模型以及天线方位数据来计算干扰功率;② 场和电缆之间的耦合,主要是指对敏感设备内的电缆受干扰源的辐射场照射后的分布电压和分布电流进行计算,并进一步确定由此而对设备内部线路造成的干扰;③ 通过公共同路引起的传导耦合,即通过将公共回路等效为集总电路参数模型或分布参数模型,计算由公共回路连接的设备之间产生的传导干扰;④ 其他耦合形式。
雷达系统以及电磁干扰耦合方式的复杂性导致了雷达系统间电磁兼容分析的复杂性,根据广义屏蔽的概念,任何一个综合系统总可以根据其屏蔽情况分解为多个相对独立的屏蔽子空间,各子空间之间通过窗口、电缆或孔缝建立联系,系统的拓扑分解就是这种由简单到复杂、由粗略至精准、由整体至局部地将系统分解为许多可预知的电磁空间的叠加形式。图1显示了一个雷达系统间电磁兼容问题的拓扑分解。
受扰雷达系统外部包含干扰源的区域标记为V0,受扰雷达系统内部其他已屏蔽的体积分别标记为V1、V2、V3,包围这些体积的屏蔽面依次标记为S1、S2、S3。显然,此种标记电磁拓扑结构的方法,依据从系统外部到系统内部屏蔽面个数增加的顺序,每增加一个屏蔽面,标记这一屏蔽面的标示符的下标就增加1,其包围的体积的标示符的下标也增加1。干扰雷达信号从受扰雷达系统外部传输到系统内部关键性电路端口所穿透的屏蔽面的总个数成为该系统的屏蔽级。在外部干扰作用到最外层V0时,干扰信号将通过多种方式耦合受扰雷达信号处理模块中,具体耦合方式有:天线系统的耦合、场与电缆线的耦合、电缆线之间的耦合以及公共回路传导耦合。当外部电磁干扰对系统屏蔽面S1的作用结果求出来以后,就可以确定S1上的等效源,进而计算穿透第一级屏蔽层的电磁能量。穿透S1的电磁干扰能量射入体积V1,分布于屏蔽面S2上。体积Vj内部的相互作用形式上定义如下:起因于Sj上的电磁干扰源或Vj内的电磁干扰源在Vj内部纵向向屏蔽面Sj+1上产生电荷或电流的激励与传播。Sj上的电磁干扰源归因于电磁场穿透这一屏蔽层,Vj内的电磁干扰源归因于电缆或类似导体向Vj内注入电磁信号。依据此原理同样可以分析内部第j层的电磁干扰情况。
在数学上,拓扑的基本元素是图上的结点和边,将拓扑理论应用到电磁干扰问题的分析中,相应利用点和边的二元关系构建系统的拓扑图。根据图1所示系统电磁拓扑结构图可知,各个子空间之间的电磁作用关系可进一步用电磁作用树形图来描述。如图2所示,各边代表连接各子空间的传输路径,在其上赋权,权值为该路径的电磁作用传递函数,从而按照实际电磁作用情况构成非对称型关联度矩阵进行数学计算。
2.3 3级筛选对电磁作用树形图的简化
由于对系统作出的拓扑分解和电磁作用树形图是比较复杂的,这时就需采用3级筛选,即幅度筛选、频率筛选和详细筛选来简化电磁作用树形图,将不可能出现电磁干扰的路径从电磁作用树形图上除去。
第1级:幅度筛选。使用相当粗略的模型考虑频率、时间、距离和方向的影响,对每个进入传输路径的干扰函数表达式采用尽可能简单、合理、保守的近似式,以使大量的微弱干扰与少量的强干扰分离开,并从树形图上去除对应分支;
第2级:频率筛选。在幅度筛选基础上,考虑附加的干扰抑制(它是由敏感响应和潜在干扰源之间的频率间隔得到)来处理频率变量,减小频率量的取值范围;
第3级:详细筛选。完成时间、距离、方向变量的修正,确定干扰的概率分布和时间的依从关系统计。
2.4 算例分析
下面对2部AN/SPS-10型雷达之间进行电磁兼容分析,假定其中一部为干扰雷达,另一部为受扰雷达。首先对受扰雷达系统外部空间V0三级筛选,一些弱干扰路径(场与电缆线的耦合,电缆线之间的耦合以及公共回路传导耦合)将被剔除,即此时主要考虑干扰雷达天线与受扰雷达天线之间的耦合,预测模型将得到大大简化,如式(2)所示:
式中,P1(f1)为在发射频率f1的发射功率;G1(f1,t,d,p)为发射天线在发射频率f1对应接收天线方向的增益;L(f1,t,d,p)为收发天线间在频率f1时的传输函数;G2(f1,t,d,p)是在发射天线方向上频率为f1时接收天线的增益;P2(f2)为在响应频率f2时接收机的敏感度门限;CF(B1,B2,Δf)为计入发射机和接收机带宽B1、B2及发射机发射与接收机响应之间的频率间隔Δf的系数。
其次将AN/SPS-10型雷达参数以及相关的电磁环境参数代入式(2)所对应的数学模型,经过计算可知,相距不同距离的2部AN/SPS-10雷达间干扰裕量如表1所示,计算所得结果与文献[4]中试验结果一致,即当2部该型号雷达相距60 km时将不存在干扰。
3 结束语
对雷达系统间进行EMC分析和预测是一个复杂的系统工程,必须综合运用系统EMC预测方法和模型。电磁拓扑理论在分析雷达系统间电磁兼容性方面具有重要的理论和工程意义。文中经过对电磁作用树3级筛选简化后所得的雷达系统间电磁兼容预测模型相对于简化前更易于数学建模和分析计算,并最终取得了有益的预测结果。学习和研究电磁拓扑理论,并将其应用于雷达系统间电磁兼容预测中具有重要的价值。
参考文献
[1]BAUMC E.Electromagnetic Topology forthe Analysis and Design of Complex Electromagnetic Systems[C]//Fast Electrical and Optical Measurements.Dordrecht,1986:467-547.
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[4]FOREMANT.A Radar-to-Radar Interference Prediction Model[C]//1991IEEE Electromagnetic Compatibility Symposium Record,1991:200-205.
[5]谢鹏浩,刘尚合,谭志良.典型雷达系统的电磁拓扑初步分析[J].现代雷达,2008,30(2):17-19.
机载天线电磁兼容分析 篇5
学号：2011201270
专业：电磁场与微波技术
机载天线的电磁兼容性分析
姓名：周慧
学号：2011201270 摘 要：天线布局和电磁兼容是机载系统设计的关键性问题。针对机载天线的特点，本文对机载天线的电磁兼容性的核心问题和主要解决途径进行了简要介绍，对常用的有限元法、物理光学、几何光学等天线电磁兼容技术分析方法进行了比较，结合机载天线的布局问题综合分析机载天线的电磁兼容技术。关 键 词：机载天线 ；电磁兼容 ；天线布局
一、引言
随着当今科学技术的不断进步，航空军用电子设备已成为C3I 系统实施指挥和获取情报的重要手段。预警机是情报、通讯、指挥和控制中心，要实现这些战术指标，就必然要在飞机这么一个有限的空间里布置大量的电子电气设备。飞机作为一个指挥控制单元，其工作频谱覆盖范围从甚低频（VLF）到超高频（UHF），在大功率高频（HF）和超高频（UHF）设备产生并通过天线辐射的电磁环境中，保证机载设备的兼容性是相当重要而复杂的问题。在飞机系统的研制、生产和安装过程中有必要研究其变化后的电磁环境，对其兼容性状态进行分析，从而保证机载系统的正常工作。
机载通信系统中，由于系统中无线通信设备比较多，而且还要综合考虑飞机的飞行性能，安放天线的位置就受到一定的局限，因此系统中EMC 的问题尤为突出，在无法摆脱自身设备EMC的前提下，要降低这种干扰只能通过天线布局的方法，通过降低各天线对间的耦合度达到减小干扰的目的。
研究飞机天线系统的电磁兼容性的关键就是确定机载天线的辐射特性，得到其辐射方向图。确定机载天线的辐射特性可以通过实验的方法，如利用暗室和飞机模型测试数据，但是这样会浪费大量的人力、物力和财力，因此研制机载天线系统电磁兼容预测分析软件己成为当务之急。EMC预测分析的目标是评估全机的电磁兼容性状态，分析是否存在电磁干扰，以便于总体采取措施排除，尽量减少干扰问题的出现，确定关键性区域和关键性设备，确定干扰测试的重点，并为今后系统及设备设计和系统使用提供数据。
二、机载天线电磁兼容的基本理论
天线的电磁兼容，指天线或天线系统在共同的电磁环境中，其自身性能既不下降又不影响其它天线性能的一种共存状态。即某一设备上的天线既不会由于受
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到处于同一电磁环境中的天线布局、载体、邻近散射体和其它天线的影响而遭受不允许的性能降低，也不会使同一电磁环境中其它天线性能遭受不允许的性能降低。值得指出的是，电磁环境除了包括安装天线的平台、平台上的其它天线、遮挡物、突出金属物以外，在这里还特别增加了一项“邻近散射体”。这里所说的邻近散射体，包括了邻近载体、地形地物和海面等。
