某机载天线伺服系统电磁兼容设计及分析

　　【摘要】 本文采用近场电磁干扰源探测定位法分析了某机载天线伺服系统的辐射发射问题。通过对比测试数据确定码盘及开关电源为主要辐射源，针对码盘和开关电源辐射超标的问题采用屏蔽、接地和滤波等措施进行整改。在设计共模滤波器时使用仿真软件CST对滤波器的参数进行仿真，最后通过电磁兼容试验验证整改效果，确定伺服系统的电磁兼容性有明显的改善。 

　　【关键词】 电磁兼容 辐射发射 屏蔽 滤波器设计 

　　Design and Analysis of Electromagnetic Compatibility Problems of Airborne Antenna Servo System 

　　Wang Xiao-yu，Liu Xin，Zhang De 

　　The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation 

　　Abstract：In this paper， electromagnetic interference sources detection method is used for the analysis of radiated emission problem of the airborne antenna servo system. By comparing the test data， it is confirmed that the main source of radiation is the encoder and switching power supply. In order to solve the problem of the encoder and switch power source radiation exceed the standard， a series of measures such as shielding， grounding and filtering are adopted to carry out rectification. The parameters of filter are simulated using the CST simulation software in the design of common mode filter. Furthermore， the rectification effect is verified by the electromagnetic compatibility test. It is found that the electromagnetic compatibility of the servo system is improved obviously. 

　　Keywords：Electromagnetic compatibility，Radiation emission，Shielding，Filter design 

　　一、引言 

　　电磁兼容（EMC）作为一门综合性的前沿学科，在20世纪末、21世纪初的电气及电子科学中得到迅速发展，对理论及工程实践紧密结合的要求越来越高[1]。 

　　现代社会中飞机、舰艇、汽车等各种平台在狭窄的空间中安装了各种功能的电子设备，在工作时这些设备会产生电磁干扰，对其它设备的正常工作产生影响[2，3]。短波通信是现代飞机等载体完成任务、保障安全的重要通信手段。随着技术的进步，各种飞行器对通信质量的要求日益高涨，导致飞行器上电子通信设备的种类和数量不断增长。由于通信设备都安装在飞行器壳体上，以壳体作为共地点，而在飞行期间壳体与大地并无连接，导致设备间的电磁兼容成为不可忽视的问题 [4，5]。 

　　二、故障现象及分析 

　　用户在使用过程中发现，当伺服系统工作时，会导致短波/超短波系统有效通信距离缩短。使用频谱仪观察短波/超短波天线接收信号频谱，在伺服系统工作时，在10MHz～200MHz频段范围内短波/超短波天线底噪有明显抬升，抬升幅度随频点不同，但最小幅度也大于10dBm。伺服系统组成如图1所示，组成伺服系统的各设备通过互联线缆进行通信。 

　　采用电磁兼容三原则法进行分析，伺服系统是辐射源，短波/超短波天线是受影响设备，而伺服系统和短波/超短波天线之间无任何线缆连接，并分别由各自系统的隔离电源供电，因此干扰信号无法通过传导方式达到受影响设备。并且由于伺服系统的供电和信号电缆长度超过10m，而10MHz信号的波长约为30m，电缆长度已满足L≥（λ/20）的辐射发射条件，由以上条件判断辐射发射为干扰信号的传输路径。为解决该辐射发射问题，按照GJB 151A-97中对机载设备的辐射发射要求，对伺服系统进行垂直极化RE102测试，测试结果如图2所示，测试曲线在30KHz～500MHz范围内频谱严重超限，同时包括窄带尖峰噪声、宽带噪声和高密集型尖峰群噪声三种情况。 

