李永剛，王 平，李志強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所中國(guó)科學(xué)院航空光學(xué)成像與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

作為最直接的偵察手段之一，機(jī)載光電成像系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、情報(bào)獲取及后勤保障等方面有著廣泛的應(yīng)用。它具有集成化程度高、結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜、高頻信號(hào)與低頻信號(hào)交錯(cuò)、強(qiáng)信號(hào)與弱信號(hào)交叉等特點(diǎn)，在工作中極易作為敏感源而遭受其他設(shè)備的電磁干擾，造成系統(tǒng)性能下降甚至出現(xiàn)故障。同時(shí)也會(huì)作為干擾源產(chǎn)生電磁耦合和電磁輻射，從而對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。電磁兼容設(shè)計(jì)的目的是使所設(shè)計(jì)的設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電磁兼容，從而使設(shè)備或系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作［1－2］。

文獻(xiàn)［3］對(duì)光電成像系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的屏蔽設(shè)計(jì);文獻(xiàn)［4］對(duì)光學(xué)玻璃窗口進(jìn)行了電磁屏蔽設(shè)計(jì);其他相關(guān)文獻(xiàn)［5－9］也報(bào)道了不同領(lǐng)域的電磁干擾或電磁兼容問(wèn)題，對(duì)本文具有一定的參考價(jià)值。但由于機(jī)載光電成像系統(tǒng)自身的特殊性以及苛刻的電磁環(huán)境要求，所以必須有針對(duì)性的采取屏蔽、接地和濾波等技術(shù)措施對(duì)機(jī)載光電成像系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，使機(jī)載光電成像系統(tǒng)能有效較少對(duì)外的電磁輻射，同時(shí)又能抵抗外部電磁干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2 機(jī)載光電成像系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

2.1 屏蔽設(shè)計(jì)

2.1.1 線路板屏蔽

光電成像系統(tǒng)包含了中央控制模塊、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、圖像跟蹤模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊及測(cè)速、測(cè)角單元模塊等。在電磁兼容試驗(yàn)中，各個(gè)模塊會(huì)同時(shí)對(duì)外界環(huán)境產(chǎn)生干擾，同時(shí)內(nèi)部之間也會(huì)相互產(chǎn)生干擾。所以就需要將各個(gè)模塊分別屏蔽，加以良好的接地、濾波，可大大減小光電成像系統(tǒng)干擾外界及相互干擾的幅度。各單元模塊均為鋁合金盒體加蓋板的形式，從屏蔽的角度來(lái)看，各功能模塊事實(shí)上也是一個(gè)屏蔽體，這樣做不僅利于裝配，便于維護(hù)，更重要的是具有雙重屏蔽的效果。圖1為圖像跟蹤模塊的屏蔽單元。

同時(shí)，對(duì)光電成像系統(tǒng)內(nèi)部空間及元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)布局時(shí)，應(yīng)將對(duì)電磁敏感的模塊或元器件盡可能遠(yuǎn)離光學(xué)窗口等孔縫位置，同時(shí)避開(kāi)電磁能量高的地方，這樣有助于提高光電成像系統(tǒng)對(duì)外界電磁輻射干擾的抵抗能力。

圖1 圖像跟蹤模塊的屏蔽單元Fig.1 Shielding of image tracking module

2.1.2 雙絞線

把兩根絕緣的金屬導(dǎo)線按一定規(guī)格互相絞織在一起，形成雙絞線對(duì)，即為雙絞線。采用這種方式能夠有效地降低信號(hào)噪聲干擾的程度，抑制電磁干擾，一方面是因?yàn)殡p絞線的兩根線之間具有很小的回路面積;另一方面，雙絞線上相鄰兩回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向，雙絞線中的一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電磁波會(huì)被另一根線上發(fā)出的電磁波抵消。由于雙絞線傳輸質(zhì)量高，對(duì)視頻信號(hào)幅度的衰減較小，基本能保持原始圖像的亮度和色彩以及實(shí)時(shí)性，圖像信號(hào)基本無(wú)失真。雙絞線分為屏蔽雙絞線與非屏蔽雙絞線，屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁鉑包裹，以減小輻射，屏蔽雙絞線又有兩種，一種是指每條線都有各自的屏蔽層，另一種是在整個(gè)電纜束上有屏蔽裝置，并且兩端都正確接地時(shí)才起作用。

