陸 晨 陸艷艷

（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100141）

1 引言

機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)與機(jī)動天饋系統(tǒng)及配屬輔助設(shè)備一起，構(gòu)成甚低頻機(jī)動通信系統(tǒng)，可在固定臺站出現(xiàn)問題時接替其工作，快速、機(jī)動地完成發(fā)信任務(wù)。 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)動的目的，發(fā)射機(jī)集成在便于公路機(jī)動的方艙內(nèi)，空間狹小，設(shè)備集成密度很高。 同時，由于發(fā)射機(jī)輸出功率達(dá)到幾百千瓦 （天線調(diào)諧電路末端輸出電壓在100kV以上，輸出電流在200A 以上），其自身會產(chǎn)生很大的電磁能量，而且發(fā)射機(jī)在工作時與天線距離很近，發(fā)射機(jī)周邊的電磁場場強(qiáng)很大。 如果發(fā)射機(jī)沒有良好的電磁兼容性，會造成采集、 傳輸數(shù)據(jù)錯誤， 從而引起對設(shè)備的控制失誤，嚴(yán)重時甚至?xí)斐稍O(shè)備損壞和人員傷亡。 因此，控制電磁干擾影響， 實(shí)現(xiàn)機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)整體電磁兼容性，成為發(fā)射機(jī)穩(wěn)定可靠工作的決定因素之一。

2 機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)組成介紹

機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)由功放方艙和調(diào)諧方艙構(gòu)成。 功放方艙內(nèi)包括綜合顯示控制子系統(tǒng)、功放子系統(tǒng)、電控子系統(tǒng)、現(xiàn)場總線子系統(tǒng)、電源分配子系統(tǒng)、隨車假負(fù)載和發(fā)信控制終端等。 調(diào)諧方艙內(nèi)包括調(diào)諧電路子系統(tǒng)、調(diào)諧控制子系統(tǒng)及視頻監(jiān)控裝置等。 兩個方艙通過現(xiàn)場總線子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)電磁干擾特點(diǎn)

電磁干擾（EMI）實(shí)際上就是電子設(shè)備產(chǎn)生的連續(xù)、隨機(jī)和周期性的電噪聲。 為了進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，必須對機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理和干擾路徑進(jìn)行科學(xué)的分析，找出特點(diǎn)和重點(diǎn)，以確定合理的方法和手段并設(shè)計(jì)出電磁兼容的系統(tǒng)[1]。

3.1 電磁干擾路徑

典型的電磁干擾路徑必須具備三個要素：噪聲源、對噪聲敏感的接收器和將噪聲從源頭傳送到接收器的耦合路徑。 只有這三個要素全部具備， 才會產(chǎn)生電磁干擾問題。 若能夠?qū)崿F(xiàn)以下三項(xiàng)中的任何一項(xiàng)或多項(xiàng)，就可以有效切斷電磁干擾路徑，包括：①在噪聲源頭對噪聲進(jìn)行抑制；②降低敏感電路對噪聲的敏感程度；③減少通過耦合路徑傳輸?shù)脑肼暣笮　?/p>

3.2 機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理

機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)主要功能是將外部電網(wǎng)提供的電能轉(zhuǎn)化為射頻電磁能量，與輻射體（天線）阻抗匹配后，將射頻電磁能量以電磁波形式傳輸?shù)阶杂煽臻g中。主要的噪聲源包括： ①發(fā)射機(jī)本身產(chǎn)生的大功率射頻電磁能量；②大功率整流設(shè)備在電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波；③天線輻射出的近場電磁波能量。

發(fā)射機(jī)中有大量低電壓模擬、 數(shù)字信號電路和小信號數(shù)據(jù)傳輸線路，這些電路和線路對電磁干擾都很敏感。發(fā)射機(jī)中的敏感電路主要是各種小功率電子設(shè)備、 數(shù)據(jù)采樣裝置、模擬弱信號取樣裝置、高速小信號數(shù)據(jù)傳輸線路等。

