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EMC测试设备—军用电子设备试验标准

国产电磁兼容仪器设备

20年来军用电子设备电磁工作环境兼容性越来越受到重视EMC不仅温度湿度振动平行成为评估军用设备环境适应性重要指标而且对于一些军用电子设备来说电磁兼容所有环境要求中最重要的位置是因为现代军用设备电子化程度大大提高后,军用电子设备的功率谱和频率继续延伸高端低端军用电子设备海洋陆地空气平台上的安装密度显著增加导致电子设备之间电磁干扰EMI)问题越来越突出因此要求军用电子设备具有规定电磁兼容性已成为设备设计生产使用各方共识

为了评估军用电子设备EMC性能,几乎所有军用电子设备需要通过国家军用标准规定电磁兼容试验因此近年来军用电子设备电磁兼容试验标准标准技术引起前所未有关注

其他环境条件评估要求不同电磁兼容性的检查不仅评估设备电磁环境适应性还要评估设备存在是否导致不利于容纳其他设备正常运行电磁环境因此电磁兼容试验一种双向试验测试设备(EUT)必须同时满足外部电磁干扰和非外部电磁干扰标准由于电磁信号可以通过电路传输空间辐射产生效应因此为了使军用电子设备电磁兼容试验达到标准必须设备电子电气系统机械结构系统采取协调措施这些因素决定电磁兼容试验其他常规环境试验复杂,更难达到标准

对于从事军用电子设备电磁兼容设计测试人员除了掌握设备相关专业知识必不可少电磁学电子学电工学材料科学结构设计基础知识外,还必须熟悉电磁兼容性测试军事标准尽可能详细了解测试物理含义要求

围绕GJB151A.97标准主要规定结合十多年从事电磁兼容设计试验军用电子设备各种安装平台上的实践提供一些实用技术经验有利于使试验项目达到标准


一.GJB151A197标准简介

GJB151A.97标准称为军用设备分系统电磁发射敏感性要求,是我国军用电子电气机电设备分系统开发订购国家军用标准规定军用设备必须满足EMC要求标准国防科技工业委员会批准,于1997年5月23发布,自199712月1日起实施GJB152A-97标准[2]军用设备分系统电磁发射敏感性测量规定了GJB151A-97标准测试指标测量方法。

GJB151A-97标准前身1986发布的GJB151A-86标准新标准参照国外军标(主要是美国军标MIL)修订了旧标准,对一些指标提出了更严格要求

军用电子设备EMC试验包括以下19项:

  • 传导发射CE10125Hz~10kHz电源线

  • 传导发射CE10210kHz~10mHz电源线

  • ce10610kHz~40gHz天线端子传导发射

  • 传导发射CE107电源线尖峰信号(时域)

  • cs10125Hz~50kHz电源线传导敏感性

  • cs10315kHz~10gHz天线端子互调传导敏感性

  • 无用信号抑制CS10425Hz~20GHz天线端子传导敏感性

  • CS10525Hz~20GHz天线端子交调传导敏感性

  • ·CS106电源线尖峰信号传输敏感性

  • ·CS10950Hz~100kHz壳体电流传导敏感性

  • 传导敏感性注入CS11410kHz~400mHz电缆

  • 脉冲激励传导敏感性注入CS115电缆

  • ·CS11610kHz~100mHz电缆电源线阻尼正弦瞬变传导敏感性

  • REIO125Hz~100kHz磁场辐射发射

  • RE10210kHz~18gHz电场辐射发射

  • RE10310kHz~40gHz天线谐波乱真输出辐射发射

  • RSIO125Hz~100kHz磁场辐射敏感性

  • RS10310kHz40gHz电场辐射敏感性

  • RS105瞬变电磁场辐射敏感性

对于各种不同军事安装平台上述19EMC试验并非全部必要所谓军事安装平台分为9类:水面船舶潜艇陆军飞机包括航线安全设备)、海军飞机空军飞机空间系统包括运载火箭)、陆军地面海军地面空军地面在GJB151A-97标准中,规定每个平台适用性

