脉冲雷达发射机的EMC研究

    1引言
    现代电子技术和信息技术的集成度越来越高、密度越来越大，电路模块之间、设备之间的干扰问题日益突出，已经到了严重影响设备功能的程度。另一方，电子设备的迅速增加也导致了电磁环境的进一步恶化。电磁辐射不仅对电子设备会产生不良影响，还会对人体健康造成危害，影响人类赖以生存的自然环境。

    为了解决电磁兼容问题，我国强制实施了电磁兼容标准。该标准对电子设备产生的电磁干扰进行了限制，也对电子设备的抗干扰性提出了要求。国标和国军标对军事电子装备的电磁兼容性做出了详细的规范和标准。脉冲雷达发射机输人、输出功率大，工作在脉冲工作状态，是雷达系统中电磁辐射最为严重的设备。良好的电磁兼容性设计是发射机本身、雷达系统乃至其他相关电子设备稳定工作的前提。本文从电磁兼容的三个方面(干扰源、敏感源、祸合途径)人手，从电讯设计、结构工艺设计等角度简要分析并介绍了脉冲雷达发射机的电磁兼容性设计一思路和方法。

    2脉冲雷达发射机干扰源分析

    脉冲雷达发射机不管采用栅极调制方式还是阴极调制方式都工作在高压大电流的脉冲状态，一般由发射管、脉冲调制器、直流高压电源和控制保护等单元模
块组成(组成框图见图1)

    当发射机正常工作时，其木身就是一个强干扰源，干扰源主要来自以下几方面。
2. 1脉冲调制干扰
发射机工作时，受定时信号的控制，脉冲调制器为发射管提供性能合乎要求的视频调制脉冲，将直流高压电源的能量转换为脉冲能量。这种工作状态相当于一个电控电容放电式脉冲源，电原理如图2所示。
回路的等效电路如图3所示，为一个标准的RLC串联放电回路。当开关S在!=0时刻接通，电路的方程为

    由公式可知，脉冲电流的峰值与回路电感L、电容能W和负载电阻R有关。由于发射机上作在周期脉冲状态，脉冲电压高、电流大，在调制开关及发射管导通与关断的瞬间会产生电磁脉冲，通过各种藕合途径进入相邻电路的电磁脉冲能量在设备元器件上或组件输人端建立的电流、电压一旦超过某一阀值，轻则使电路受到干扰，重则造成元器件或组件的损伤。

    2. 2高压开关电源干扰

    为了提高整机效率、减小体积，现代雷达的发射机中高压电源一般都采用开关电源，开关电源的形式有许多种，但不管何种形式的开关电源，其核心部分都是一个高电压、大电流的受控脉冲信号源，开关电源内脉冲信号产生的谐波电平对于其他电子设备来说即是EMI信号;另外，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰(EMD )源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。

    2. 3微波泄漏
根据不同体制雷达的使命和功能，发射机的工作频段会有所不同。电磁波的传输主要有两种途径，一种是采用波导传输，另一种是采用同轴线传输。不管采用哪种传输方式，在接口处都会有不同程度的微波泄漏;另外，微波匹配、检测等器件也会产生泄漏。

    3电磁兼容设计
发射机内部及对外部相关设备的干扰主要有两种途径:传导干扰和辐射干扰。传导干扰信号可分为两类:一类是共模干扰信号，相线与地线和中线与地线之
间存在的电位相等相位相同的信号;第二类是差模干扰信号，相线与中线之间存在的相位相差1800。减小电磁干扰的途径主要是采取减小十扰源的辐射、切断
干扰途径、提高设备的抗干扰能力等措施。下面从电路设计、电缆设计、接地设计、印制板设计、结构设计等方面简要介绍发射机电磁兼容设计的思路及方法。
3. 1电路设计
电路设计的主要目的在于抑制传导干扰和辐射干扰，增强电路本身的抗干扰能力。
(1)传导干扰抑制
抑制传导干扰相对比较容易，只要使用适当的EMI滤波器，就能将其在电源线的EMI信号电平抑制在相关标准规定的限值内。选择电源滤波器的原则是
“阻抗失配”原则，要使EMI滤波器对EMI干扰信号有最佳的衰减效果，滤波器端接的阻抗应使滤波器处于严重失配状态，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插人损耗性能越好。即如果噪声源和负载内阻是低阻抗的，则与之连接的滤波器的输人输出阻抗应是高阻抗;如果噪声源和负载内阻是高阻抗的，则与之连接的滤波器的输人输出阻抗应是低阻抗。根据上述对发射机内电磁干扰源的分析可知，传导十扰的来源主要是高压开关电源，因此主要在高压开关电源的输人端
口增加适当的EMI电源滤波器即可。开关电源中共模干扰是由载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模
干扰则是由载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线卜的杂讯电压是同电位反向的。线路上干扰电压的这两种分量通常是同时存在的。由于线路阻抗的
不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路。
在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，可适当增加或减少滤波元件。开关电源所产生的干扰以共模十扰为主，在设计滤波电路时可
尝试去掉差模电感，再增加一级共模滤波电感。发射机的高压电源一般功率都比较大，常采用三相电源供电，因此电源滤波器常采用如图4所示的滤波电路。
另外，根据高压开关电源的工作频率，同时从低频谐波和高频谐波两方面考虑，选用电源滤波器。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果。
选择了合适的电源滤波器后，电源滤波器能否正确安装对滤波效果也有很大的影响。电源滤波器的安装位置应选在设备的人口处，输人线要短，以减少辐射

 