通過電場（容性）或磁場（感性），發(fā)射機(jī)中的干擾源將能量傳送到其它電路中。 發(fā)射機(jī)中從源頭傳送到接收器的耦合路徑主要有磁場耦合路徑、 電場耦合路徑和共阻抗耦合路徑。 其中，由于發(fā)射機(jī)工作頻率較低、電流較大，特別需要注意磁場耦合。

3.3 機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)電磁干擾特點(diǎn)

綜合來看，與一般電子系統(tǒng)在電磁干擾方面相比，機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)有以下一些特點(diǎn)： ①在工作時必然產(chǎn)生較大的射頻電磁能量， 造成對自身設(shè)備的電磁干擾；②工作頻率較低、電流較大，需要特別注意低頻磁場耦合造成的影響；③由于只有唯一的供電輸入，大功率設(shè)備工作時產(chǎn)生的電網(wǎng)波動和諧波對發(fā)射機(jī)中所有用電設(shè)備均會產(chǎn)生影響；④設(shè)備集成密度高，大功率設(shè)備與小功率設(shè)備、強(qiáng)信號傳輸線纜與弱信號傳輸線纜混雜在一起，信號串?dāng)_嚴(yán)重； ⑤發(fā)射機(jī)控制及操作地點(diǎn)位于大功率設(shè)備方艙中，要注意對人員的電磁安全防護(hù)；⑥由于配接的天線高度較高、體積較大，從天線引入雷電放電電流可能性較一般系統(tǒng)高， 且引入的電流強(qiáng)度較大； ⑦為便于機(jī)動，無法配備良好的接地設(shè)施。

4 機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)

為了抑制各種電磁干擾對發(fā)射機(jī)中設(shè)備的影響，電磁兼容設(shè)計(jì)工作主要在方艙、供電、信號連接線纜、防浪涌、濾波、接地等設(shè)計(jì)方面開展。 設(shè)計(jì)的原則是：①盡可能抑制干擾源產(chǎn)生的能量；②盡量降低敏感電路的敏感度；③隔離切斷耦合傳輸路徑。

4.1 機(jī)動方艙電磁兼容設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)工作時自身產(chǎn)生的大功率射頻電磁能量和天線輻射出的電磁波都會對周邊電子設(shè)備造成干擾。 為了降低這兩方面的干擾影響， 最有效的方法是對發(fā)射機(jī)進(jìn)行屏蔽， 這既可抑制發(fā)射機(jī)自身產(chǎn)生的干擾又可抑制天線輻射對發(fā)射機(jī)內(nèi)設(shè)備的干擾。

由于本發(fā)射機(jī)工作頻率較低， 發(fā)射機(jī)內(nèi)部和天線附件的電、磁場均為近場，在考慮屏蔽措施時需將電場和磁場分開考慮。 而且發(fā)射機(jī)工作時電流較大，近場的波阻抗較小，所以對低頻磁場的屏蔽成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。 對于低頻磁場，一般使用鐵磁材料（如鐵或?qū)Т怕矢叩暮辖穑捎诎l(fā)射機(jī)工作頻率比較特殊， 在此處使用鐵作為屏蔽材料會因?yàn)闇u流效應(yīng)使鐵加熱，引入很大損耗。 若只使用鋁作為屏蔽材料，則需要屏蔽層厚度較厚，這樣會明顯增加發(fā)射機(jī)的重量。 因此在本發(fā)射機(jī)的屏蔽方式上不能采用傳統(tǒng)高頻系統(tǒng)的屏蔽方式， 而是需要采用較為特殊方式才能達(dá)到較好的屏蔽效果。 在此，我們設(shè)計(jì)了1mm 厚的銅板為內(nèi)屏蔽體，2.5mm 厚的鋁材為外屏蔽體的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。

屏蔽體對磁場或電場的總屏蔽效能約為：

其中A 為吸收損耗，R 為反射損耗，B 為薄屏蔽體中多次反射的校正因數(shù)。 1mm 厚的銅板，相對磁導(dǎo)率為1，相對電導(dǎo)率為0.35，在15kHz 時吸收損耗為：

