电子设备电磁兼容设计研究

文章编号:1008-8652(2007)02-10-06

火控雷达技术第36卷

电子设备电磁兼容设计研究

张春荣

(西安电子工程研究所󰀁西安󰀁710100)

󰀂摘要 󰀁简要介绍电磁兼容的基本概念。结合某雷达超低相噪、快速跳频频率综合器的设计实例,对电子设备的电磁兼容设计技术作了比较深入的分析,总结出了一些实用、有效的技术方法,并给出设计实例的研制成果。

关键词:电磁兼容;雷达;频率综合;相位噪声;快速跳频

中图分类号:TN03󰀁

󰀁󰀁文献标识码:A

StudyonEMCDesignofElectronicEquipment

ZhangChunrong

(Xi!anElectronicEngineeringResearchInstitute,Xi!an,710100)

Abstract:Thispaperintroducesthebasicconceptofelectromagneticcompatibility(EMC),analyzestheEMCdesigntechniqueoftheelectronicequipmentbycombiningtheexampleofdesigningultra󰀁lowphasenoise,fast󰀁frequency󰀁hoppingfrequencysynthesizerforacertainradar,thensummarizessomeprac󰀁ticalandeffectiveproceduresandpresentsthedevelopedachievementofthedesignexample.

Keywords:EMC;radar;frequencysynthesis;phasenoise;fastfrequencyhopping

1󰀁引言

近年来,我国对电磁兼容EMC(ElectromagneticCompatibility)的设计越来越重视,研究越来越深入,取得的实效是很显著的。但是,由于电磁兼容是一门多学科相互交叉的新兴的边沿科学,需要进一步深入研究的工作仍然很多。随着电子技术的迅猛发展,它在军用、民用领域的应用越来越广泛,各种电子设备日益增多,工作频段不断扩展,使得各个频段上的工作频率越来越拥挤,使有限空间内的电磁环境更为复杂恶化。另一方面,多种新器件、新技术的发展,电子设备组合电路的密度、电路的集成度和元器件的密度越来越高;体积越来越小;技术性能要求越来越高,这些对EMC的设计提出了更高的要求。从某种意义上说,EMC的研究对象是电磁干扰EMI(ElectromagneticInterference),由于EMI越来越大,才使人们越来越重视EMC的问题。电磁兼容性与产品的质量、可靠性紧密相关。所以从事电子技术和工程的工作者,在电路(或系统)设计中,除了要确保其技术性能指标能在理想实验室环境中实现外,还要使这些性能在有电磁干扰的环境工作中不低于其设计要求;即设计好的电路(或系统)在工作中有足够的抗电磁干扰的能力,同时做到其本身对环境造成的干扰足够小至关重要。本文重点在这方面作一些初步探索。

2󰀁电磁兼容基本概念简介

2.1󰀁电磁兼容基本概念

EMC技术主要包括EMC预测分析、EMC设计、EMC测试、EMC管理。EMC设计又可分为设备(电󰀁

*收稿日期:2007-02-26

10󰀁第2期张春荣󰀁电子设备电磁兼容设计研究

路或系统)间EMC设计和设备(电路或系统)内部的EMC设计。EMC包括电磁干扰EMI和电磁敏感性EMS(ElectromagneticSusceptibility)两个方面。国家标准GB/T4365-1995∀电磁兼容性术语#中对EMC的定义为:∃设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力%。进行EMC设计的目的是,使设计研制出的多个样本(设备、电路或系统)能在一定的电磁环境中兼容工作,保证各自的技术性能满足设计指标要求。2.2󰀁电磁兼容技术理论基础

研究EMC设计,首先应分析EMI和EMS。产生EMI的三个基本要素为:干扰源、耦合途径和感受器(见图1)。从EMC技术分析,干扰源的计量是其发射引起干扰其他设备的电势;感受器的描述是敏感度,敏感度是设备或电路受不希望有的电磁能量影响的能力,可以用敏感电平计量,一个电路或设备的敏感电平是指在一定环境电平下,设备正常工作,无性能降低,并具有一定的安全裕量;耦合途径从EMI机理分析包括传导、感应和辐射。传导性耦合要求在源和感受器之间有完整的电路连接(闭合回路)。