对于需要EMC测试军用电子设备,CE102.CSIO1.CS114.RE102.RS103通常是所有测试项目中最重要的项目对于装载船舶飞机上设备,通常需要CE101.CS115.CS116.RE101.RS101中的一些项目以及上述5个项目,通常需要在7到9个项目之间进行测试,其余项目订单单位根据相关规范确定是否需要进行测试


二.军用电子设备EMC特点设计对策

一般军用电子设备或非电子军用设备相比军用电子设备电磁兼容具有以下特点

1.安装密度高。考虑到战术技术军用电子设备安装非常紧凑大量功能各异军用电子设备密集狭窄空间内,使得设备间的电磁干扰问题尤为突出

2.强弱信号共存几乎所有种类军用电子设备必须同时处理各种不同强度信号强信号干扰外部设备,弱信号对外部干扰非常敏感

3.频谱分布广泛军用电子设备充分利用频率资源占用直流微波各个频带雷达部分设备脉冲模式工作覆盖频率范围广,对周围设备造成强烈干扰

4.共用电源地线安装平台上的大量军用电子设备通常共用电源备份电源共用地线使电源耦合地线耦合引起相互干扰不容忽视

5.设备机电结构旋转空间小。军用电子设备结构坚固设备内部冗余空间小。如果EMC设计后期得到加强,往往会与设备原有机械结构电气布局发生冲突难以考虑方面战术技术性能指标

由于上述特点军用电子设备EMC设计普通电子设备更加复杂困难电磁兼容试验更难达到标准

为了设计符合GJB151A.97电磁兼容标准军用电子设备首先要遵循一般EMC设计原则然后此基础上加强EMC措施特别电源底盘屏蔽电路设计接地质量


2.1 电源和EMC的关系

在GJB151A.97标准中,CE101、CE102、CE107、CS101、CS106这5项是直接与电源有关的,CS114、CS115和CS116这3项与电源电缆有关,其余辐射发射和敏感度的项目间接与电源有关。因此可以说,军工电子设备的EMC设计,第1步要做好的就是设备电源的EMC设计。

2.1.1电源EMC设计的主要对策

       (1)电源输入端的电磁屏蔽和电源线滤波。电源线一进入机箱就要直接连接到电源滤波器上,或者采用输入端兼做电源插座的电源滤波器。电源滤波器的安装很有讲究,滤波器的输出线要远离输入线,金属外壳要大面积接地。如果把进出滤波器的电源线捆扎在一起,这个滤波器就几乎等于没用。

(2)使用隔离变压器。如果采用交流电源,在成本和安装条件许可的情况下,最好使用隔离变压器。最简单的隔离变压器是在初次级间有屏蔽隔离层的电源变压器,这种变压器能够起到安全防护、变压、隔离地线环流、提高共模干扰抑制能力等多种作用,而且其滤波特性能够和电源滤波器互补。

  (3)合理设计二次电源。设备的二次电源有开关电源和线性电源2种。虽然开关电源对外来干扰有一定的抑制能力,但不少开关电源对外的辐射发射和传导发射过大,致使在EMC试验时,能通过敏感度项目却通不过发射项目。因此,在低功耗电路中,如可不用开关电源就尽量不用,选用线性稳压器可避免产生对外干扰。 

(4)电源的整体屏蔽。鉴于电源部分在电子设备EMC性能方面的重要性,还可以在屏蔽机箱内部把电源部分整体再屏蔽在另一个与其它部分隔离的空间内,形成对电源的整体屏蔽。


2.2 机箱电磁屏蔽

机箱电磁屏蔽是防止空间电磁辐射最基本也是最有效的办法,在GJB151A.97标准中,RE101、RE102、RS101、RS103、RS105这5项与机箱的屏蔽直接有关,其余与电缆有关的项目也间接与机箱屏蔽有关,因为电缆是要通过机箱进出的。