假設(shè)發(fā)射機(jī)內(nèi)部的干擾源與屏蔽體相距30cm 以上，則磁場反射損耗為：

因?yàn)槲論p耗大于9dB， 多次反射的校正因數(shù)可以忽略不計(jì)， 所以銅屏蔽體對發(fā)射機(jī)內(nèi)部磁場總屏蔽效果為：

外層2.5mm 厚的鋁屏蔽體對磁場的總屏蔽效能按計(jì)算約為75dB。在具體設(shè)計(jì)時由于孔洞的存在，屏蔽效能將有一定程度的下降。 但即使如此，雙層屏蔽方艙對磁場的總屏蔽效能也可以達(dá)到60dB 以上，這樣可以有效抑制發(fā)射機(jī)內(nèi)部磁場對外部設(shè)備的干擾， 同時抑制天線輻射磁場（近場）對方艙內(nèi)部設(shè)備的電磁干擾。

由于使用了銅、鋁這樣的良好導(dǎo)體材料作屏蔽體，所以對電場干擾的反射損耗很大。 以銅導(dǎo)體為例，相對磁導(dǎo)率為1， 相對電導(dǎo)率為0.35， 與屏蔽體相距30cm，在15kHz 時反射損耗為：

因此方艙對電場屏蔽效能很好， 可以有效抑制發(fā)射機(jī)內(nèi)部電場對外部設(shè)備的干擾， 同時抑制天線輻射電場（近場）對方艙內(nèi)部設(shè)備的電場干擾。

4.2 設(shè)備供電電磁兼容設(shè)計(jì)

機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)的供電為外部輸入的交流380V/50Hz（三相四線制），發(fā)射機(jī)中的大功率設(shè)備、控制設(shè)備、照明、排風(fēng)扇、空調(diào)及采集檢測裝置都使用此交流電源[2]。 大功率整流裝置工作時，會造成交流供電線路上有很大的高次諧波電流， 會對其它小功率用電器和裝置造成很大的影響。 發(fā)射機(jī)供電電磁兼容設(shè)計(jì)時，我們將大功率設(shè)備與其它用電器的走線分隔開來，并在控制設(shè)備、采集檢測裝置等的電源輸入端安裝隔離變壓器， 使這些設(shè)備與供電輸入實(shí)現(xiàn)電氣隔離， 有效抑制了高次諧波電流干擾和低頻段共模干擾。

圖1 隔離變壓器示意圖

4.3 濾波設(shè)計(jì)

在設(shè)備供電隔離變壓器的輸出端， 安裝了電源濾波器，用于濾除電源中感應(yīng)到的射頻干擾等。 在照明設(shè)備、排風(fēng)設(shè)備上加裝高頻濾波器，濾除射頻干擾。 進(jìn)出方艙的信號電纜全部在信號穿艙轉(zhuǎn)接板處進(jìn)行濾波處理， 防止將干擾通過信號線帶入/帶出方艙。 所有機(jī)柜、控制臺、設(shè)備均安裝必要的電源濾波器， 并對機(jī)殼的接地統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)劃和要求。 這些設(shè)計(jì)措施可有效抑制通過電源、電纜傳導(dǎo)的電磁干擾。

4.4 信號連接線纜電磁兼容設(shè)計(jì)

由于光纖具有抗電磁干擾的先天優(yōu)勢， 所以非常適合在大功率發(fā)射機(jī)中應(yīng)用。 本發(fā)射機(jī)中對功放控制、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的主干線路、 功放方艙與調(diào)諧方艙之間的數(shù)據(jù)鏈路都是通過光纖實(shí)現(xiàn)的。 對于近距離數(shù)據(jù)傳輸，使用屏蔽雙絞線，但為了避免構(gòu)成地環(huán)路，一般使用單端接地方式。 在布置線纜時，全盤考慮所有供電、信號傳輸、機(jī)構(gòu)控制等電纜，將其按信號電壓高低、傳輸電流大小、信號速率快慢等分為多類，各類線纜在布線時避免混在一起。

4.5 模擬采樣信號電磁兼容設(shè)計(jì)