从广义上讲，机载天线的电磁兼容性包含有两个基本概念，辐射限制和抗扰度限制。辐射限制是指在不需要的空间和不需要的频段上其辐射量的控制。抗扰度限制是指天线自身对恶意发射与难以避免的反射、散射、漏射、绕射、杂乱漫射、传导等电磁能量的响应能力。
三、机载天线电磁兼容的技术重点
机载天线对整个系统的电磁兼容性能影响非常明显。这主要是因为天线具有如下两个特点：
1、天线的功能是完成电磁能量从“场”到“路”的双向转换，即将空间中的电磁场能量接收至传输线内成为导波，或将传输线内的导波辐射至空间形成电磁波。
2、多数天线辐射能量大、接收灵敏度高。相对于导线、设备、孔缝等无意辐射源，天线辐射能量要大若干个数量级。
本质上讲，机载天线的电磁兼容的核心问题就是辐射限制和抗扰度限制。因此解决天线的电磁兼容应从以下三个方面着手：电磁兼容实现手段、电磁兼容效果计算分析和天线布局优化设计。
1、电磁兼容实现手段
目前实现天线之间电磁兼容的主要手段，是通过增加天线之间的隔离度削弱天线间的相互影响，而衡量天线之间相互影响强度的指标即天线的隔离度，机载天线之间的隔离度是描述天线之间耦合的一种方式，它充分反应了天线的方向性、增益、极化状态、带内带外特性和天线之间的空间对收发天线间能量耦合的贡献。为准确表达天线间的隔离程度，将发射天线的发射功率Pta与接收天线所接收的功率Pra的比值定义为天线隔离度（Pra为Pta经过各种衰减后被接收天线所接收的功率值），通常在工程应用中，以dB 为单位表示，即：
L(dB)10lgPta
（1）Pra当2个天线均处于彼此远区场的情况下，其能量耦合主要通过辐射场实现。
设发射天线发射功率为P ta，增益为Gt，接收天线的接收功率为Pra，增益
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为Gr。接收天线与发射天线间的距离为D，一般情况下，收发天线直视时的天线隔离度可由公式（1）所表达的物理意义求解。当收发天线外形尺寸与D 相比较小时，收发天线均可近似被认为是具有一定方向性的点源，则发射天线发出的电磁波可被近似为球面波，且在接收天线处可视作平面波，此时天线隔离度可表示为：
L(dB)LGG
（2）
dtr4D式中，L20lg为收发天线直视情况下的空间隔离，Ld由收发天线间的距d离D和分析波长λ等因素决定，Gt为发射天线在接收方向的天线增益，应根据收发天线的相对位置从机载发射天线增益方向图中读取；Gr为机载接收天线在发射方向的天线增益，应根据收发天线的相对位置从天线增益方向图中读取。
当收发天线之间的极化不完全匹配时，还要考虑极化失配带来的隔离度LP这一项，即总的天线隔离度为：
L(dB)LGGL
（3）
dtrp如果天线不能同时满足位于彼此的远区场，则2天线之间的相互干扰主要不是通过辐射场进行的，而是通过近区束缚场或近区感应场实现。
工程上圆极化对垂直极化或水平极化的损耗为3dB左右，垂直极化和水平极化间的失配损耗为20-35dB，由于机身表面天线的安装方位比较复杂，极化失配损耗要比以上2个值要小。
2、电磁兼容效果计算分析
机载天线的电磁兼容实施过程中一个重要的环节，就是以计算机为工具，利用电磁场理论和计算电磁学的相关知识，对天线电磁兼容性的效果进行仿真计算和分析。通常情况下，对单个天线结构的阻抗特性和辐射特性的分析往往采用数值方法，而对于天线之间耦合特性（隔离度）的分析（该文中仅指远场情况下），往往采用高频方法。
随着计算机性能的快速提高，电磁场数值计算技术日益成为应用电磁学领域内的一个研究热点。由于数值计算方法直接以数值的形式代替解析表达式描述和求解电磁场问题，故在理论上只要计算机配置足够高，等待足够的时间，就可以得到以任意精度逼近准确值的几乎所有电磁场问题的解答。常用的数值计算技术包括有限元方法（FEM）、时域有限差分方法（FDTD）和矩量法（MOM）等。
有限元法是非常具有代表性、应用范围广泛的频域数值方法。该方法以变分原理和剖分插值为基础，能处理任意形状的场域、多介质和复杂交界面等情况。其所形成的代数方程系数矩阵具有对称、正定和稀疏性的特征，因而收敛性好，3 / 6
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容易求解。由于具有这些优点，有限元法成为国内外学者的一个研究热点。但是有限元法虽然是一种灵活性强的数值计算方法，但它只适合于最大尺寸约为几个波长以下的物体。所以使用范围也受到一定的局限。
机载天线工作频率一般很高，而飞机一般有十几米到几十米长，因此机载天线系统是电大尺寸系统，对此系统的分析需要应用高频近似技术。高频近似技术是在相当严格的理论基础上发展的一系列近似方法和渐进的高频解析方法，一般可归纳作2 类：一类基于射线光学，包括几何光学（GO）、几何绕射理论（GTD）以及在基础上发展的一致性绕射理论（UTD）等；另一类基于波前光学，包括物理光学（PO）、物理绕射理论（PTD）、等效电磁流方法（ECM）以及增量长度绕射系数法（ILDC）等。
物理光学法是通过对表面感应场的近似和积分来求解散射场的，它克服了平表面和单弯曲表面所出现的无限大的问题。由于感应场保持有限，散射场也就同样有限。
几何光学是研究射线传播的一种理论，它是适用于计算电磁场零波长近似的高频方法。但是几何光学只研究直射、反射和折射问题，它无法解释绕射现象。当几何光学射线遇到任意一种表面不连续的情况，例如边缘、尖顶，或者在向曲面掠入射时，它将不能进入到阴影区。按几何光学理论，阴影区的场应等于零，但实际上阴影区的场并不等于零。为了解除几何光学场的不连续性问题，并对几何光学场计为零的场区中作出适当修正，引入了一种新的射线—绕射线，其对应的理论即几何绕射理论。
几何绕射理论的基本概念可以归结为以下3 点：
1绕射场是沿绕射射线传播的，这种射线的轨迹可以用广义费马原理确定。○2场的局部性原理：在高频极限情况下，反射和绕射这一类现象只取决于○反射点和绕射点临近域的电磁特性和几何特性。
3离开绕射点后的绕射射线仍遵循几何光学的定律。○
3、天线布局优化设计
布局设计首先是天线自身的仿真与设计，其性能指标以能否满足应用要求为先决条件，但这往往还不够。实际中常会遇到这样的情况，单独看这个天线，其各项性能指标均合格，一旦配置到载体上，其主要参数幅度方向图和相位特性将有程度不等的劣化，此时必须对天线进行必要的修改，有时甚至需要重新进行方案论证与选择。
机载天线的布置应遵循如下的4个原则：
1飞机电子系统中各分系统的天线布置应充分发挥各分系统的战技性能，○完成各自所担负的任务。
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2分系统天线间辐射干扰影响尽量小，即尽量减少辐射耦合。○3要充分利用载体的遮档。○4实际天线布局设计是一个综合性的反复调整过程。○下面以一个实际的飞机来综合考虑分析其各天线的布置情况
图 1 某飞机的机载天线布局
1探测雷达天线布置 ○考虑飞机气动力学影响，可采用共形相控阵天线型式，并将天线置于机身两侧和前后。
2GPS天线布置 ○GPS 接收天线，它用于接收卫星信号，因此要安装在机身上方，且尽量远离探测雷达。
3ESM天线布置 ○无源探测（以ESM 为例）频带宽，接收灵敏度高，因此ESM 天线要远离那些落于其工作频带的发射源，故ESM 天线应安装于机身前后位置。
4JTIDS天线布置 ○对JTIDS天线布置考虑应空对空、空对地通信，因此将它安装于机身上下方。5通信天线尤其是V/UHF 天线数量多，频段宽，要考虑减少相互影响，合○理布局。
在初步确定了天线在载体上的布局后，就可进行机载天线耦合干扰及天线方向图的计算机预测与分析，通过不断的调整天线的位置，最终找到最佳的天线布局方案。
四、国内外机载天线布局和EMC的发展动态
西方发达国家早在二战后就对飞机的EMC做了大量的研究工作，特别是美
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国在六七十年代中期对电磁兼容性研究所做的工作，比较全面和系统地考察了航空、航天、航海领域中的电磁兼容机理，并进行了研究和分析，获得了大量的资料和经验，取得了较好的效果。如美军先后研究出F-4，F-15系列飞机EMC分析方法和数学模型，并将其应用于飞机的设计、研制和维修中，取得了许多技术成果和显著的经济效益。海湾战争、科索沃战争及近期的反恐战争等，使各国对美国等西方各种武器的先进性有了更直观的认识，而战争中美国飞机的卓越性能都体现了研究飞机天线系统EMC的价值。