2.2.1 设计屏蔽机箱的几点原则

(1)保证屏蔽层的导电连续性。理论分析和EMC试验都证明,电磁屏蔽体上的细长缝隙将使屏蔽效果大打折扣。因此,机箱结构上的所有外部缝隙都要实现连续且有良好的导电接触。而对于直径小于屏蔽机箱厚度的小孔,一般不必担心影响EMC效果。

(2)妥善处理机箱的各种开口。机箱开口主要用来安装开关、按钮、指示灯与显示屏等。开口较大时,如果难以在所安装器件的前面采取屏蔽措施,也要在器件的后面加装屏蔽层(后置屏蔽法),并对穿过屏蔽层的导线做滤波处理。

(3)正确选择和安装机箱接插件,解决电缆屏蔽问题。进出机箱的线缆如处理不当,会减弱甚至失去机箱屏蔽效能。因此,连接至机箱插座的外部线缆可加外屏蔽层,并且线缆的外屏蔽层要和机箱的屏蔽层保持导电连续性。安装在机箱上的插座要选用符合军用标准的屏蔽型接插件。机箱上安装插座的接触面不能有漆膜或涂塑层等任何绝缘材料。

(4)机箱散热最好采用自然风冷的方式,允许有一些小的散热孔。如果要安装散热风扇的话,需要在风扇外侧安装截止波导式屏蔽通风板。


2.3 电路设计中的EMC对策

电路EMC设计的基本原则已有许多文献述及,此处仅提一下几个实用的具体细节。

1)应用多层印制电路板和表面贴装元器件。具有电源层和地线层的4层以上印制电路板的EMC特性优于普通的单、双面印制电路板,在电路设计时应尽可能采用多层板。表面贴装元器件的等效电磁辐射面积显著小于插装式元器件,具有更好的EMC性能。所以多层电路板加表面贴装元器件的组合应当成为符合GJBI51A-97标准要求的印制电路板设计首选。

2)信号传感器的选用和传感信号放大器的设计。传感器一般安装在设备主机箱以外,因此,对主机箱采取的电磁屏蔽措施覆盖不到传感器。又由于来自传感器的信号十分微弱,所以传感器经常成为电子设备中最易遭受外部电磁干扰的薄弱环节,尤其是在做RS101和RS103测试时。

传感放大器有单端输入式和差分输入式之别。从理论上讲,理想的平衡输入差分放大器抑制共模干扰信号的能力很强,因此一般应采用这种输入方式。但当干扰信号大到一定程度时(如RS103试验时干扰场强最大可达200 V/m),可能导致有源差分放大器的工作范围脱离线性区,使共模抑制失效。实际试验的结果也表明,在严密屏蔽和良好接地的条件下,单端输入式的传感放大器抗干扰能力有时更胜一筹。因此,究竟选用哪种输入放大电路,还需结合实际情况决定。

3)强化有源器件的高频旁路。按照GJB151A.97标准做RS103项目的试验时,有时会出现这种情况:干扰信号为等幅波时,输出信号不受干扰;干扰信号为调幅波时,输出信号中就有了干扰。经分析,可能是调幅波干扰信号窜入电路后,由于有源器件的非线性响应产生了高频检波,从而造成干扰。为防止这种情况,强化对有源器件的高频旁路可起一些作用。


2.4 注重接地质量

在电源、屏蔽和电路设计这3方面,都必须高度关注地线和接地质量问题。接地质量首先体现在要正确接地,即选择正确的接地点和接地方式;再则是要可靠接地,接地面积要大、接地线要粗而短、接地螺栓要安装紧固,以减小接地电阻。

综上所述,对军工电子设备进行EMC设计时,设计重点依次是电源、屏蔽、电路,而对接地的设计考虑则自始至终贯穿于这3个方面。




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