机载电子设备的电磁兼容性设计

传输信息的电信号需占用一定的频谱，为尽量减小干扰，对有用信号应规定必要的最小带宽，这有赖于优化信号波形。

应设计和选用自身发射小、抗干扰能力强的电子线路(包括集成电路)作为电子设备的单元电路。

用屏蔽体将干扰源包封起来，可防止干扰电磁场通过空间向外传播(主动屏蔽)；反之，用屏蔽体将感受器包封，就可使感受器免受外界空间电磁场的影响(被动屏蔽)。屏蔽技术虽能减小近场感应和远场辐射等电磁干扰的传播，但是它又带来设备通风散热困难、维修不便，重量、体积和成本的增加设计时，要权衡利弊，以最佳的形式来满足电磁兼容性要求。

不管是否与大地有实际连接，只要为电源和信号电流提供了回路和基准电位，就通称为接地。电子设备接地是抑制噪声和防止干扰的重要措施之一。设计中如能周密设计地线系统，综合使用接地、滤波和屏蔽等措施，往往可以事半功倍，有效地提高设备的电磁兼容性。

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。一般来说，可以借助抑制元件(如选用合适的滤波器)和滤波电路等办法来达到目的，以抑制可用信号频谱以外不希望通过的能量。

包括系统设备内各单元之间的相对位置和电缆走线等，其基本原则是使感受器和干扰源尽可能远离，输出与输入端口妥善分隔，高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设。通过合理布局能使相互干扰减小到最小程度而又费用增加不多。

结构是产品的重要组成部分，是解决电磁兼容性问题的重要途径。结构本身并不存在电磁兼容的问题，结构屏蔽的功能就是切断电磁波在空间传播通道，降低系统对外的辐射，同时也可以降低外部电磁场对设备内部的干扰，从而有助于提高系统的电磁兼容性。机载产品的结构电磁兼容性设计主要有以下几个方面：

(1) 规划电路板的安装位置、输入输出的接插件位置，精心布局各模块以及模块内器件，在满足散热要求的前提下，尽量集中，缩短高速信号线的长度，在长度较长的高速信号连线上串接消振电阻，消除振铃影响；

(2) 在外部数据及电源接口的引线处采取必要的滤波措施，减小通过外部数据及电源线引入机内的电磁干扰，同时减小用户终端通过数据线及电源线对其它设备产生影响；

(3) 合理设计模块间接的关系及连接电缆，天线与射频模块之间采用同轴电缆连接，以屏蔽外界干扰。注意内部电线、电缆的走向与布局，避免连接电缆形成的相互干扰；

(4) 接口连接器选用了带有屏蔽外壳的器件，为使外壳与机壳保持良好的电连接性，连接器与机壳间加有导电橡胶；

(5) 屏蔽设计：

a) 壳体优选整体、少缝隙结构并应尽量减少壳体上的贯穿孔洞；

b) 壳体屏蔽效能设计指标应按照对象所处电磁环境机工作频率区别对待；

c) 对屏蔽要求高的单元，如功率发射部件、敏感接收部件，应在壳体内部采用第二重屏蔽措施；对阴极射线管管头，必须专门进行低频磁屏蔽，并辅以直流消磁措施；

d) 插箱内印制电路板组件之间的近场耦合较强时，优选尺寸规格相同的双面地网式接地印制电路板作屏蔽及导热板。

(1)缝隙屏蔽设计

缝隙屏蔽分为两种方式：紧固点(包括螺钉、铆钉、点焊等)连接和在缝隙中安装屏蔽材料。紧固点连接的方案工艺简单，成本低廉，一般是首选的方法。对于活动缝隙或者结构方案中不允许采取太多紧固点的屏蔽体，可以在缝隙中安装屏蔽材料。

(2)紧固点连接缝隙

缝隙的屏蔽效能与电磁波的特性、材料的导磁率、导电率、缝隙的最大尺寸，缝隙的深度等因素有关，其中最主要的因素是缝隙的最大尺寸和缝隙的深度。减小缝隙的最大尺寸、增加缝隙的深度有利于提高缝隙的屏蔽效能。