我国在这方面研究起步很晚，与国外相比水平还远远落后，直到70年代后才开始着手研究，而且发展速度缓慢，导致我国与发达国家拉下很大距离。目前，我国已经有一些部门和单位开始重视并从事这方面的工作，实现技术的跨越式发展，可望在不远的未来赶上先进发达国家的水平，从而能够利用EMC控制，使系统和设备与环境相融合，完成对电子设备的一体化设计。
参考文献
电磁兼容 篇6
关键词：PBL教学法；电磁兼容技术；问题
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）12-0055-02
一、PBL教学法应用研究
PBL即基于问题的学习（Problem-Based earning），简称PBL，也称作问题式学习。它的实施过程中所包含的基本环节有：组织小组、开始新的问题、后续行动、活动汇报、问题总结等。PBL强调学生的主动学习，而不是传统教育中的以教师讲授内容为主；PBL将学习与需要解决的任务和问题相结合，使学习者在复杂的、有意义的问题情景下，通过学习者的自身努力来解决真正的问题，进而学习隐含的科学知识，掌握解决问题的技能和提高自主学习的能力。PBL教学法以问题为学习的起点，自诞生后，先后在多所医科学校中推广、修正，随着时间的推移，PBL也从最初的医学教育领域走向各学科教育领域，从培养研究生的领域走向中小学及大学教育领域。目前，一份调查表明，北美130所医学院校（全美125所大学中的118所、加拿大16所大学中的12所）引入了或准备引入PBL教学法的占所调查院校的86.2%，占北美所有院校的79.4%，PBL教学法在北美开展已经很普遍。
二、在电磁兼容技术课程中的教学应用
电磁兼容技术这门课程主要讲述了PCB（印制电路板）的设计以及电磁辐射防护，由于该课程理论与实际结合的较为紧密，由于大部分学生在学校期间接触到实际的项目或者PCB很少，故此在讲授该课程时，学生对课程的兴趣不高，对该课程的应用范围也不了解。而实际该课程在学生的本科毕业设计中以及今后的工作、研究中用途较为广泛。所以需要改进教学方法以提高学生的就业竞争力。最初的教学方式采用先从电磁兼容技术的理论入手，结束理论之后开始PCB的设计课程以及注意事项的讲解。从实际的效果来看，这样的方式虽然完成了既定的教学计划，但是对学生并理解所讲授的课程。更不用说将这些理论运用在今后的工作中。利用PBL的教学方法，将该课程的计划设计成一系列的问题，通过在讲授这些问题的解决的过程，使得学生了解该课程的内容，理解课程中所涉及到的技术。首先：为了引起学生的学习该课程的兴趣设计为什么要学习该课程的例子。具体的做法为，首先将学生创新实践中所设计的MP3播放器的实物以及改进的MP3播放器的实物给参加该课程的学生观看，并将此播放器与经过改进后的播放器的音质进行对比，让学生自己感觉出相同的设计，通过不同的设计方法可以得到不同的效果。由于参加该课程的学生大部分都没有实际设计PCB的经验，故观看实物并不能得出比较客观的评价，而通过播放的音质则能比较明显的感觉出两者的不同。由于大部分学生都比较熟悉MP3播放器，通过该实物的展示，也让学生能够了解该课程所涉及的方面，学生对该课程的学习兴趣提高了很多。该对比带来了问题就是为什么不同的PCB设计方法能够带来不同的效果，在PCB设计中应该遵循哪些原理和规则才能保证PCB的设计质量。在后续的课程中介绍电磁兼容技术中的接地概念、接地的方式以及电磁干扰滤波技术。让学生从这些内容中找到哪些理论用在MP3播放器的设计中，对比改进前后的PCB得出这些理论应该如何具体去使用。查找这些相关理论应用使得学生自己总结在实际中应该怎么去分割地线，分割不同的电路网络。通过总结之后，学生对理论在实际中的应用有了一个较为具体的认识，然后教师在学生总结的基础上进行一些实际设计中应该注意问题的总结归纳。比如，在实际中0欧电阻与贴片磁珠的使用问题，在不同设计中单点接地和多点接地的具体应用。通过MP3播放器实物对比所带来的音质不同的问题，使得学生对该课程的一部分内容有了较为深刻的了解。然后：为了让学生理解屏蔽的概念以及用法，给出某型号手机电路板的设计图例以及笔记本电脑拆机的图例。从图例中学生可以看到屏蔽壳的存在，给出的问题就是屏蔽壳的作用是用来完成什么任务。布置学生在互联网上搜索，找出手机和电脑里面屏蔽层的用法，然后在后期的课程中介绍电磁屏蔽的理论。通过前期的图例，网络搜索以及理论的学习，学生对电磁屏蔽的理论以及用法有了一个基本的了解。在学习完该部分理论之后，或多或少地都会对屏蔽的使用有一个基本的总结。通过理论的讲解之后，对屏蔽的方式以及在实际中不同的屏蔽接法做一个较为系统的总结。让学生了解在实际中屏蔽的使用。通过该问题的设计使得学生了解了屏蔽技术在实际中的使用。为今后的防干扰和抗干扰打下坚实的理论基础。最后设计的问题为PCB设计的布局给PCB设计所带来的影响。该问题还是在MP3播放器的对比的基础上实施。通过MP3播放器改进前后的设计对比，给出在设计中应该如何将器件合理布局才能保证在有限的空间里完成PCB的设计。让学生带着这些问题在播放器PCB对比中找到这些问题的答案。并总结出使用的规则。通过对该问题的总结，学生基本能了解了PCB设计中的一些基本常用的知识和规则。教师在学生总结的基础上对学生总结的规则做进一步的细化，给出不同线宽的过电流的大小以及不同封装下电阻的使用技巧。并在总结的基础上介绍PCB设计中的重要规则，20-H原则以及3W原则。通过实际PCB设计的对比，学生能够将所讲授的布局注意事项与实际很好的结合，并且能够通过该问题的设计让学生基本掌握PCB设计的一些概念，并让学生体会到PCB设计并不一定是所谓的体力活，在看似体力活的基础上还有一些统筹考虑全局的需要，让学生了解PCB的设计也需要一定的积累才能完成一个较为理想的电路板。通过该问题也能增加学生对该课程的兴趣。
PBL教学法注重从具体问题细节着手，主要着眼于提高学生解决具体要求问题的能力，电磁兼容技术理论与实际相结合的比较紧密，故此采用PBL教学方法能达到较好地效果。通过PBL的教学方法使得学生对原来较为晦涩的理论有一个较好的掌握，并且能够与实际设计中的操作相结合。通过设计的三个不同的问题，使得学生将问题带入到实际的学习中，通过学生自己的主动学习掌握与这三个问题相关的一些理论，当然这些理论不是该课程的全部，剩下的理论还需要教师在课堂上进行讲述，但是通过设计的这三个问题，都可以达到一个目的，就是增加学生对该课程的兴趣，使得学生从被动的接收知识转变为主动学习的过程。较好地实现从以教为主的教学模式向以学为主的学习模式转变、从重媒体应用的教学模式向重教学设计的教学模式转变、从重知识传授向重能力培养的三大转变。
参考文献：
电磁兼容及安全认证 篇7
根据电磁感应和电磁场理论, 凡有电流流过, 便会产生空间电磁场, 便会对其它系统 (设备) 造成电磁干扰。电热、电焊等工业及民用电器设备, 输电和电力自动化系统设备等等所产生的电磁波, 会干扰相邻通信设备、电子设备的正常工作, 造成严重的意外事故。因此, 保护电磁环境、防止电磁干扰、解决电磁兼容 (EMC) 问题, 创造“绿色电磁环境”, 已引起人们的普遍关注。
与发电、输电、供电、电压变换、电能转换密切相关的电力通信系统, 工作环境更为恶劣, 受到的电磁干扰更为严重, 电磁兼容问题更不容忽视。
1 电磁兼容的三重含义
电磁兼容或EMC (Electro-magnetic Compatibility) 定义为:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。”
1.1 电磁兼容第一重含义
任何通信系统 (设备) 都处在交织、泛滥的外界空间干扰电磁场之中。外界干扰电磁场既有覆盖全频段, 俗称“白噪音”的连续分量, 又有幅度高、时间短、冲击性很强的随机离散分量, 还有电压高达万伏以上的静电干扰。
通信系统 (设备) 电磁兼容 (EMC) 特性的第一重含义, 便是抵御上述电磁干扰的能力, 确保在恶劣的电磁环境中正常工作。
通信系统 (设备) 抵御外界电磁场干扰的能力, 通常用“电磁敏感度 (EMS) ”来衡量。即, 处在一定环境中的系统 (设备) , 在正常运行时, 能承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰, 或者说, 对一定范围内的电磁能量不敏感, 能按照设计性能保持正常运行的能力。
1.2 电磁兼容第二重含义