在發(fā)射機(jī)中有許多信號采集裝置對發(fā)射機(jī)工作參數(shù)（如電流、電壓等）進(jìn)行采集，這些裝置獲得的信號有很大部分是較弱的模擬信號[3]。 如果在強(qiáng)電磁環(huán)境下（如調(diào)諧主電路附近）傳輸這些信號，會對信號產(chǎn)生嚴(yán)重干擾從而造成信號嚴(yán)重失真。 因此在設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)模擬弱信號采集裝置電磁兼容時， 我們對需要長距離傳輸?shù)哪M弱信號進(jìn)行了V/F-F/V 轉(zhuǎn)換，并使用光纖作為傳輸線路。

4.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和開關(guān)量檢測裝置電磁兼容設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)中有大量的電控開關(guān)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 這些機(jī)構(gòu)若受到干擾將會引起發(fā)射機(jī)誤動作。 在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁兼容設(shè)計(jì)時，綜合考慮價格、實(shí)現(xiàn)難度等因素后，確定使用高控制電壓的方法。 高的控制電壓可以有效降低器件對電磁干擾的敏感度。

發(fā)射機(jī)中還有大量的狀態(tài)開關(guān)量信號， 在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時，將開關(guān)量的檢測電路設(shè)計(jì)成電流環(huán)方式，這樣可有效降低電路對電磁干擾的敏感度。

4.7 防浪涌設(shè)計(jì)

由于發(fā)射機(jī)中的設(shè)備都裝在屏蔽方艙中， 所以浪涌主要集中在電源輸入端、 調(diào)諧輸出端及信號電纜輸入/輸出端。 在設(shè)計(jì)電源分配子系統(tǒng)時， 安裝了電源防雷保護(hù)器，避免電源線遭雷擊時造成設(shè)備損壞。 在調(diào)諧方艙輸出端，為防止天線引入的雷擊電流導(dǎo)致發(fā)射機(jī)設(shè)備損壞，安裝了放電球并且在調(diào)諧主電路中設(shè)計(jì)了雷電泄放線圈，用于對雷電電流進(jìn)行泄放。 為了防止殘余的雷電電流和電壓損壞功放，在功放的輸出端安裝了氧化鋅避雷器，這樣的逐級防雷電措施可以保護(hù)發(fā)射機(jī)中設(shè)備不被雷電損壞。 信號電纜引入的浪涌主要是雷電電磁脈沖在電纜上感應(yīng)產(chǎn)生的高壓污染， 防浪涌設(shè)計(jì)時在信號電纜輸入/輸出的穿艙轉(zhuǎn)接板處設(shè)計(jì)了瞬態(tài)抑制電路， 防止雷電感應(yīng)引起的浪涌進(jìn)入發(fā)射機(jī)中。

4.8 接地設(shè)計(jì)

屏蔽方艙內(nèi)覆蓋了良好電連接的銅板， 這就使方艙成為一個等勢體， 并且可為發(fā)射機(jī)中設(shè)備提供一個低阻抗的接地平面。 由于發(fā)射機(jī)中大功率射頻電流也要流過部分地平面，所以產(chǎn)生IR 壓降，造成發(fā)射機(jī)地平面各處之間存在地點(diǎn)位差。 接地設(shè)計(jì)時的重點(diǎn)就是有選擇性地對設(shè)備地線進(jìn)行分組， 確保噪聲水平相差較大的電路不會共享同一回流區(qū)域。

5 工程實(shí)現(xiàn)

電磁兼容是設(shè)計(jì)出來的， 但所有設(shè)計(jì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的性能必須依靠工程實(shí)現(xiàn)來保證。

5.1 方艙電磁屏蔽實(shí)現(xiàn)

方艙由內(nèi)部銅屏蔽體和外部鋁屏蔽體構(gòu)成。 內(nèi)部的銅屏蔽體起到對低頻電、磁場主要屏蔽作用，屏蔽體整體需保證具有良好的電連續(xù)性。 若在各銅板的接縫處采用填充導(dǎo)電襯墊的方式，由于板材長度較長，各處承受的壓力不均勻，無法保證接縫處的良好電連續(xù)性。 因此在制作方艙銅屏蔽體時， 我們在銅板接縫處采用了重疊層壓方式并使用高頻焊接，使各銅板完全融為一個整體。 這樣既保證了屏蔽體良好的點(diǎn)連續(xù)性， 又滿足了屏蔽體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