(3) 安装屏蔽材料

活动缝隙或者其他条件限制不能使用太多的紧固点时，可以在缝隙中安装屏蔽材料。对于安装屏蔽材料缝隙，影响其屏蔽效能的因素有：电磁波的特性、零件与屏蔽材料之间的接触阻抗和屏蔽材料本身的电导率。零件与屏蔽材料之间的接触阻抗越小，屏蔽效能越高。而零件与屏蔽材料之间的接触阻抗与屏蔽材料本身的阻抗、屏蔽材料的压缩量和屏蔽材料的安装形式有关。缝隙屏蔽设计时应选用导电性良好的屏蔽材料，导电屏蔽条类型如图1所示。

采用合适的安装形式，导电屏蔽条安装图如图2所示，对屏蔽材料施加足够的压缩量，以获得屏蔽材料与零件之间较低的接触阻抗。选用屏蔽材料时，还需要注意屏蔽材料与零件之间的相容性，避免产生电化学腐蚀。

主机腔体和主机底板组件的连接采用挤压导电衬垫的结构形式。在主机腔体和主机底板组件之间增加导电衬垫，此种方式能将主机腔体和主机底板组件组成有效的屏蔽腔体，能将设备和外部电磁环境进行隔离。连接方式如图2(a)所示。

机箱盒体和盒盖之间的缝隙屏蔽，连接处选用专用导电橡胶屏蔽条，结构上设计合适的凹槽，防止内部信号和干扰向外辐射，也防止了外部干扰向内部辐射，从而把电磁波通过壳体和盖板之间的缝隙进行传播的可能性减至最小,如图2(b)所示。

纽子开关与安装面板接触面间设有导电衬垫，通过螺母旋紧后起到屏蔽的作用，如图2(c)所示。

(4) 开孔屏蔽设计

最常用的通风孔是穿孔金属板，穿孔金属板就是直接在结构件的金属板上面开阵列的孔。穿孔金属板的孔隙率在30-60%之间，一般能够满足绝大多数产品散热的需要；屏蔽效能在10-30dB/1GHz之间。影响穿孔金属板的屏蔽效能最大的因素是开孔最大尺寸，结构设计开孔时要综合考虑开孔尺寸、孔间距和孔的形状和板厚等信息。有些产品由于发热量很小，可以不考虑开散热孔。

(5)隔腔屏蔽设计

当单板上有局部强干扰源或者敏感电路时，需要隔腔式的结构设计，隔腔设计主要用于工作频率十分高的场合，如射频模块。隔腔与盖板形成封闭腔体，将各信号链路隔开，能够极大地防止信号外泄和串入。各部分组成采用模块化设计，各个模块通过外壳的屏蔽将内外部空间切断，模块化符合电磁屏蔽设计要求，各部分模块的屏蔽示意图如图3所示。

机箱采用全屏磁、全封蔽设计，机箱采用整块铝合金板经过铣床加工而成，将机箱分为相互独立的多个腔体，直流稳压器和主控模块隔离在金属板(隔板)的两面，减少了两者之间的电磁干扰。保证了模板之间的稳定性。从而有效地防止了电磁干扰。结构图如图4所示。

(6)选择屏蔽体材料

电屏蔽分析往往把屏蔽体当作理想导体。实际屏蔽体具有一定的阻抗，屏蔽体自身阻抗越大，其屏蔽效能越差，所以屏蔽体应选用良导体，如铜、铝等。高频时，屏蔽体表面镀银，以提高屏蔽效能。点屏蔽体的厚度越大，屏蔽效能越好，但考虑到重量、强度、加工工艺等要求，材料厚度能满足强度要求，就能满足屏蔽要求。

机箱和模块单元壳体所用的结构材料，必须满足屏蔽要求，并保持屏蔽性能的稳定。考虑到重量的要求，机箱和模块单元壳体材料采用5A05航空铝板。衬垫选用具有导电屏蔽功能的衬垫。