图1󰀁电磁干扰三要素

EMC技术的依据是电磁场理论。各种电路(设备或系统)的EMI模型可以依据电磁场理论和麦克斯韦方程进行分析等效。依据电磁场理论:时变电流的两种存在形式是磁场源(闭合回路)和电场源(偶极子天线)。从电磁场理论分析由电场与磁场产生的噪声耦合机制时,对大多数的麦克斯韦(Maxwell)方程的应用来说,噪声耦合方式可以用等效元器件模型来表示。例如:两个导体之间的时变的电场,可以由一个电容来表示,两个导体之间的时变的磁场可以由一个互感来表示,那么,两个导体之间的EMI可以通过导线间的近场耦合(感性和容性耦合)进行分析。

国际电联(ITU)规划的可以利用的频谱在10kHz~400GHz,因此EMC涉及的频率范围很宽。在音、视频、低频(一般在30MHz以下)情况下,各种电路(设备或系统)的EMI主要通过传导耦合产生。传导耦合要求在干扰源和感受器之间的耦合途径是二者之间的闭合回路。例如公共回路(公共电源、公共地等)中通过互阻抗及互导纳的耦合:一个电路通过互阻抗产生电压降并影响另一个电路(EMI的模型示意图略)。

在高工作频率,各种电路(设备或系统)的EMI主要通过感应和辐射耦合产生。根据地Maxwell方程,一个短偶极子(导线直径d󰀂l,l为导线长度,1󰀂󰀁)的辐射场为[3]:

对辐射的分析可以分为近场和远场。当近场(感应场)kr󰀂1时:

Er&-jIl3∋2cos∀

!4󰀂rIl2E∀&-jsin∀3∋4󰀂r !H#=jIl2sin∀

4󰀂r

当远场(辐射场)kr 1时:

E∀&jWIl∋2sin∀∋e-jkr4󰀁r !(6)(3)(4)(5)

H#&jIl∋2sin∀∋e-jkr(7)4󰀁r !式中:E∀\\E∀\\H∀分别是电场和磁场的分量(见图2);A是矢位;∃磁导率(H/m);I是偶极子电流(A);󰀁是波长(m);k是波数,k=2󰀂/󰀁;W是介质的波阻抗,W=

∃/!,在自由空间:W=120󰀂&377%。

11󰀁2007年6月火控雷达技术第36卷

图2󰀁偶极子坐标系

3󰀁电磁兼容设计实例分析

上述物理机理是EMC技术的基础理论。减少EMI的技术方法一般包括:减少干扰源;切断耦合途径;隔离感受器。EMC技术涉及的技术领域比较多,电子设备的EMC设计是一个综合性系统工程。下面以某雷达频率综合器(简称频综)为例对电子设备的EMC设计作进一步的具体分析。

3.1󰀁基本要求

在现代化的高性能雷达系统中频综有其∃心脏%之称。随着技术的发展和各种应用的需要,对现代化的雷达的技术性能、雷达对环境的自适应性、灵活性、智能化、多功能的要求越来越高,雷达对频综的要求也越来越高,这些都对EMC设计提出了新的更高的要求。雷达对频综的主要技术要求有:输出信号具有极低的相位噪声和杂散、比较宽的工作频率带宽和足够多的频率点、很快的频率切换时间和多种工作模式等。频综的主要作用是产生提供雷达系统需要的所有频率基准信号和波形信号,信号形式有:连续波(CW)、脉冲调制信号、线性(或其它形式的)调频信号(LMF)、相位编码信号等。电路组成上,频综在雷达分系统中相对而言包括的电路种类多(微波、高频、中频、数字、通信;振荡器、倍频、分频、混频、滤波、放大、控制、检测、处理等);设备内部同时工作的频率多(微波、高频、中频、视频、数字信号、直流)。外部环境上,雷达频综的工作环境中有高功率的发射机、高速工作的数字处理机、也有高灵敏的接收机等分系统一起工作,可以说是一个对EMC性能要求比较高或者说EMC环境比较复杂的分系统。

