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0 引言
艦載天線穩(wěn)定平臺是為安裝在船舶桅桿上的微波天線提供一個不受船舶搖擺影響的安裝水平面,其功能是在艦船搖擺情況下,補償艦體運動引起的縱、橫搖擺角,使天線始終垂直于水平面。但因其安裝位置處于惡劣電磁干擾環(huán)境下,外部除了自身承載的微波天線的輻射外,還有附近的各種類型雷達和通信天線的輻射干擾,內(nèi)部電機的PWM干擾,要保證設備在惡劣電磁干擾環(huán)境下正常工作,必須對電磁兼容嚴格設計。
電磁干擾(EMI)即電子設備或電氣設備所產(chǎn)生的電噪聲,這些電噪聲表現(xiàn)為多種形式,可以是連續(xù)的、隨機的或周期性的。EMI的形成必須同時具有3個因素:電磁干擾源;對干擾能量敏感的接收設備;將干擾能量從干擾源傳播到接收設備的傳播途徑。如果一個系統(tǒng)既不是干擾源也不是接收設備,那么該系統(tǒng)是電磁兼容的。電磁兼容性的研究是圍繞構成電磁干擾的3個因素進行:提高抗干擾性能及減少對其他設備的干擾輻射和干擾傳導。恰當?shù)南到y(tǒng)設計技術可抑制發(fā)射傳導和輻射干擾,恰當?shù)脑O計技術可硬化系統(tǒng)以減小其對干擾的敏感度,恰當?shù)钠帘�、接地、濾波以切斷干擾的傳播途徑以保護受害設備。
1 電源線尖峰信號傳感敏感度設計
設備對尖峰信號的敏感度即設備能夠承受規(guī)定水平的瞬態(tài)干擾,不會出現(xiàn)故障或工作狀態(tài)混亂。電源線尖峰信號傳感敏感度(CS106)的測試條件為在設備不接地的交流電源線上注入脈沖寬度小于5μs、幅值為400 V的尖峰信號,CS106測試原理圖如圖1所示。
試驗過程中，尖峰信號與交流信號波形的峰值同步，同時為了產(chǎn)生最大跟隨能量，尖峰信號均施加在過零點，即分別在0度、90度、180度、270度的相角上進行測試。尖峰信號發(fā)生器的輸出電壓從0V開始逐漸增大,當輸出電壓增加至350 V時,設備的液晶顯示屏出現(xiàn)了白屏,設備受到了尖峰信號的干擾,不能正常工作。
1.1 非線性器件瞬態(tài)抑制
無論是從電源線還是從信號線進入的瞬態(tài),都可以使用非線性器件衰減。將這些器件與被保護線路并聯(lián),對于正常的信號或電壓水平,它表現(xiàn)為高阻態(tài)———主要由它自己的電容和漏電特性決定。當干擾源的電壓大于它的擊穿電壓時,器件會立即轉變?yōu)榈妥钁B(tài),使從瞬態(tài)源過來的電流離開保護電路,限制了保護電路上的瞬態(tài)電壓。以瞬變電壓吸收二級管(TVS)為例,TVS就是硅雪崩型二級管,它體積小、響應時間短。TVS在擊穿前表現(xiàn)為一個跨接在線路輸入端的高阻抗負載,而出現(xiàn)瞬態(tài)高壓時,它即被激活,PN結發(fā)生雪崩效應,吸收大量能量,因此以箝位方式限制線路電壓在允許范圍內(nèi)。在選取這些非線性器件時,它們必須能夠承受電路的連續(xù)工作電壓,并具有一個安全裕量,以吸收來自任何預期瞬態(tài)的能量。對瞬態(tài)抑制器的典型安裝位置圖如圖2所示（略）。
本系統(tǒng)設計時，采用壓敏電阻和瞬變電壓吸收二級管進行電磁兼容設計。在天線穩(wěn)定平臺控制器電源進線間并聯(lián)了壓敏電阻。壓敏電阻耐浪涌電流、電壓有一定的容量，一般按式（1）選擇其標稱電壓：
式中，Um為線路額定電壓峰值，為電壓升高率，一般取1.05~1.10
在傾角儀和陀螺信號傳輸電路設計中,將TVS并聯(lián)在功率管兩端;同時,在供電DC電源兩端并聯(lián)TVS,在CAN總線的信號線與地線之間并聯(lián)TVS,它們均對電路起到了保護和抗電磁干擾作用。
1.2 線纜內(nèi)部的串擾效應控制
系統(tǒng)內(nèi)部的線纜走線布局對線纜之間本地電場和磁場的耦合有極大影響。為了使線纜之間耦合最小,應對不同類型的線纜進行劃區(qū),并且相互之間至少保持150 mm的間隔;當不同類型的線纜不能避免相鄰走線時,應盡量縮短走線長度。這樣可以減小線纜內(nèi)部的串擾效應,對系統(tǒng)電磁兼容設計取得較好效果。
2 電場輻射敏感度(RS103)設計
天線穩(wěn)定平臺為了保證天線始終垂直于水平面而不受艦船搖擺的影響,采用了傾角儀和速率陀螺測量艦船傾角信號和搖擺速率信號分別引入反饋和前饋組成復合控制策略,實現(xiàn)天線穩(wěn)定平臺的伺服控制。在本系統(tǒng)中采用力平衡式傾角儀LCF100測量艦船傾角信號,將天線穩(wěn)定平臺置于10 kHz~40 GHz、200 V/m的輻射電場強度的環(huán)境中進行RS103測試時,天線穩(wěn)定平臺受到了干擾,系統(tǒng)不能正常工作。
2.1 采用屏蔽技術降低電場輻射
屏蔽是利用導電或導磁材料制成殼、板、套、筒等各種形狀的屏蔽體,將電磁能量限制在一定空間范圍內(nèi)抑制輻射干擾的一種有效措施。使用屏蔽體將外來電場與屏蔽空間隔絕,同時將屏蔽體接地以消除電勢的影響,實現(xiàn)有效屏蔽。由于屏蔽的機理是電場反射損耗,而且二次反射趨向于減小總體反射損耗,故涂層電阻率越高屏蔽效果越差。在電場屏蔽設計時應采用良導體制成屏蔽體,通過對電磁波的反射和吸收作用來達到衰減電磁能量,減少輻射干擾的目的。屏蔽體的孔縫在實際應用中是不可避免的,它是影響屏蔽的一個重要因素。為了保證屏蔽效果,減小屏蔽體的電阻,并且在設計屏蔽體時應盡量減小垂直于電場方向的孔縫尺寸。
在本系統(tǒng)中采用鋁殼表面鍍銀做成的屏蔽盒進行電場屏蔽,將傾角儀和信號調(diào)理電路置于此屏蔽盒中,同時采用了2層屏蔽,控制2層間距盡量接近1/4波長的奇數(shù)倍(由于在頻率很高時,電磁波在2屏蔽層間會產(chǎn)生諧振。當2層間距為1/4波長的奇數(shù)倍時,雙層屏蔽具有最大的屏效;當2層間距為1/4波長的偶數(shù)倍時,屏效最小),有效減小了電場輻射對傾角儀信號的影響。