(7)选用屏蔽罩

模块部分单元电路采用屏蔽罩对电磁敏感的器件进行处理，确保设备在装入整机后不受其他模块干扰也不干扰其他模块正常工作。如信标天线采用独立模块设计，信标发生模块部分单元电路采用合适的大小的金属屏蔽罩对电磁敏感的器件进行处理，确保设备在装入整机后不受其他模块干扰也不干扰其他模块正常工作。

(1) 分层

对于信标控制模块和北斗数据处理模块，多种电源相互交错的单板，采取电源层分割，印制板设计采用四层板，覆铜面化金，过孔金属化。

(2) 电源系统干扰的抑制

为抑制电源系统干扰，在PCB总体设计上，采用电源层供电的方法，分布电阻低，供电平稳，且可作为噪声回路，降低干扰；同时电源层还为系统所有信号提供回路，消除公共阻抗耦合干扰。

a) 元器件布局和布线

将模拟与数字电源的电源分开。在信号需要跨越模拟和数字两部分的位置，在信号跨越处，放置一条回路以减小环路面积。

根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，以减少环路电阻。电源线尽可能与地线平行，同时使电源线、地线的走向与数据传输的方向一致。在集成芯片的附近安装去耦电容，减少电源线的负载，克服电源线的电压波动。

b) 地线噪声干扰的抑制

解决地环路干扰的方法是切断地环路，增加地环路的阻抗，使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用并联单点接地，彻底消除公共阻抗。

c) 信号传输线间串扰的抑制

为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时尽量避免长距离的平行走线，尽可能地增大信号线间的距离，信号线与地线及电源线之间尽可能不交叉，有效地减少容性串扰。避免传输线的阻抗不连续性，避免走线的直拐角，尽可能45°角、弧线或者大弯角。

元器件的选型:

(1) 电路板上的滤波及去耦元件采用表面封装器件，以减小寄生参数效应；

(2) 选择功率消耗较小、抗干扰度高的器件；

(3) 晶体振荡器选用带有金属屏蔽壳体的器件。

布局规划:

(1) 电路采用四层板；核心部分内电层分为电源VCC层和接地层，其他部分两层内电层都为信号层；在提高核心部分的布线冗裕度的同时，有效地抑制核心部分对外的电磁干扰，同样也有效地阻止了外界干扰信号对本主板核心部分的侵袭；

(2) 接口电路在PCB布局中是单独规划的；

(3) 晶振等辐射电路放在PCB板的内侧，不在PCB板边缘。

布线:

(1)将信标控制单元(数字电路)与信标信号发生单元(模板电路)分别制成两块电路板，以减少模块间互相干扰；

(2)PCB进行布线时遵循垂直布线和回路布线原则；

(3)布线时采用3-W原则；

(4)布线时考虑电流流向，尽可能使整个板子的主要电流流向一致；

(5)电路中的主电源线多比较宽，增强电路各部分电压的稳定性。

滤波:

(1) 在电源供电电路中采用磁珠和电容组成的LC滤波电路；

(2)电源芯片的输入输出端接多个容值的电容，在一个较宽的频率范围里滤波；

(3)电源线主要节点处使用磁珠连接，有效地将电源线路上的干扰信号转化成热能；

(4)主要芯片的电源引脚处均焊装滤波、贮能电容，降低芯片工作时产生的干扰信号和提高该处电压的稳定性。

接地:

(1) PCB板采用多点接地；

(2) 电路板的顶层和底层覆铜接地；

(3) 晶振外壳接地。

接口电路电磁兼容设计:

(1) 遵循先防护后滤波的原则；

(2) 接口信号线布线的线宽一致；

(3) 开关量输入输出口采用小电容滤波，串联电阻保护接口和阻抗匹配；

(4) 接口电路采用磁珠和电容组成的LC滤波电路。

连接器电磁兼容性设计:

选用带滤波的专用航空接头，为使外壳与机壳保持良好的电连接性，连接器与机壳间的接触面采用了厂家配置的导电橡校垫，实现整体对外屏蔽。

穿心电容:

穿心电容的特点是连接时不需要专门的引出线。数字电路印制板的输入、输出布线处均采用了调频磁珠；印制板之间的连线均采取穿心电容连接，以减少干扰；每根RS422通信电缆均采用屏蔽双绞线，减少相互干扰。