通信系统 (设备) 运行之中, 本身的供电、开关量控制, 信号、数据传送, 功率驱动等电子电路, 无时不在向空间辐射电磁信号。通信系统的外接线路就像“天线”一样, 也在不时地向空间发射电磁波。这些与通信功能无关的电磁场辐射信号, 既会泄露使用者的信息, 给敌对方盗窃国家机密以可乘之机, 又会对电力系统的其它电子设备造成电磁干扰。
通信系统 (设备) 电磁兼容 (EMC) 特性的第二重含义, 便是限制通信系统 (设备) 自身向外界辐射电磁干扰信号的强度, 确保通信系统 (设备) 的信息安全和减少对环境的电磁污染。
通信系统 (设备) 向外界辐射电磁信号的特性, 通常用“电磁干扰 (EMI) ”来衡量。即, 处在一定环境中的系统 (设备) , 在正常运行时, 不应产生超过相应标准所限制的电磁能量。
1.3 电磁兼容第三重含义
通信系统 (设备) 电磁兼容 (EMC) 特性的第三重含义是:通信系统 (设备) 工作的特定电磁环境。即使相同种类的设备, 也可能运用在不同的电磁环境中。应用在不同环境中的设备, 对它们电磁兼容特性的要求也是不一样的。离开了具体的电磁环境, 电磁兼容特性就失去了实际意义。
2 电磁兼容标准与认证
自上世纪90年代起, 世界上许多国家和地区, 都相继制定了电磁兼容标准, 颁布了有关法令及管理规范, 加强了对电子、电器产品电磁兼容特性的控制和本国、本地区市场的准入强制性认证。
2.1 电磁兼容标准简述
国际电工委员会IEC以及隶属于IEC的国际无线电干扰特别委员会CISPR制定了一整套电磁兼容EMC的国际标准。中国、北美、欧盟根据IEC标准又制定了中国、北美和欧盟的区域性相关标准。
电磁兼容EMC标准, 分为4类。
1) 第一类, 基础标准。包括:术语、定义、现象、环境、测试方法、仪表、基本试验装置。如:
GB/T4365-1996和IEC 50 (161) 《电磁兼容术语》;
2) 第二类, 给定环境条件的产品通用标准。如:
IEC1000-6-1《通用EMS标准-住宅、商业和轻工业环境》
IEC1000-6-2《通用EMS标准-重工业环境》
3) 第三类, 产品类别标准。
由于电子、电气产品类别繁多。不同类别产品的工作环境, 功能、功率、应用场合, 抗
电磁干扰能力 (电磁敏感度) , 对外界的电磁辐射等特性差异很大。必须按产品类别制定出相对应的标准。如, 我国将电子、电器产品分为电子产品及元器件 (001) 、家用电器配件 (002) 、电线电缆 (011) 等共21个大类, 制定了一整套不同要求的电磁兼容标准。
通信设备的电磁兼容EMC标准, 包含在电子产品及元器件 (001) 大类的001018项“金融、办公电子设备, 信息通讯设备及有关零件和附件”中。依据标准有:
IEC 60950《信息技术设备的安全通用要求》
GB4943-2001《信息技术设备的安全》
GB9254-1998;CISPR22;EN55022《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》等等。
4) 第四类, 专用产品标准。这是针对特殊行业制定的专门的产品标准。如:
QJ:航天产品标准。
2.2 电磁兼容EMC性能标准等级
在电磁兼容标准的测试中, 针对不同类别、不同使用环境的系统 (设备) , 容许满足A、
B、C三个不同的标准等级。
1) A级性能标准
接受测试的设备, 在测试期间不出现功能或性能的临时降级, 不会使系统进入危险或误会状态, 在撤出测试波形或信号时, 不会影响设备中任何软件代码或数据的储存。
2) B级性能标准
接受测试的设备, 在测试期间可能有功能或性能的临时降级, 但不容许设备功能全失。设备降级或功能损失时, 均不能使系统进入危险或误会状态, 在撤出测试波形或信号时, 可在不用操作者介入或系统复位的情况下自行恢复, 不得影响设备中任何软件代码或数据的储存。
3) C级性能标准
接受测试的设备, 在测试期间可能有功能或性能的临时损失, 但不能使系统进入危险或误会状态。接受测试的设备, 在撤出测试波形或信号时, 可在由操作者介入或系统复位的情况下自行恢复, 不得影响设备中任何软件代码或数据的储存。
2.3 中国、北美、欧盟关于“信息技术设备”的产品强制性认证
中国、北美和欧盟对于“信息技术设备”产品电磁兼容特性的管理和控制, 体现在对产品的强制性认证和市场的准入控制两个环节上。
我国于2003年8月1日开始, 对进入中国市场的电子、电器产品实施国家强制性产品认证。即CCC (“3C”) 认证。“CCC”认证后续目录还在不断地增加品种和类别, 最终达到所有进入中国市场的电子、电器产品, 都需要通过强制认证的目的。与此同时, 国家还对强制性产品认证 (CCC认证) 进行执法监督。
通信系统归属于“信息技术设备”的范畴。表1列出了中国CCC认证、北美FCC认证、欧盟CE认证所必须满足的电磁兼容标准。
3 电力通信系统应采取的电磁兼容措施
电磁兼容是一门以电磁场理论为基础, 包括信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科在内的综合性边缘科学。从事电磁兼容工作的工程师, 需要掌握丰富的理论和实践知识。然而, 目前电力通信系统中, 具有电磁兼容理论知识与实践经验的工程师相对较少, 没有明确EMC的具体责任人, 没有对通信系统的电磁兼容特性进行有效的EMC流程设计和监控管理规划, 由此在电磁兼容方面遇到不少挑战。
既然通信系统的电磁兼容特性是一项关乎系统可靠运行的重要指标, 就必须给予足够的重视。应在规划设计、设备选型、设备摆放、必要的电磁屏蔽、机房装修、电磁兼容环境改善、电源及接地安全、缆线布放、防雷击及防静电措施等各个环节上, 都体现出对电磁兼容特性的关注。笼统说来, 一是管理。二是技术措施。
3.1 电磁兼容管理
电磁兼容管理, 包括系统规划设计, 电磁兼容环境控制, 设备选型招标, 施工过程电磁兼容规范和实施计划, 系统 (设备) 电磁兼容特性测试、验收以及对系统电磁兼容计划的监督等内容。
3.2 电磁兼容措施
电磁兼容措施包含了十分广泛的内容。本文抛开产品设计、研制及生产的前期过程, 单从应用的角度来概括叙述电力通信系统的电磁兼容措施。
1) 良好的电磁兼容环境是从规划设计开始的。
(1) 电力系统的发电厂、变电站、换流站都存在强大的空间电磁场干扰, 通信机房必须进行针对性电磁屏蔽规划设计;
(2) 通信系统的馈电走线, 外线电缆敷设, 工作地、保护地要与整个电力发电 (输电) 系统统一规划设计;
通信系统的工作地、保护地线与强电中性地线之间要有良好的隔离。
(4) 通信系统的馈电走线, 外线电缆敷设, 都要避开输电线路。
(5) 通信机房尽可能远离变压器、发电机组和开关场等等。
2) 设备选型
电力通信设备选型招标, 应拒绝那些没有进行或没有通过中国国家强制性产品认 (CCC认证) 的厂商和品牌。建议选用的设备既具有CCC认证, 又具有EC认证、FCC认证和UL认证。确保在电力通信系统中使用的设备具备良好的电磁兼容性能。
3) 电磁兼容管理实施计划和方案
在电力通信设备 (系统) 工程实施之前, 要拟定一套电磁兼容管理实施计划方案。包括:机房电磁兼容措施;电源配线、保安器容量选择、供电分配、负载平衡;防雷及过流、过压、漏电保护;静电防护;外部缆线布放路径, 地线埋设方式;一点接地措施;接地电阻检测;出入电缆的高频干扰信号过滤等。确保电磁兼容性能的监测和控制贯串安装工程的全过程。
4) 采用恰当的电磁屏蔽措施。
电磁屏蔽通常是通过设备的内部、外部结构来实现的。在电磁干扰能量和敏感接收电路之间用金属材料隔开。这样就可以在一定程度上起到吸收电磁干扰能量和隔离敏感线路的作用。电磁屏蔽的隔离效果与所用材料, 屏蔽体结构, 安装位置等诸多因数有关。
电磁屏蔽包括设备内部电磁屏蔽和设备外部电磁屏蔽双重含义。
5) 系统验收
系统验收 (包括初验和终验) 除了对通信系统功能、指标的测试、试验外, 还应增加系统重要电磁兼容特性的检测。如:电磁屏蔽与抗电磁干扰能力;过流、过压和雷击防护能力等等。
6) 系统运行中定期的电磁兼容性能检测维护
系统运行中定期的电磁兼容性能检测维护应包括:设备电磁兼容环境监护;屏蔽措施定期检查;地线接地电阻的定期检测和地线定期维护;供电系统维护;过流、过压及防雷设备的定期检查维护;外部缆线的定期测试和维护等等。
参考文献
[1]杨自佑, 王守三.电磁兼容原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2006 (1) .
[2]覃昌荣, 黄安平.变电站分散布置的监控、保护设备的电磁兼容性-相关标准及其执行情况调查.EMC论坛, 2006.