2.1.3 其他屏蔽措施

針對(duì)機(jī)載光電成像系統(tǒng)的電磁屏蔽措施還有孔縫處屏蔽、玻璃窗口屏蔽、線纜屏蔽以及有利于屏蔽的機(jī)械結(jié)構(gòu)等，上述這些措施在文獻(xiàn)［3］中已有闡述，此處不再贅述。

2.2 濾波設(shè)計(jì)

2.2.1 電源濾波

對(duì)電源的濾波，最直接有效地方法就是在開(kāi)關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝電源濾波器。電源濾波器是具有互易性的，所以在實(shí)際應(yīng)用中，電源濾波器既可以濾除電源端口來(lái)自于外界的干擾，也能濾除來(lái)自產(chǎn)品內(nèi)部的騷擾。為達(dá)到有效抑制干擾和騷擾信號(hào)的目的，必須根據(jù)電源濾波器兩端將要連接的干擾與騷擾信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗來(lái)選擇該電源濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

若要電源濾波器起到預(yù)期的作用，就一定要保證干擾信號(hào)或騷擾信號(hào)在電源濾波器電路中傳輸，若存在著高頻的干擾信號(hào)和騷擾信號(hào)越過(guò)電源濾波器的可能性，騷擾信號(hào)越過(guò)電源濾波器繼續(xù)傳播，如圖2(a)所示。如果要使電源濾波器在高頻獲得極佳的濾波性能，就必須解決高頻的輻射騷擾通過(guò)空間與電源輸入線的耦合問(wèn)題。將電源濾波器安裝在屏蔽體的電源線入口處，如圖2(b)所示，可以避免騷擾通過(guò)空間與電源輸入線耦合;或者將電源濾波器前端電源線進(jìn)行屏蔽處理，如圖2(c)所示，以隔斷內(nèi)部騷擾信號(hào)與電源濾波器電源線之間的耦合。

圖2 電源濾波器安裝位置Fig.2 installation location of power filtering

2.2.2 線路板濾波

在實(shí)際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz，甚至超過(guò)1 GHz，既有信號(hào)源，又有供電源，電路錯(cuò)綜復(fù)雜，電磁干擾較大。對(duì)這樣干擾范圍很大的高頻電磁噪聲，可使用穿心電容進(jìn)行有效地濾除。穿心電容自電感比普通電容小得多，自諧振頻率很高，可達(dá)1GHz以上，并且可根據(jù)不同范圍的電磁噪聲進(jìn)行不同容值的選擇，因此可用于高頻濾波。穿心電容直接通過(guò)螺紋安裝在金屬面板上，這樣接地電感更小，基本能消除引線電感的影響;同時(shí)輸入端與輸出端被金屬面板隔離，有效地抑制了高頻信號(hào)耦合。所以穿心電容具有接近理想電容的濾波效果。

由于穿心電容是對(duì)單根導(dǎo)線進(jìn)行濾波，且輸入端和輸出端是不可逆的，所以針對(duì)復(fù)雜交錯(cuò)的線路單元，可通過(guò)選用不同容值的穿心電容進(jìn)行有效濾波。比如一塊線路板，既有信號(hào)源，又有供電源，電路錯(cuò)綜復(fù)雜，電磁干擾較大。一個(gè)有效地解決方法就是將線路板用金屬材料封裝起來(lái)，然后通過(guò)在面板上固定穿心電容來(lái)實(shí)現(xiàn)線路板與外界的導(dǎo)通。根據(jù)線路板上輸入或輸出信號(hào)的類型，選擇不同容值的穿心電容。比如信號(hào)類選擇1000 pF的穿心電容，而電源類要選擇4700 pF的穿心電容。

在用穿心電容對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行濾波時(shí)，首先需要注意的問(wèn)題是安裝與焊接問(wèn)題。穿心電容的核心是陶瓷電容器，一般多呈多層盤狀或管狀。與其他陶瓷物品一樣，陶瓷電容器會(huì)在受到機(jī)械振動(dòng)、集中應(yīng)力、溫度突變和過(guò)高電壓等情況下發(fā)生損壞。所以對(duì)穿心電容的安裝固定及焊接造成很大困難。