作为分析实例,某雷达X波段频综要求输出信号有:a.工作在X波段的接收机的本振信号(LO),带宽1GHz、40个频率点,相位噪声<-100dBc/Hz/kHz,接收机带内杂散<-80dBc,杂散<-65dBc,跳频时间(1∃s,CW信号;b.工作在X波段高端的发射机的激励信号(TX),带宽和频率点数等其它要求同LO,脉冲调制信号;c.接收机二本振(LO2)信号,L波段(CW信号);d.雷达检测信号,要求基本同TX信号;e.接收机相参中频信号;f.定时基准信号。

我所多年来从事高性能频综研制的实践证明:频综要实现高的各项性能指标,EMC设计至关重要,EMC设计在方案阶段和电路设计之初开始进行效果最佳。

3.2󰀁方案设计中的EMC技术

雷达频综设计中,在选择技术方案、进行方案设计的同时,要对EMC进行分析和预计,并通过技术措施使之满足要求。以上述X波段雷达频率综合器为例,根据技术性能指标要求采用直接频率合成方案,图3是进行EMC分析的频综组成简单原理图。它是用一个高稳定、低相位噪声、低杂散的晶体振荡器为基准源通过一系列的电路,进行频率的加、减、乘、除,从而综合产生出各种需要频率,通过电子开关阵控制频率输出。

直接频率合成技术方案设计的关键之一是频率设计。例如:模拟直接式频率合成器的输出信号的杂散性能,主要是由进行∃频率合成%的过程中产生的EMI信号和对其能达到的抑制决定。完成∃频率合成%的一种电路是混频器,其简单原理框图如图4。12󰀁第2期张春荣󰀁电子设备电磁兼容设计研究

图3󰀁EMC分析的频综组成简单原理图

图4󰀁混频器简单原理框图

在不考虑直流项和初始项的情况下:

ein=Asin((2󰀂f1)t+Bsin((2󰀂f2)t

2

in

3in

nin

(8)

eout=k1ein+k2e+k3e+)kne+)(9)

显然,混频器输出信号(eout)中,从频率分量分析有(f1+f2)、(f1-f2)的频率,此外还存在频率分量:

fm,n=mf

m,n是整数。

从混频器的上述分析可以得出:如果需要输出(f1+f2)、(f1-f2)频率,(10)式中给出的m和n不同时等1的其它项均为EMI频率(寄生频率及交互调分量),必须通过滤波器件和控制开关抑制掉。尤其当输出信号是宽带时,f1、f2的选择直接决定输出信号的杂散性能和实现电路(器件)的结构及价格。

频率设计包括所有合成频率、倍频(分频)次数、混频频率的选择和计算,及其产生技术、频率传输的研究。通过计算机仿真计算,可以实现频率的优化设计,通过频率的优化设计可以达到在∃频率合成的过程中尽量减少干扰源产生%的目的。从而得到一个既能满足技术性能指标,工程可实现性和性价比好的频率合成的技术方案。

方案设计中的EMC技术还应包括:关重件晶体振荡器的选择和设计、低相噪设计技术、和实现方案的技术优化设计等,限于文章篇幅,不再一一展开。

3.3󰀁工程设计的技术措施

从电磁理论的分析可知:EMI的传播和耦合途径是非常复杂的。对电磁波,无论是传导或是辐射,传播特性与研究的信号性质、传输线或空间的几何尺寸及形状、传输介质的特性有密切关系。上述X波段频综的工程实现中,为减少(或消除)EMI采取了下面的技术措施。

A!采用模块化设计

模块设计采用铝铣削工艺,为整体化的屏蔽体。模块表层采用导电氧化技术处理。

B!模块(电路)设计和划分中做好频谱管理

模块(电路)的设计和划分,首先重点研究工程实现电路∃传输%信号的频率特性,同时做好频率∃流向%的管理。尽量把EMI信号控制在噪声源附近;尽量避免交叉连接,减少信号传输路径;高纯度频率基准电路远离EMI比较严重的电路安放。

C!模块(电路)间的信号传输和匹配

模块(电路)间传输的中、高频和微波信号,一律用相应的射频电缆连接。一般信号采取小信号传输(0dBm

131

∗nf

2

(10)