机载天线电磁兼容技术分析 篇8
随着电子信息技术的发展,飞机载体上的天线类型和数量不断增加,造成飞机内部及其周围空间的电磁环境越来越复杂,从而导致电磁兼容的问题日益突出。作为直接影响和制约系统电磁兼容性的天线,其电磁兼容问题越来越受到重视[1]。
1 机载天线特点
机载天线对整个系统的电磁兼容性能影响非常明显。这主要因为天线具有如下2个特点:
① 天线的功能是完成电磁能量从“场”到“路”的双向转换,即将空间中的电磁场能量接收至传输线内成为导波,或将传输线内的导波辐射至空间形成电磁场;
② 多数天线辐射能量大、接收灵敏度高。相对导线、设备孔缝等无意辐射源,天线辐射能量要大若干个数量级[2]。
2 电磁兼容核心问题
从本质上而言,天线的电磁兼容与设备电磁兼容概念相通,都由2个核心问题组成:① 辐射限制;② 抗扰度限制。
具体说就是限制无用辐射的幅度上限以免干扰其他设备或天线;同时保证在一定强度的电磁环境下正常工作的能力。
3 解决方法分析
解决机载天线电磁兼容主要从2方面着手:① 电磁兼容实现手段;② 电磁兼容效果计算分析。
3.1 电磁兼容实现手段
目前实现天线之间电磁兼容的主要手段,是通过增加天线之间的隔离度削弱天线间的相互影响,而衡量天线之间互相影响强度的指标即天线隔离度,机载天线之间的隔离度是描述天线之间耦合的一种方式,它充分反应了天线的方向性、增益、极化状态、带内带外特性和天线之间的空间对收发天线间能量耦合的贡献。为准确表达天线间的隔离程度,将发射天线的发射功率Pta与接收天线所接收的功率Pra比值定义为天线隔离度(Pra为Pta经过各种衰减后被接收天线所接收的功率值),通常在工程应用中,以dB为单位表示,即:
当2个天线均处于彼此远区的情况下,其能量耦合主要通过辐射场实现。
设发射天线发射功率为Pta,增益为Gt(θt,φt),接收天线的接收功率为Pra,增益为Gr(θr,φr);接收天线与发射天线间的距离为D,一般情况下,收发天线直视时的天线隔离度可由公式(1)所表达的物理意义求解。当收发天线外形尺寸与D相比较小时,收发天线均可近似被认为是具有一定方向性的点源,则发射天线发出的电磁波可被近似为球面波,且在接收天线处可视作平面波,此时天线隔离度可表示为:
式中,
当收发天线之间的极化不完全匹配时,还要考虑极化失配带来的隔离度LP这一项,即总的天线隔离度为:
如果天线不能同时满足位于彼此的远区,则2天线之间的相互干扰主要不是通过辐射场进行的,而是通过近区束缚场或近区感应场。
工程上圆极化对垂直或水平极化的失配损耗为3 dB(3~4 dB),垂直极化和水平极化间的失配损耗为20~35 dB,由于机身表面天线的安装方位比较复杂,极化失配损耗要比以上2个值小。
天线布局优化是天线兼容性的基本内容之一[3]。调整多个天线的姿态及安装位置,使这些天线之间的隔离度满足要求,从而使多个天线达到兼容状态的过程,就是天线布局优化。它主要是通过在飞机上可放置天线的范围内调整各天线的安装位置和姿态,分析不同布局情况下各机载天线与其他天线间的隔离度,根据天线隔离度数据判断天线间的兼容情况;最终找到一种能够使所有天线兼容工作的天线布局状态。
布局设计首先是天线自身的仿真与设计,其性能指标以能否满足应用要求为先决条件。在此基础上,将天线配置到载体上,其阻抗特性和辐射特性可能会因为载体的存在而有程度不等的恶化,必须对天线进行必要的修改,有时甚至需要重新进行方案论证与选择。然后再将多个天线同时设置于载体上,调整至每个天线均能够按照指标要求工作,布局优化结果确定后,各种天线性能指标和电磁兼容性就基本确定了。
3.2 电磁兼容效果计算分析
机载天线的电磁兼容实施过程中一个重要的环节,就是以计算机为工具,利用电磁场理论和计算电磁学的相关知识,对天线电磁兼容性的效果进行仿真计算和分析。通常情况下,对单个天线结构阻抗特性和辐射特性的分析,往往采用数值方法;而对于天线之间耦合特性(隔离度)的分析(该文中仅指远场情况下),往往采用高频方法。
3.2.1 数值计算技术
随着计算机性能的快速提高,电磁场数值计算技术日益成为应用电磁学领域内的一个研究热点。由于数值计算方法直接以数值的形式代替解析表达式描述和求解电磁场问题,故在理论上只要计算机配置足够高,等待足够的时间,可以得到以任意精度逼近准确值的几乎所有电磁场问题的解答。常用的数值计算技术包括有限元方法(FEM)、时域有限差分方法(FDTD)和矩量法(MOM)等。
有限元法是非常具有代表性、应用范围广泛的频域数值方法。该方法以变分原理和剖分插值为基础,能处理任意形状场域、多介质和复杂交界面等情况。所形成的代数方程系数矩阵对称、正定和稀疏,因而收敛性好,容易求解。由于具有这些优点,有限元法成为国内外学者的一个研究热点。
有限元方法的引入极大的提高了这项技术的性能。完全匹配层技术(PML)在有限元方法中的成功应用使得有限元也能方便的处理具有开放结构的问题,有限元方法还可以与矩量法结合起来处理具有复杂的具有开放结构的问题。经过近30年的发展,随着计算机速度的提高、软件技术的成熟,在国内外学者的共同努力下,电磁场有限元数值计算方法不断完善并且得到了广泛应用。
有限元法虽然是一种有很大灵活性的电磁场的数值计算方法,但它只适合于最大尺寸约为几个波长以下的物体。
3.2.2 高频近似技术
由于机载天线工作频率一般很高,而飞机一般有十几米到几十米长,因此机载天线系统是电大尺寸系统,对此系统的分析需要应用高频近似技术。
高频近似技术是在相当严格的理论基础上发展的一系列近似方法和渐进的高频解析方法,一般可归纳作2类:一类基于射线光学,包括几何光学(GO)、几何绕射理论(GTD)以及在基础上发展的一致性绕射理论(UTD)等;另一类基于波前光学,包括物理光学(PO)、物理绕射理论(PTD)、等效电磁流方法(ECM)以及增量长度绕射系数法(ILDC)等[4]。
物理光学法是通过对表面感应场的近似和积分求解散射场的,克服了平表面和单弯曲表面出现的无限大的问题。由于感应场保持有限,散射场也就同样有限。
几何光学是研究射线传播的一种理论,它是适用于计算电磁场零波长近似的高频方法。但是几何光学只研究直射、反射和折射问题,它无法解释绕射现象[5]。当几何光学射线遇到任意一种表面不连续,例如边缘、尖顶,或者在向曲面掠入射时,它将不能进入到阴影区。按几何光学理论,阴影区的场应等于零,但实际上阴影区的场并不等于零。为了解除几何光学场的不连续性问题,并对几何光学场计为零的场区中作出适当修正,引入了一种新的射线—绕射线,其对应理论即几何绕射理论。
Keller在1951年前后提出了一种近似计算高频电磁场的新方法。他把经典几何光学的概念加以推广,引入了一种绕射射线以消除几何光学阴影边界上场的不连续性,并对阴影区内的场进行适当的修正。Keller的这一方法称为几何绕射理论。绕射射线产生于物体表面上几何特性或电磁特性不连续之处。例如,物体的边缘、尖顶和光滑凸曲面上与入射射线相切之点。绕射射线既可以进入照明区,也可进入阴影区。因为几何关学射线不能进入阴影区,故阴影区的场就完全由绕射射线来代表。这样,几何绕射理论就克服了几何光学在阴影区的缺点,也改进了照明区的几何光学解。几何绕射理论的基本概念可以归结为以下3点:
① 绕射场是沿绕射射线传播的,这种射线的轨迹可以用广义费马原理确定;
② 场的局部性原理:在高频极限情况下,反射和绕射这一类现象只取决于反射点和绕射点临近域的电磁特性和几何特性;
③ 离开绕射点后的绕射射线仍遵循几何光学的定律。
Keller导出的GTD基本算式(绕射系数),在亮区和阴影区几何光学阴影边界两侧的过渡区内失效,70年代Pathak和KovyoumJian等又将之发展成为一致性UTD,UTD克服了GTD的缺点,较好地解决了电磁波在阴影边界上的连续问题。UTD在几何光学阴影边界过渡区有效,在阴影边界过渡区以外,则自动转化为GTD算式。
虽然现在己有许多求解电磁辐射和散射问题的高频近似方法,但实际上没有一种方法是“万能”的,每种方法都有其使用范围。例如,纵然几何绕射理论及其一致性形式能准确地计算出大多数电大尺寸辐射和散射系统的高频电磁场,但由于现在各种典型几何体的绕射系数太少,有些大尺寸复杂目标的局部构形,如飞机机身和机翼的结合部,还没有可利用的绕射系数。所以,单纯用几何绕射理论及其一致性形式不能解决所有的高频电磁辐射与散射问题。
4 结束语
数值计算技术能精确地分析电小尺寸系统,高频近似技术则适合分析电大尺寸系统。飞机上装载的天线种类繁多,建议采用2种技术混合方法分析电磁兼容问题,在处理特定电磁问题时通过有机结合取长补短,如MoM-格林函数混合方法、MoM-FD混合方法和FEM-BEM混合方法等[6]。当然,这些分析方法需要在实际工程中进一步验证。
摘要：随着机载天线的广泛应用,电磁兼容问题的分析非常重要。针对机载天线的特点,首先对机载天线电磁兼容的核心问题和主要解决途径进行了简要介绍,论述了机载天线隔离度的定义及计算方法,对常用的有限元法、物理光学、几何光学和几何绕射理论等天线电磁兼容技术分析方法进行了比较,最后结合飞机系统的具体情况提出采用混合方法分析机载天线电磁兼容技术问题。
关键词：机载天线,电磁兼容,数值计算法,有限元法,高频方法
参考文献
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[5]谭远洋.应用GTD、UTD方法分析飞行器天线的辐射特性[D].西安:西安电子科技大学,2004.