2.2.3 濾波電連接器

雖然各個(gè)電路單元都采用了良好的金屬腔體進(jìn)行電磁屏蔽，但是電連接器和線纜作為各電路單元信號(hào)傳輸?shù)慕涌诨蛲ǖ溃姶鸥蓴_既能通過(guò)它們傳導(dǎo)或輻射到設(shè)備內(nèi)部，又可將電磁干擾傳導(dǎo)或輻射到設(shè)備外部。減小電連接器和線纜電磁干擾的一個(gè)有效方法，就是采用濾波電連接器。濾波電連接器主要解決電路單元與輸入、輸出信號(hào)的連接和濾波。濾波電連接器既能像普通電連接器一樣起到傳遞電子信號(hào)的作用，又因增加濾波功能而限制特定頻率段的信號(hào)通過(guò)。通過(guò)合理選擇濾波電連接器，使系統(tǒng)的工作信號(hào)以較小的衰減、甚至無(wú)衰減通過(guò)，同時(shí)將干擾信號(hào)得到有效抑制，從而減少外部環(huán)境與系統(tǒng)間的電磁干擾。

濾波電連接器的每個(gè)插孔中都安裝了插針濾波組件，如圖3所示，其濾波電路由電容、電感(電阻)等無(wú)源元件組合而成。由于濾波電連接器安裝在線纜進(jìn)出金屬腔體的端口處，因此濾波后的線纜不會(huì)再感應(yīng)上干擾信號(hào)。選用濾波電連接器時(shí)，除了在選用普通電連接器時(shí)要考慮的芯數(shù)、安裝、接地等因素外，濾波器的截止頻率也是一個(gè)重要的參數(shù)，并且要以各個(gè)芯線上傳輸頻率最高的信號(hào)為基準(zhǔn)來(lái)確定截止頻率。

圖3 矩形濾波插頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Rectangular filter plug structure diagram

2.3 接地設(shè)計(jì)

接地是抑制電路干擾的一種重要手段。系統(tǒng)中的接地通常分為安全接地和信號(hào)接地。安全接地就是采用低阻抗的導(dǎo)體將用電設(shè)備的外殼連接到大地上，使操作人員不致因?yàn)樵O(shè)備外殼漏電或故障放電而發(fā)生觸電危險(xiǎn)，而信號(hào)接地的目的除了保證工作安全外，更為重要的是為設(shè)備內(nèi)部提供一個(gè)作為電位基準(zhǔn)的理想導(dǎo)體作為接地面，以保證設(shè)備的工作穩(wěn)定。信號(hào)接地可大致分為兩種:單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。

2.3.1 單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地指的是子系統(tǒng)的地回路僅與該子系統(tǒng)內(nèi)的單點(diǎn)相連。一般僅適合低頻子系統(tǒng)。工作頻率小于1 MHz的低頻電路受電感影響小，受地環(huán)路電流影響大，應(yīng)采用單點(diǎn)接地;多個(gè)電路的單點(diǎn)接地方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，如圖4所示。串聯(lián)單點(diǎn)接地優(yōu)點(diǎn)是接地導(dǎo)線少，接地結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以適用于相互干擾較少的電路。因此多個(gè)單元電路組成的多級(jí)電路采用串聯(lián)單點(diǎn)接地的方式，接地點(diǎn)應(yīng)選在低電平電路的輸入端，使其最接近參考地。并聯(lián)單點(diǎn)接地結(jié)構(gòu)能夠徹底消除電路之間的影響，適用于相互干擾較多的低頻電路，缺點(diǎn)是接地導(dǎo)線過(guò)多，十分繁雜。在實(shí)際應(yīng)用中，按照工作特性將電路進(jìn)行分類，如將光電成像系統(tǒng)中的電路分為模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、弱信號(hào)、強(qiáng)信號(hào)等，它們之間不易發(fā)生或引起電磁干擾的電路放在同一類，容易發(fā)生或引起電磁干擾的電路放在不同類。根據(jù)串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地的特點(diǎn)，在相同類型電路內(nèi)部采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，在不同類型的電路間采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，避免相互之間干擾。

圖4 單點(diǎn)接地Fig.4 single point grounding

2.3.2 多點(diǎn)接地

由于高頻信號(hào)電路在接地阻抗上起主導(dǎo)作用的是電感，為了降低地線阻抗，就需在高頻端使用多點(diǎn)接地方式，如圖5所示。由于接地引線的感抗與頻率和長(zhǎng)度成正比，所以工作頻率增高就意味著增加共地阻抗，而增大共地阻抗就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，所以地線的長(zhǎng)度應(yīng)該盡可能短而粗，以達(dá)到降低地線阻抗的效果。接地電阻值盡可能低且一致。由于趨膚效應(yīng)，高頻電流只流經(jīng)導(dǎo)體表面，此時(shí)若要降低地線阻抗，一般會(huì)采取地線排鍍銀的方式。