(2)辐射朴扰抑制
如前所述，脉冲调制器和开关电源是两个很强的骚扰源，要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路(如在开关管两端并联RCD缓冲电路)或电流缓冲电路(如
在开关管的集电极仁串联适量的电感)。电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大，同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。应采用恢复电荷
小且反向恢复时间短的整流二极管。另外，在整流二极两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少一I几扰，电阻、电容的取值可为几欧姆和数千皮法，电容引线应尽可能短，以减少引线电感。负载电流越大，续流结束时流经整流二极管的电流也越大，二极管反向恢复的时间也越长，则尖峰电流的影响也越大。采用多个整流二极管并联来分担负载电流，可以降低短路峰值电流的影响。将高频脉冲变压器、高频输出整流滤波等元件放在油箱中，既可减小耐压空间，又可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。
(3)电路抗千扰
滤波器对于滤出连续射频干扰是十分有效的，但是在实际上作中常会遇到另一类干扰:瞬态于扰。瞬态干扰是指时问很短但幅度较大的电磁干扰。这就需
要使用过压保护器，对敏感电路加以保护。过压保护器一般可选用压敏电阻、瞬态吸收二级管、气体放电管等。压敏电阻寄生电容较大，不适合频率较高的场合;
瞬态吸收二级管响应时间短，钳位电压低，承受峰值电流较小，器件的寄生电容较大，如在高速数据线_!二使用，要用特制的低电容器件;y体放电管承受电流大，寄生电容小，响应时间长。由于导通维持电压很低，会有跟随电流，不能在直流环境中使用(放电管不能断开)，在交流中使用也要注意(跟随电流会超过器件的额定功率值)，可以在泄放电路中串联一个电阻来限制电流幅度。

输人输出接日信号尽量隔离传送，需要与数字电路相连的接口应使用缓冲器，比较理想的接C1是光电祸合器;在供电电源上适当串联限流电阻、去祸电感和
去祸电容，阻止高频干扰由电源线串人器件内部损坏器件;集成电路芯片的电源端、信号输出端对地并联高频电容，能有效滤除高频干扰。
3. 2电缆设计
.电源输人电缆尽量采用屏蔽线，焊接时电缆屏蔽层两端就近接地;
.信号线尽量选用双绞;
.使用同轴电缆时，注意外层的端接和两端电路的接地，不要形成除了外层以外的第二条回流路径;
.对于设备外部的电缆，确保屏蔽层与屏蔽机箱之间的低阻抗搭接;
.尽量不将性质不同的信号线安排在一个连接器或电缆中。
3. 3接地设计
理想的参考地是一个零电位、零阻抗的物理实体，任何电流通过它时都不会产生压降，但理想的参考地并不存在，所谓理想的接地平面也只是相对和近似的。
在发射机柜中，设备的参考地实际L就是机柜外壳。在发射机柜中采用三地分开的接地设计，即数字地、模拟地和机壳地分开，三地最终与大地排线相连。而各
个模快的数字地和模拟地在机柜内部均采用并联单点接地法，这样可以尽量减小不同电路问的地线电流造成的互相干扰。另外，将高压主回路走线与低压及信
号线分开，结合三地分开设计，可非常有效地降低辐射及传导干扰。
3. 4印制板设计
.按照电路的工作频率、电平大小、数字电路/模拟电路划分，将不同性质的电路分别布置在线路板的不同区域，使干扰电路与敏感电路远离;
.不同区域的电路使用不同的地线，不同的地线在一点连接起来;
.关键信号线的临近设置回流线;
.双层线路板设置用地线网格;
，高速时钟电路尽量远离I/0端口，高速时钟线尽量短，不要换层，拐角不要900;
.芯片上安装的散热片要多点接到信号地上;
.电源去藕电容与芯片电源引脚和地线引脚之间的引线尽量短。
3. 5结构电磁兼容性设计
屏蔽是抑制电磁干扰，实现电磁辐射防护的主要手段之一，其目的是采用屏蔽体包围电磁干扰源抑制电磁干扰源对周围空间的接受器的干扰，或者采用屏
蔽体包围接受器，以避免干扰源对其造成干扰〔““。为了很好地抑制发射机电磁干扰，在发射机结构设计时就应该考虑机柜及印制板模块的电磁屏蔽设计。
.机柜屏蔽设计
在雷达系统中，由于发射机的功能相对独立，一般都单独由一个机柜组成。这样，发射机柜的屏蔽设计也具有相对独立性。在屏蔽设计时只要重点考虑通
风、散热、电源和通信导线的接口以及由于指示、检测等原因无法完全屏蔽的部位，采取针对性的屏蔽措施就能起到较好的屏蔽效果。具体措施有:机柜_[活动
结合处的金属表面必须导电，根据需要使用导电漆和电磁密封衬垫;考虑电磁密封衬垫与屏蔽体基体的电化学相容性，电化学不相容时，用适当的环境密封措
施，隔绝潮气;机柜作为系统的参考地，所有结合处的阻抗必须控制得很低;机柜上的缝隙或孔洞尽量远离强辐射源或敏感电路;通风口上使用屏蔽网或蜂窝板，
蜂窝板与机柜之间必须使用电磁密封衬垫等。
.模块的电磁屏蔽设计
对机柜内的小信号和控制电路等印制板模块用屏蔽盒屏蔽起来;高压开关电源的整流、逆变部分用屏蔽盒屏蔽起来。

 4结束语
良好的电磁兼容性设计是提高雷达发射机可靠性重要途径。目前，大部分产品在设计之初对电磁兼容性的考虑不足，产品设计定型以后才发现种种电磁
干扰问题，既要在原来产品的基础上进行改造，又要保持原来产品的电路和结构，其难度很大。本文在大量实践的基础上，从设计思路上提出了行之有效的EMI
抑制措施。