《电磁兼容技术》考核方法探究 篇9
对于本科生来说,该课程不能以理论作为侧重。由于用于电磁兼容测试的暗室造价太高,一般不太可能用于本科生的实验。因此该课程的理论仅限于在课堂上介绍,而无法在实验室进行验证。课堂上的重点为理论上如何设计电路板防止电磁干扰以及抵抗外部的电磁干扰。课堂上的理论终究需要通过实践才能掌握。针对这个特点,本课程采用布置实际的电路图设计以及PCB图设计的方法作为实践教学的内容。从以往的经验来看,以实际的任务作为实践教学内容比验证性实践教学内容更加实用,更能锻炼学生的动手能力。该课程的主要任务是通过理论的学习完成实践教学中布置的任务。为了可以对学生学习效果进行衡量,采用如下的方法。
一、对任务进行按组分解
为了更好地对每个学生进行考查,对学生进行分组。由于不少学生参加一些课外科技活动,可以利用这些课外科技活动作为学生的任务。每组的人员由学生自由组合而成,原则上规定一起参加课外科技活动的人员作为一组。对于其他没有课外科技活动的学生,由教师进行布置任务,完成规定的任务。组员也采用自由组合的方法,教师对组员可以进行调整,以保证每组都能完成教师规定的任务。在布置任务开始之前,规定每个组员都必须完成的必选任务。
二、每组选派组员进行讲解
将以往的做实验变成讲实验,由学生来完成讲解。学生在课余时间的前期完成已经布置的任务,并在实验课上进行讲解。每组派出一名学生来进行讲解,剩下的组员可以做补充,并且可以随时回答其他学生的问题。在这期间教师也可以对该组的组员进行提问,以了解该组成员对任务的理解程度以及理论的掌握程度,为今后的成绩评定给出一个初步的意见。为了公平期间,进行讲解的组员所得到的成绩要高于其他组员的成绩。根据讲解的情况以及其他组成员对讲解内容的反应来给出该组的综合评分。
三、以答辩来代替考试
在课程结束之后,利用答辩来代替考试。教师通过每个学生的答辩来进行考核,将操作电路图设计软件的使用技能方面、在设计电路板需要考虑到的一些常规问题等,都作为答辩的问题,并且针对学生的任务进行提问,根据学生对问题回答的程度给出答辩的分数。每个学生的答辩时间不固定,针对一些理论和实践都掌握较好的学生,答辩时间可以长点,以利于教师了解他们的真实水平;对一些基础较差并且对知识掌握欠佳的学生,答辩时间稍短,这些学生答辩主要用于考查学生是否能够完成所要求的必选任务。
从表1的几个例子可以看出,最终的成绩评定与组的平均分有很大的关系,与个人的答辩以及必选任务也有关系。基本上是学生既要有团队工作精神,又要有对任务的理解,达到团队与个人的共同发展。也在侧面提示了学生在实践中要有团队的概念,只有大家齐心协力同时完成一件事情,才会有共同的发展。对于只能完成必选任务并且团队工作完成的还可以的学生给予及格的成绩。这样评定的方式也较好地兼顾了公平的原则,对于那些寄托于抄袭作业的学生来说也是一个较好的警告。
对于电磁兼容技术这种以应用为主的课程来说,利用考试来考查学生对课程的掌握程度基本是不能考查出学生对理论应用的真实水平。不论是采用闭卷考试还是开卷考试,所能考查的内容都只能停留在书本上,理论的理解不经过实践的检验,学生对知识的掌握就不够牢固,往往是到了下学期之后,这些理论基本已经忘了,更不用说将这些所学的理论用于实际的电路设计中了。
将实践教学内容改成需要学生完成实际电路设计的任务之后,有一部分学生确实能够将所学的理论知识运用于实践中,但是仍有学生不重视实践,以至于课程结束时,电路设计的基本规则和常规要求仍然不能理解。通过改变该课程的考核方式,可以引导学生重视该课程的实践部分,也可以较好地杜绝抄袭作业的方法。这要求教师在答辩中需要让学生进行一些具体操作,并在平时了解学生的基本水平。考核方法的改变,并没有减轻教师的任务,相反来说是增加了教师的工作量,这种应用技术类的课程要求教师首先要比较熟悉教学任务以及相关的实践操作,其次教师要根据不同学生的情况去选取不同的答辩问题。这样虽然增加了教师的工作量,但是这种答辩替代考试的考核方式更加灵活,基本可以做到每次都不一样,也可以从侧面督促学生努力学习该课程。
参考文献
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电子设备电磁兼容设计研究 篇10
近年来, 随着电子技术发展进程的不断推进, 电子设备已广泛应用于人们社会生活的各个领域, 成为推动社会经济发展的重要动力。然而, 电子设备制造技术在快速发展的同时, 电子系统的精密度、复杂度亦越来越高, 使用的频谱越来越宽。在工作运行时, 一电子系统可能需要几副甚至十几副工作在不同波段的天线来接收或发射电子信号, 其周围空间产生的电磁场电平非常强大, 进而导致系统内相互电磁干扰问题日益突出, 整个系统将无法正常工作。因此, 电子设备的电磁兼容设计已成为电子设备设计工作者探讨的重要课题。
本文笔者结合工作实践, 在分析电子设备电磁干扰源的基础上, 探讨了电子设备电磁兼容设计的方法。
2. 电子设备电磁干扰源的分析
电子设备电磁干扰源可以分为内部干扰和外部干扰, 两种干扰形式都是影响电子设备正常运行的主要因素。
2.1 内部干扰
内部干扰主要指电子设备内部各元器件之间在相互作用影响下产生的干扰现象, 主要包括如下几种干扰形式:
(1) 电子设备工作电源在各线路上分布的电容以及绝缘电阻等元器件发生漏电现象而引发的干扰。
(2) 大量的无线电信号通过电源、传输导线以及地线时因阻抗发生互相耦合现象, 或导线之间的互感现象等等, 都容易造成电子设备的电磁干扰。
(3) 设备或系统内部的某些元器件因工作运行时间过长而导致发热现象, 对元器件本身或其他元器件的稳定造成的干扰影响。
(4) 电子设备内部高电压和大功率组件产生额电、磁场因发生耦合现象而对其他部件造成的干扰。
(5) 电子设备在运行中, 当不同的电源经过同一地线或众多电子设备共用同一直流电源等时, 公共地线上汇集了多部分电路的电流, 容易因电压降的产生而造成干扰。
2.2 外部干扰
外部干扰则主要指除电子设备自身及系统以外的外部因素对电子设备造成的电磁干扰。主要包括如下几种干扰形式:
(1) 外部电源及高电压因发生绝缘漏电现象而造成对电子设备、线路以及系统的干扰。
(2) 在一定的空间内, 功率较大的外部设备容易产生较强的磁场, 当发生相互耦合现象时造成对电子设备、线路以及系统的干扰。
(3) 外部空间电磁波对电子设备、线路以及系统的干扰。
(4) 电子设备工作在温度不稳定的环境下时, 造成电子系统内部元器件、设备、电子线路参数的改变而发生电磁干扰。
(5) 电子设备所在空间的工业电网的供电设备以及通过电源变压器的电网电压而产生的干扰。
3. 电子设备电磁兼容设计方法
通过上述电子设备电磁干扰源的分析, 表明电子设备电磁兼容设计的主要目的是实现电子设备能够对各种内部或外部的干扰源进行抑制, 保证电子设备能够正常运行于特定的电磁环境之中。且还需减少电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。因此, 对电子设备的干扰源进行限制和对电子设备所受的电磁干扰的传播进行控制是电子设备电磁兼容设计的关键。具体设计方法如下:
3.1 PCB设计
PCB的电磁兼容设计是电子设备电磁兼容设计的基础。实践工作中, PCB存在的电磁干扰主要包括串音干扰、传导干扰以及辐射干扰。因此, 根据电磁干扰形式, 其电磁兼容设计主要包括:
(1) PCB的尺寸设计。设计过程中, 若PCB尺寸过大, 印制线过长, 从而增加阻抗, 导致PCB的抗噪声能力下降。而PCB尺寸过小, 容易导致相邻传输线之间造成串扰。因此, 设计过程中, 应综合考虑PCB的抗噪声性能和抗串扰性能, 保证PCB尺寸的合理设计。
(2) PCB板的布局设计。为尽量减少电子设备PCB板高频元器件之间的电磁干扰, 减少分布参数, 应将高频元器件之间的连线尽量缩短。同时, 在设计电路各功能单元的位置时, 应根据电路的流程使其布局能够符合信号良好流通的需求, 并尽可能的保证各信号流通保持一致的方向。另外, 对各元件之间的分布参数应综合、全面考虑, 使各元器件尽可能的平行排列, 使设备的抗干扰能力增强。
(3) 元器件的布局设计。集成电路元器件相较于分立元件, 抗干扰性能更强, 设计中应优先选用。同时, 为降低无线电信号产生的高频成分, 可选择信号斜率较慢的器件作为PCB的元器件, 降低阻抗, 提高电磁兼容性能。
3.2 屏蔽设计
屏蔽设计是减少电磁干扰传播的有效措施。为提高电子设备屏蔽设计效果:首先, 应对屏蔽组合体各部分之间的电接触进行合理设计, 保证接触电阻减至最小。设计中, 屏蔽组合体结构的设计可分别采用双层门盖结构、屏蔽盒侧壁装梭形弹簧片结构以及分盖结构等。
其次, 在屏蔽材料设计上, 为增加吸收损耗和反射损耗, 应选用导磁率和导电率均较高的材料。同时, 可将一层高导电率的材料加至于高导磁材料的表面, 起到双重作用, 使电波在空气界面上与屏蔽材料的反射损耗增加, 从而起到更好的抗干扰作用。
最后, 加强设备机箱缝隙的屏蔽效果。屏蔽体上的接缝是影响屏蔽效果的主要因素。设计中, 一方面可将带背胶的铍青铜簧片粘贴于机箱缝隙接合面处, 由于簧片的弹性, 装配后会引发簧片的变形, 使接触面产生一定的压力, 从而在机箱缝隙接合面处形成一定的电气连续性, 从而减小机箱缝隙长度, 加强屏蔽效果。另一方面, 在机箱制作时可采取一定的焊接措施, 使焊缝平滑连续, 尽可能的保证接缝处的射频电阻等同于金属板本身的射频电阻, 从而加强缝隙接合面的电气连续性, 增强屏蔽设计效果。