在功放方艙銅屏蔽體的1/4 處制作了屏蔽隔斷，將功放方艙分隔為完全獨(dú)立的兩個屏蔽艙室。

5.2 發(fā)射機(jī)內(nèi)設(shè)備的布局

發(fā)射機(jī)內(nèi)設(shè)備的布局對電磁兼容有很大的影響，如將高集成密度的大功率設(shè)備與小功率設(shè)備混雜在一起，會造成設(shè)備間嚴(yán)重的電磁兼容問題， 此時能夠解決這些問題的手段極其有限且效果不佳。 解決高集成密度系統(tǒng)的較好方法是在設(shè)備布局上將不同功能、不同功率等級、不同電壓和電流等級的設(shè)備進(jìn)行分組， 差別較大的分組盡量從空間和距離上分開布置。 這樣通過空間隔離的方法可以獲得較好的電磁兼容性能， 并且方便合理地規(guī)劃系統(tǒng)整體接地方式。

5.3 電纜布線及安裝

發(fā)射機(jī)中需要敷設(shè)大量的電纜， 這些電纜有供電電纜、大電流射頻電纜、設(shè)備控制信號電纜、網(wǎng)絡(luò)傳輸電纜、數(shù)據(jù)傳輸電纜、狀態(tài)信號采集傳輸電纜等。 這些電纜傳輸?shù)男盘栯妷簭膸资Х綆缀练?電流從幾百安到幾毫安，頻率從直流到幾十兆赫茲。 若在布線時不對這些線纜進(jìn)行特殊規(guī)劃和處理，通過電纜間的容性或感性耦合，會在線纜間造成嚴(yán)重的信號串?dāng)_， 影響發(fā)射機(jī)工作的可靠性。

為消除信號間的串?dāng)_， 在發(fā)射機(jī)設(shè)備合理布局的基礎(chǔ)上，再按傳輸?shù)碾娏?、電壓、信號頻率等對電纜進(jìn)行分組。 在線纜布置時，不同組的電纜不能混在一起，信號差別越大的電纜組越需要從空間上盡量隔離開。 以放在操作室中的設(shè)備柜的布線為例， 柜中各設(shè)備的電源電纜沿機(jī)柜左側(cè)敷設(shè)，數(shù)據(jù)傳輸電纜則右側(cè)敷設(shè)，模擬信號則沿機(jī)柜中間敷設(shè)，這樣可以有效降低線纜間的相互串?dāng)_。 在方艙中，對于電力、照明及與電網(wǎng)有聯(lián)系的控制電纜，盡可能靠近方艙壁敷設(shè)； 大電流射頻電纜與其它電纜盡量遠(yuǎn)離；弱信號數(shù)據(jù)傳輸電纜均使用穿管方式敷設(shè)。

6 結(jié)語

機(jī)動大功率甚低頻發(fā)射機(jī)的設(shè)備集成密度高， 電磁環(huán)境復(fù)雜。 復(fù)雜的電磁環(huán)境可能造成發(fā)射機(jī)中設(shè)備、裝置誤動作，影響工作的可靠性。 因此研究發(fā)射機(jī)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，總結(jié)電磁兼容設(shè)計(jì)方法及工程實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，可以提高今后在新項(xiàng)目的論證、研制、安裝和使用過程中解決電磁兼容問題的能力。

［1］（美）奧特（Ott，H.W.）.電子系統(tǒng)中噪聲的抑制與衰減技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:113-131.

［2］Henry W. Ott，Electromagnetic compatibility engineering.John Wiley&Sons Inc.，Hoboken，New Jersey，2009:492-520.

［3］Arthur D. Watt，VLF Radio engineering.Pergamon Press Ltd.，London，1967:65-100.