󰀁2007年6月火控雷达技术第36卷

左右);EMI比较严重的信号的传输严格控制在-10dBm以下;高纯度频率基准信号传输大小要适宜。

电源供电:输入电路的电源采取用具有良好性能的电源滤波器去耦、滤波,安装和走线时尽量做到回路唯一。

数字控制信号采用双平衡传输,检测及其它无严格时间要求的数字信号采用光耦传输,使它们与模拟电路尽量避免地回路的耦合。

各种输出、输入信号进行最佳匹配。

模块间直流和数字信号采用多层屏蔽总线板连接。避免了导线经过噪声的环境而受到干扰。加强对各种EMI信号的滤波。D!特殊的屏蔽、隔离措施

高纯度频率基准电路和个别EMI比较严重的电路同时采用子模块结构,提高屏蔽隔离效果。降低感受器对噪声的反映和干扰源的辐射干扰、电磁耦合的能量,减少传导路径的噪声传输量。晶振采取了一定的减振措施。

E!系统地设计

系统(电路)地设计中,严格区分并仔细处理好各种不同信号的参考地。

F!单元电路设计

单元电路设计重点做好:电路优化、元器件选择及合理使用、印制电路设计、输入和输出的隔离等工作。3.4󰀁单元电路的设计实例

作为单元电路的设计实例,一个比较典型的单元电路组成的原理方框图见图5。电气功能:要求完成两次频率搬移(混频),电路中的信号频率从一百多兆赫兹到S波段,EMI比较严重。结构要求:体积空间比较小,输入、输出在同一方向的同一平面。由于电路设计之初就充分考虑EMC问题,采取了上述的有效措施对EMI进行成功地抑制,取得比较理想的效果,杂散指标:(-80dBc。图6是实际电路的照片(结构采用子模块的形式)。

图5󰀁某单元电路组成的原理方框图

图6󰀁单元电路照片

3.5󰀁设计实例研制结果简介及分析

上述X波段频率综合器,研制出的样机实验测试结果表明:X波段相位噪声<-110dBc/Hz/kHz,图7是相位噪声实测曲线;接收机带内杂散现有仪表测量不到(设计计算结果应该无杂散),其它:本振信号杂散<-80dBc,发射信号杂散<-70dBc;跳频时间<0.8∃s。其它所有技术指标都满足设计要求。14󰀁第2期张春荣󰀁电子设备电磁兼容设计研究

由于采用了模块化、标准化、通用化设计技术,现在我们已经用相同的系统技术方案研制出三种不同技术雷达的X波段频综(具体频率和波形要求、及其它一些参数各不相同),并分别应用到不同的雷达系统中,在系统联试和外场实际测试试验中,技术性能稳定,工作可靠。证明本设计的工程可实现性和技术通用性很好,适用批量和系列化生产。

从这个设计实例研制结果分析,EMC设计是成功的,采取的技术措施是有效的。例如低相噪设计,实际上从结果分析就是要消除一切EMI对相位噪声的变坏。下面作一个简单计算即可以说明实效。图3中所选择100MHz晶振相位噪声为:-155dBc/Hz/kHz,直接倍频(倍频次数为N)相位噪声损失理论值为:20logN(dB),当N=100时,20logN=40dB。

混频器(如图4所示)当f1、f2相位噪声相同时的引入噪声:3dB

可以算出10.30GHz输出信号相位噪声理论值为:(-155)+40+3=-112(dBc/Hz/1kHz)

测试结果表明:实际实现指标几乎达到了理论极限值。

图7󰀁X波段输出信号相位噪声实测曲线

4󰀁结束语

电子设备的EMC设计是一个比较复杂的系统工程,本文的一些分析方法和技术措施是在多年的实践工作中总结出的。EMC技术试验性比较强,EMC设计的最终检验是电子设备实现的各项性能指标和实际使用中的兼容工作性能,设计、研制过程中的分析和测量非常复杂,EMC技术计算分析的手段是计算机仿真。文章中的不足之处,欢迎批评指正。另外借此机会特别向项目组和一起工作的同事、专家学者表示诚挚感谢。参考文献:

[1]󰀁张春荣.某雷达X波段频率综合器方案论证报告[R].西安电子工程研究所内部资料.[2]󰀁电磁干扰与防护技术文选[C].西安电子工程研究所,2003.[3]󰀁魏文元等.天线原理[M].西安:西安电子科技大学教材.

[4]󰀁Markl.Montrose,刘元安等译.电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线[M].北京:人民邮电出版

社,2003.

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