　　采用频谱仪和德国安诺尼公司生产的PBS系列近场探头对组成伺服系统的每个设备和设备间的互联线缆进行辐射发射检查。使用电场探头分别在距互联线缆10cm和20cm的位置进行测量，观察频谱仪上测试曲线的峰值变化并将数据记录于表1。采用对比法分析，由峰值变化可判断辐射类型主要为电场辐射。同时按照频谱仪上曲线峰值及包络的强弱排列，可得开关电源、码盘、设备间的互联电缆为主要辐射源。 

　　三、分析及整改措施 

　　针对产生辐射的设备进行分析和整改，按照整改措施的难易程度进行排序为互联电缆、码盘和开关电源，具体措施如下。 

　　3.1 互联线缆 

　　由于在进行伺服系统设计时，未考虑电磁兼容设计，所有的传输线均未使用屏蔽线缆，同时为走线美观，将信号线和电源线集中捆扎，导致线缆间耦合严重，线缆整体成为发射天线。

　　3.2 码盘 

　　由于码盘在设计时已采用金属壳体进行屏蔽，因此对其使用近场探头进行检测。检测发现辐射发射在码盘插座与壳体连接处最强，拆下插座发现插座上安装的密封胶圈是绝缘体，破坏了码盘整体的电连续，将该密封胶圈更换为导电胶圈后，插座连接处的辐射发射有明显降低。同时在码盘的电源线和信号线上采用馈通滤波器LT1-200-332进行滤波，并将滤波器外壳有效接地，再次进行RE102测试，测试曲线已满足GJB151A-97的要求。 

　　3.3 开关电源 

　　采用靠测法，使用200MHz带宽的示波器测量开关电源的输入及输出端的电压变化，在开关电源工作时观察到输入输出端电压均叠加有高频共模噪声，将共模噪声在时域展宽后如图3所示。 

　　在此引入CST（COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY）软件，该软件强大的仿真能力解决了以上滤波器设计所面对的问题。设计共模滤波器如图4所示，采用该共模滤波器并匹配合适的参数可有效抑制开关电源输入和输出端的共模噪声。经仿真可得共模滤波器在不同参数下的特性曲线，如图5所示。 

　　按照仿真结果设计共模滤波器，在电源输入及输出端串入共模滤波器后，对开关电源进行RE102测试，测试结果如图6所示，开关电源的辐射发射已满足GJB151A-97的要求。 

　　采用以上措施对伺服系统进行整改后，再次进行RE102测试，测试曲线如图7所示，图7-a为水平极化测试曲线，图7-b为垂直极化测试曲线，由图7可知，伺服系统的辐射发射在垂直和水平两个极化方向上都能满足GJB 151A-97中机载设备的电磁辐射发射要求。 

　　四、结论 

　　本文采用近场电磁干扰源探测定位法对组成伺服系统的各个设备与互联线缆的辐射发射情况进行了分析，依据分析结果确定电场辐射是干扰信号的主要传输路径。从电磁兼容问题产生所必需具备的三要素出发，采用切断传输路径及减少辐射源等措施对伺服系统进行了整改。在设计共模滤波器时引入仿真分析软件CST对滤波器的参数进行计算，确保整改后的伺服系统顺利通过了水平和垂直两个极化方向的RE102测试，改善了伺服系统的电磁兼容性。 

　　参 考 文 献 

　　[1] 戴斌，张炫. 某雷达产品关于RE102试验问题分析[J]. 火控雷达技术，2012，41（1）：76-80 

　　[2] 薛正辉，高本庆. 机载短波天线间隔离度的全波分析[J]. 电波科学学报，2000，15（4）：477-481 

　　[3] 纪奕才，邱杨，陈伟，等. 车载多天线系统的电磁兼容问题分析[J]. 电子学报，2002，30（4）：560-563 

　　[4] 刘莹，谢拥军，张勇. 车载集群通信系统“自顶向下”电磁兼容设计[J]. 电子科技大学学报，2010，39（5）：720-724 

　　[5] 田锦，谢拥军，辛红全，等. 复杂系统电磁兼容评估的改进TOPSIS方法[J]. 电子学报，2013，41（1）：105-109