圖5 多點(diǎn)接地Fig.5 Multi point grounding

然而多點(diǎn)接地會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)多個(gè)地線回路，電流通過(guò)地線回路將可能會(huì)對(duì)低電平電路產(chǎn)生干擾，帶來(lái)不良影響，從而造成地環(huán)路干擾。多點(diǎn)接地優(yōu)于單點(diǎn)接地的原因是連接導(dǎo)線的長(zhǎng)度可能較短，這樣就能有一個(gè)較近的接地點(diǎn)。數(shù)字電路本質(zhì)上具有抗外部噪聲的性能，但是它們對(duì)內(nèi)部噪聲相當(dāng)敏感。為了使這種共阻抗耦合最小，數(shù)字系統(tǒng)中的接地系統(tǒng)趨向于多點(diǎn)接地，采用大的接地平面，如在PCB內(nèi)層設(shè)置接地面或者諸如接地網(wǎng)等大量交替的接地路徑并聯(lián)放置，從而降低回路的阻抗。

3 電磁兼容實(shí)驗(yàn)

3.1 電源線傳導(dǎo)發(fā)射(CE102)實(shí)驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)EMC試驗(yàn)室里，對(duì)沒(méi)有采取電磁兼容措施的機(jī)載光電成像系統(tǒng)進(jìn)行了10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試。發(fā)現(xiàn)在0.5～4 MHz區(qū)段傳導(dǎo)發(fā)射值超標(biāo)較嚴(yán)重。

當(dāng)不采用任何措施時(shí)，機(jī)載光電成像系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射值最高約為85 dBμV，如圖6(a)所示;對(duì)電源板采用金屬屏蔽體設(shè)計(jì)，電源端口用電源濾波器做了濾波處理，并且將電源濾波器移至電源線入口處，再進(jìn)行測(cè)試，機(jī)載光電成像系統(tǒng)的輻射值最高為50 dBμV，如圖6(b)所示。傳導(dǎo)發(fā)射值降低了35dBμV以上。

圖6 10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射掃描結(jié)果Fig.6 scanning result of conducted emission in 10 kHz～10 MHz

3.2 電場(chǎng)輻射發(fā)射(RE102)實(shí)驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)EMC試驗(yàn)室里，對(duì)沒(méi)有采取電磁兼容措施的機(jī)載光電成像系統(tǒng)進(jìn)行了10 kHz～18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試。發(fā)現(xiàn)在80～200 MHz區(qū)段超標(biāo)比較嚴(yán)重，并且垂直極化超標(biāo)量值遠(yuǎn)大于水平極化超標(biāo)量值。其垂直極化測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。當(dāng)不采用任何措施時(shí)，機(jī)載光電成像系統(tǒng)的輻射值最高約為50 dBμV/m，如圖7(a)所示;采取屏蔽、接地、濾波等措施后，機(jī)載光電成像系統(tǒng)的輻射值最高為23 dBμV/m，如圖7(b)所示。電場(chǎng)輻射發(fā)射的輻射值降低約27 dBμV/m。

圖7 30 MHz～200 MHz垂直極化掃描結(jié)果Fig.7 scanning result of vertical polarization test in 30 MHz～200 MHz

另外，在進(jìn)行 CS101、CS114、CS115、CS116、RS103等項(xiàng)目的測(cè)試中，經(jīng)過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果均取得了較好的效果。

4 結(jié)論

機(jī)載光電成像系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的光－機(jī)－電一體化集成系統(tǒng)，采取屏蔽、濾波、接地等多種技術(shù)措施，對(duì)敏感單元部件進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，并對(duì)電源線傳導(dǎo)發(fā)射和電場(chǎng)輻射發(fā)射進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。其電源線傳導(dǎo)發(fā)射值降低了35 dBμV以上，電場(chǎng)輻射發(fā)射的輻射值降低了約27 dBμV/m。當(dāng)然，解決好各個(gè)子系統(tǒng)的電磁兼容性并不能完全解決機(jī)載光電成像系統(tǒng)的電磁兼容性。因?yàn)楦鱾€(gè)子系統(tǒng)在相互交聯(lián)的過(guò)程中也難免會(huì)出現(xiàn)電磁干擾。但采取先分割后整合的解決思路，可有效地將電磁干擾控制到系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容性。

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