3.3 滤波设计
滤波设计主要是对沿导线传播的电磁干扰源予以切断的电磁兼容设计方法。设计中, 针对高频电路的干扰, 可采用两个电容器和一个电感器组成的π型滤波器作为滤波形式, 并通过感容和阻容去耦网络隔离开电路与电源, 消除电路之间的耦合, 控制电路中进入干扰信号。同时, 可通过差模滤波单元和共模滤波单元的组合设计, 来实现抑制差模电流和共模电流的目的。其设计原理是可将差模滤波单元和共模滤波单元等效成2阶LC低通滤波单元。滤波电容由于走线导带、自身等效串联电阻ESR等因素的影响, 在高频段由寄生电阻和滤波电容形成零点, 从而降低LC网络对高频段噪声的衰减效果。
3.4 接地设计
接地设计是电子设备抗干扰设计的重要手段。主要包括接地点的设计, 电路组合接地方案的设计和抑制接地干扰措施的设计等等。在接地点的设计上, 若使用单点接地, 会使接地线的长度增加, 进而导致其幅射能力大大增加, 造成干扰。因此, 设计中应采用多点就近接地的方式, 尽量使接地点之间电位差减少, 提高抗干扰效果。在电路组合接地方案的设计上, 应保证接地线与接地面的直流搭接阻抗小于2.5mW, 将设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上, 保证接地线的电气连接可靠性。同时, 对接地面进行处理, 避免氧化、腐蚀, 提高接地效果。
4. 总结
针对电子设备电磁干扰问题的日益突出, 加强电磁兼容设计对保证电子设备的正常运行具有重要的作用。其中, PCB设计、屏蔽设计滤波设计以及接地设计是电子设备电磁兼容设计的重要内容, 各设计工作者应致力于探讨更好的方法来提高电子设备电磁兼容设计的效果。
参考文献
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[2]顾金良, 陈大鹏.军用电子设备电磁兼容设计流程及工程实践[J].仪表技术, 2011 (5)
电动叉车电磁兼容性试验研究 篇11
关键词：电动叉车；电磁兼容性试验；光电信号转换；屏蔽
中图分类号：TM89 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）08-00100-02
随着各种电子设备在工业车辆运行领域内使用的增加，工业车辆的电磁兼容性也越来越引起大家的重视。对于工业车辆的电磁兼容性，不仅要求车辆对于外部电磁场及静电放电要有足够的抗扰度，还要求车辆本身产生的电磁辐射不能超过一定的要求。电动叉车电磁兼容性试验是验证电动叉车是否符合电磁兼容性要求的测试，通过该试验可以很好地检查电动叉车在电磁兼容性上是否存在不足之处，以便针对这些不足采取相应的措施进行改进，使叉车的电磁兼容性能更好地符合相关标准及法律法规的要求。
1 电动叉车电磁兼容性试验
工业车辆中叉车按照动力源主要分为电动叉车和内燃叉车，电动叉车涉及的电气设备要比内燃叉车多，所以电磁兼容方面需要注意的事项也就更多。本文就以电动叉车为例介绍如何进行电磁兼容性试验及如何采取相应的改进措施。
1.1 电磁兼容性试验前准备
通常来说，同一系列叉车都会有多种型号，试验时选取电磁兼容性最差的车型进行测试以覆盖整个系列。 以某系列电动叉车为例，该系列叉车包括了E16C，E16P，E20P三种车型，其中E16C电磁兼容性最差，所以我们选取E16C作为该系列的代表进行电磁兼容性试验。
确定好车型之后，还需要确定随车安装的电气设备。正常情况下，电动叉车进行电磁兼容性试验需要装配的电气设备主要有照明灯、雨刮、空调或者暖气、闪烁警示灯和其他工作灯等。需要特别测试的电气设备，也可一并安装到试验车上进行测试。
1.2 电磁兼容性试验-辐射发射
辐射发射试验需要测试天线水平和垂直两种情况下工业车辆左右两侧的辐射强度。测试需要针对四种情况进行，检查工业车辆在这四种情况下对外发射的电磁辐射是否超过标准的要求，具体如下：
①行驶电机为最大转速的60%～80%之间运行时；
②泵电机为最大转速的60%～80%之间运行时；
③转向电机以最大速度（脉冲控制的按照脉冲控制情况）持续运行时；
④辅助电气设备正常工作时（短时工作的电气设备，如喇叭等除外）。
为了节省时间和费用，可以采用组合方式，将四种情况同时进行测试。当然，四种情况一起测试实际上提高了对叉车电磁兼容性的要求。
仍以某系列的E16C电动叉车为例，辐射发射试验过程中的叉车准备及参数设置如下：
①测试时将叉车支起，驱动轮可以自由转动，叉车速度调整为10 km/h（60%的最大速度）。
②调节泵电机转速为1500转/min（60%的最大转速）。
③转向系统为液压驱动，无需进行测试。
④开通所有的电气设备（中式照明/旋转警示灯/暖气/雨刮）
测试过程中，难免会出现电磁辐射超标的情况；这时就需要根据实际情况采取相应的措施。一般来说，出现电磁辐射超标基本都是在低频段30～75 MHz之间，且辐射超标的正常都是驱动电机或者是油泵电机。针对这种情况，可以采取如下的几种措施进行改进：
①对电机电缆增加屏蔽线或者磁环；
②减小电机电缆的长度；
③加强护顶架和车架的金属连接。
该系列E16C车测试过程也出现了的电磁辐射超标的情况，我们采用第一和第三种方法进行改进。以天线水平时叉车右侧电磁辐射强度的变化为例，改进前后的结果，如图1（a）和图1（b）所示。
改进前，辐射值落在在临界线上，不符合标准要求。改进后的结果远低于标准线，完全符合标准。由此可见，我们采取的改进措施还是非常有效果的。
前面提到的三种整改方法，第一种最简单有效的，而且成本不会很高。第二种不适用于电缆走线和长度已经固定的情况。第三种需要在机械设计上进行改进，操作上有一定难度。具体采取哪种措施，需要根据实际情况进行分析并选择。
1.3 电磁兼容性试验-抗电磁辐射干扰性
工业车辆电磁兼容性试验除了验证辐射发射的强度是否符合标准要求之外，还需要验证工业车辆是否可以抵抗标准规定强度的外界电磁辐射。抗电磁辐射干扰性试验和辐射发射测试条件类似，只是天线的距离由辐射发射的10 m变为3 m，且测试的项目也比辐射发射多一项，具体如下：
①工业车辆处于准备运行但速度为0的情况下，行驶系统的抗电磁干扰性。
②工业车辆为10%～30%最大行驶速度情况下，行驶系统的抗电磁干扰性。
③电机驱动的的载荷装卸系统，在20%～40%最大电机转速情况下，装卸系统的抗电磁干扰性。
④电机驱动的转向系统，在20%～40%最大电机转速情况下，转向系统的抗电磁干扰性。
⑤其他辅助电气系统的抗电磁干扰性。
同辐射发射试验一样，为了节省时间和费用，也可以在组合的工况下测试工业车辆的抗电磁辐射干扰性。另外，为了减少不确定因素的影响，我们提高了场强强度，一般在场强为 36 V/M的情况下进行抗电磁辐射干扰性测试。这样就预留了足够的余量，保证叉车的抗电磁辐射干扰性一定可以满足标准的要求。
同样的以某系列的E16C电动叉车为例，进行抗电磁辐射干扰性试验时，我们将五种工况分成两个组合，一种是1、3、4、5四种工况同时进行，一种是2、3、4、5四种工况同时进行。为了更好地跟踪测试过程中车辆是否出现异常情况，我们制作了一套用于时时监测车辆信息的光电信号转换系统，如图2所示。通过该系统并配合叉车诊断软件，就可以很好的监测试验过程中车辆是否有异常。测试时的系统连接，如图3所示。
就E16C车的抗辐射干扰性测试来说，测试过程中并未出现异常的情况，该车可以符合标准要求。但在平常的测试中，难免会遇到车辆抗干扰性无法达到要求，出现异常的情况，比如速度出现波动且超出允许范围，个别继电器工作异常等。针对这些问题，一般可以采取如下的措施：
①对异常部件，增加抗干扰磁环。
②将易受干扰的电气部件放在金属箱体中。
④选用经过验证，抗干扰等级较高的电气部件。
第一种方法在平常的试验中经常用到，最简单有效。第二种方法需要考虑成本和空间的问题。第三种方法建议最好在设计初期就考虑。具体采用哪种方法，需要工程师根据实际情况来进行合理选择。
1.4 电磁兼容性试验—静电放电
静电放电测试属于抗扰度测试的一部分，测试内容包括接触放电和空气放电。接触放电主要是针对容易接触到的金属部件进行的放电测试，如电门开关、扶手和脚蹬等。空气放电主要是针对容易接触到的塑料和橡胶部件，如仪表盘、各种灯开关和操作手柄等。
仍以某系列的E16C车为例，按照标准要求，需要对叉车进行4 kV的接触放电和8 kV的空气放电测试。为了保留安全裕量，我们按照6 kV的要求来进行接触放电测试，空气放电保持 8 kV。测试是否通过的判断标准是测试过程中叉车是否有危险性的异常动作，是否产生了无法自动恢复的故障或者失效。如果有的话，则试验未通过。暂时性的功能失效，但在重新启动之后又恢复正常的，仍可以判断为符合要求。
2 结 语
电气部件的布置，线束的走向，大电流电缆的长度，护顶架和车架的连接等都会对整车的电磁兼容性产生重要的影响。电磁兼容性试验只是提供了一种验证的方法，对于车辆的电磁兼容，更重要的还是要在设计的初期就予以足够的重视。积累日常工作及试验中的经验，在设计过程中充分考虑电磁兼容的影响，合理布置电气部件和线束，这样才能更好地开发出符合电磁兼容性要求的工业车辆。
参考文献：
[1] GB/T 30031-2013，工业车辆 电磁兼容性[S].
[2] prEN 12895：2013 E Industrial Truck-Electromagnetic compatibility
指挥车方舱电磁兼容设计 篇12
随着当前电子技术的飞速发展,现代的电子设备已经越来越多地应用于人类生活的各个方面。这必然导致其周围空间中产生的电磁场电平的不断增加,电子设备不可避免地必须在日益恶化的电磁环境(EME)中工作。特别在现代战场上,产生电磁辐射的武器系统的激增,造成战场上各军兵种武器系统间电磁干扰(EMI)的可能性不断增大,当两个系统以足够接近的频率和间距运行时,就会出现电磁干扰,其对武器系统性能和可靠性所造成的恶劣影响以及由此而产生的后果是极其严重的,包括信息不准确、无法探测敌方目标、引信过早点火、飞机飞行失控和制导武器失灵等。现代战场指挥系统就包含有大量的电子装备,在指挥车方舱有限的空间,随着电子设备的种类和数量的不断增加,它们所占用的电磁频谱越来越宽,所传输的信息量越来越大,除了电子设备的质量和可靠性,设备的密集所带来设备之间的相互干扰问题也不能忽略,因而车载电子设备之间的EMC问题也越来越突出。这就对现代战场指挥系统的电磁兼容设计提出了更高的要求。电磁兼容设计一方面要保证系统在复杂的电磁环境下甚至在敌人强烈的电磁干扰下正常工作,另一方面又要最大限度的抑制自身对周围环境的电磁辐射,以减少对其他电子设备或系统的影响,同时也防止被敌人发现,提高生存能力[1]。
某型号防空指挥系统是新研制的战场指挥系统,该系统配有雷达以发现目标,各种数据在专用计算机中进行处理,使用跳频电台作为主要通信手段。这些设备都装配在系统的核心部分指挥车方舱中,另外方舱中还装有在线式UPS、柴油发电机等电子设备,在同时开机工作时电磁环境非常复杂,电磁兼容设计显得十分重要。其中跳频电台是该系统的主要通信手段,接受灵敏度高,方舱内其它设备辐射的电磁信号有时会影响电台的正常工作,减小其他设备对其造成的电磁干扰成为方舱电磁兼容设计的核心。
在产品的设计初期,我们就注意了电磁兼容设计。在结构设计上,机箱采用铸铝材料的全密封设计,对各个电器设备之间连接电缆、电源电缆采用了屏蔽措施,并注意屏蔽层接地。尽管如此,但在做电磁兼容测试时,仍然存在着干扰。特别是对电台的干扰,严重影响了电台在最大通信距离上的通信质量。抑制或屏蔽这些电磁辐射,仍是艰巨的任务。
为了从根本上解决上述问题,我们将指挥车方舱置于电磁暗室中,用频谱仪,近场探头等仪器对车上各设备进行了逐个反复试验,认真寻找主要电磁辐射源。经过试验发现专用计算机按程序运行时,雷达开机时,UPS在线工作时都会对周围电磁环境造成干扰。特别是在跳频电台的工作频段上也存在一定的干扰,这将严重影响电台的工作,必须加以解决。
1 用计算机同电台的电磁兼容设计
针对计算机工作时对电台的干扰,我们在电磁暗室中专门对其进行了反复的测试,发现计算机对外电缆的传导是主要的干扰源。为此,结合本型号产品的实际情况决定从解决电缆对外接口的传导干扰入手,重点解决传导干扰,进而隔离辐射干扰。我们给电源插座加磁环,将导线分别同相缠绕此磁环8～10圈,并在每一根导线与机箱之间接一高压电容。专用计算机串行接口、键盘接口等计算机对外接口安装滤波插针,再加适当的磁环,重新布置键盘内走线等措施使各个接口传导干扰泄漏得到抑制。最后,实际对接测试,打开计算机,运行工作程序,对电台没有干扰了。至此,专用计算机和电台之间的电磁兼容问题得到解决。
2 雷达系统和电台的电磁兼容设计
雷达是一部较为复杂的大型电子设备,有信号收发单元,计算机终端设备和天线单元组成,各部分有大量电缆连接,很容易造成干扰的传输[2]。为此,我们先对已采取的众多电磁兼容措施全面认真分析,并进行多次测试,发现:在信号收发单元的高频信号处理电路工作时有高频的干扰产生。在电缆中传输的时钟信号,控制信号,通过雷达系统各单元之间,雷达与平台之间的连接电缆造成辐射。雷达天线上的分频器在天线工作时会向周围空间发射强烈的电磁辐射,而且这些辐射正处在电台的工作频段,对同在舱顶的电台天线造成干扰,严重影响了天线接受的灵敏度。另外,雷达天线与收发单元之间有穿越方舱舱体的电缆,对方舱的整体电磁屏蔽性能造成影响。于是,我们提出了进一步减小辐射强度,改善和加强雷达电磁屏蔽的设计方案。
对各种连接电缆,采取双层屏蔽,重新加工,确保屏蔽层与插头之间连接可靠,电台天线与电台之间的电缆抗辐射能力较差,我们选用了屏蔽效果好的刚性电缆,提高整体屏蔽效果,增强电台防护能力。对信号收发单元采用电源滤波、基准时钟信号滤波,主要输出插座的安装部位增设滤波盒等,消除或者减小辐射强度,并为信号收发单元制作了专门的电磁屏蔽箱体,从整体上提高雷达本身电磁屏蔽效果。对雷达天线上的分频器在结构上进行了处理,壳体进行了除漆,在壳体的连接处加装了导电胶条,很好的防止了电磁信号的泄漏。对穿舱电缆加强屏蔽,在电缆穿舱的开孔处装入电磁屏蔽材料,减小外部对舱内电磁环境的影响。经过测试雷达的干扰有了明显下降。
3 UPS系统和电台的电磁兼容设计
为了保证系统在没有外来电力供应的情况下正常工作,方舱内安装了在线式UPS系统。在系统有外来电力供应时,UPS起到滤波的作用,并自动为电池充电。在系统没有外来电力供应时,UPS的逆变功能利用电池储存的电能为系统供电。我们在电磁暗室中对UPS进行了测试,检测在各种情况下UPS对周围电磁场的影响。发现UPS的整流部分和逆变部分工作时,会对舱内电磁环境产生较大影响。在这种情况下我们对UPS进行了全面的改进,在机箱内部对整流器和逆变器用金属壳体进行了隔离,对其的输出电缆加装了磁环,在机箱对外的插头采用了滤波连接器,为了保证滤波连接器的良好接地还在滤波连接器与机箱面板之间安装电磁密封衬垫。对舱内的供电电缆进行了完全的网状屏蔽保持了电缆良好的柔韧性及抗挠寿命的同时,也最大限度的抑制了电缆的电磁波发射作用。另外电源线也是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。通过电源线,电网上的干扰可以传入设备,干扰设备的正常工作。同样,设备的干扰也可以通过电源线传到电网上,对网上其他设备造成干扰。为了防止这两种情况的发生,最后我们在系统的电源入口处加装了电源滤波器,从而从源头上保证了供电系统的电磁兼容性能。经过上述改进UPS系统的电磁干扰也得到了有效的抑制。
经过艰苦攻关,方舱内其它设备对电台的电磁干扰电平明显下降。我们对电台工作频段的高、中、低段都进行了测试,在系统设备全部开机的情况下,电台在最远通信距离上的通信质量得到很大的改善。电磁兼容基本达到的要求,满足部队使用要求,而且采取的措施能方便的在批量生产中贯彻实施。
电磁兼容问题是一个复杂的系统工程。它要求参与系统的研制与管理人员用系统的观点与方法去研究、分析与设计,针对不同的电子系统进行具体的分析,总结出针对该系统的最有效最合适的EMC方案。由于电子技术的广泛应用,并且各种干扰设备的辐射很复杂,要真正完全消除电磁干扰是不可能完成的任务。但是通过我们的工作表明,根据电磁兼容性的基本原理来采取措施最大限度地减小电磁干扰,可将其控制在系统可容纳的范围之内,从而保证系统或设备良好的电磁兼容性。
参考文献
[1]沙斐.机电一体化的电磁兼容技术[M].北京:中国电力出版社,1999.