脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)的EMC研究

1引言
現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)的集成度越來(lái)越高、密度越來(lái)越大，電路模塊之間、設(shè)備之間的干擾問(wèn)題日益突出，已經(jīng)到了嚴(yán)重影響設(shè)備功能的程度。另一方，電子設(shè)備的迅速增加也導(dǎo)致了電磁環(huán)境的進(jìn)一步惡化。電磁輻射不僅對(duì)電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不良影響，還會(huì)對(duì)人體健康造成危害，影響人類賴以生存的自然環(huán)境。

為了解決電磁兼容問(wèn)題，我國(guó)強(qiáng)制實(shí)施了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行了限制，也對(duì)電子設(shè)備的抗干擾性提出了要求。國(guó)標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)對(duì)軍事電子裝備的電磁兼容性做出了詳細(xì)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸人、輸出功率大，工作在脈沖工作狀態(tài)，是雷達(dá)系統(tǒng)中電磁輻射最為嚴(yán)重的設(shè)備。良好的電磁兼容性設(shè)計(jì)是發(fā)射機(jī)本身、雷達(dá)系統(tǒng)乃至其他相關(guān)電子設(shè)備穩(wěn)定工作的前提。本文從電磁兼容的三個(gè)方面(干擾源、敏感源、禍合途徑)人手，從電訊設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)等角度簡(jiǎn)要分析并介紹了脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)一思路和方法。

2脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)干擾源分析

脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)不管采用柵極調(diào)制方式還是陰極調(diào)制方式都工作在高壓大電流的脈沖狀態(tài)，一般由發(fā)射管、脈沖調(diào)制器、直流高壓電源和控制保護(hù)等單元模
塊組成(組成框圖見(jiàn)圖1)

當(dāng)發(fā)射機(jī)正常工作時(shí)，其木身就是一個(gè)強(qiáng)干擾源，干擾源主要來(lái)自以下幾方面。
2. 1脈沖調(diào)制干擾
發(fā)射機(jī)工作時(shí)，受定時(shí)信號(hào)的控制，脈沖調(diào)制器為發(fā)射管提供性能合乎要求的視頻調(diào)制脈沖，將直流高壓電源的能量轉(zhuǎn)換為脈沖能量。這種工作狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)電控電容放電式脈沖源，電原理如圖2所示。
回路的等效電路如圖3所示，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RLC串聯(lián)放電回路。當(dāng)開(kāi)關(guān)S在!=0時(shí)刻接通，電路的方程為

由公式可知，脈沖電流的峰值與回路電感L、電容能W和負(fù)載電阻R有關(guān)。由于發(fā)射機(jī)上作在周期脈沖狀態(tài)，脈沖電壓高、電流大，在調(diào)制開(kāi)關(guān)及發(fā)射管導(dǎo)通與關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖，通過(guò)各種藕合途徑進(jìn)入相鄰電路的電磁脈沖能量在設(shè)備元器件上或組件輸人端建立的電流、電壓一旦超過(guò)某一閥值，輕則使電路受到干擾，重則造成元器件或組件的損傷。

2. 2高壓開(kāi)關(guān)電源干擾

為了提高整機(jī)效率、減小體積，現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)射機(jī)中高壓電源一般都采用開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的形式有許多種，但不管何種形式的開(kāi)關(guān)電源，其核心部分都是一個(gè)高電壓、大電流的受控脈沖信號(hào)源，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)脈沖信號(hào)產(chǎn)生的諧波電平對(duì)于其他電子設(shè)備來(lái)說(shuō)即是EMI信號(hào);另外，由于其開(kāi)關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過(guò)程本身就是一電磁騷擾(EMD )源，它產(chǎn)生的EMI信號(hào)有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。很強(qiáng)的電磁騷擾信號(hào)通過(guò)空間輻射和電源線的傳導(dǎo)而干擾鄰近的敏感設(shè)備。除了功率開(kāi)關(guān)管和高頻整流二極管外，產(chǎn)生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。

2. 3微波泄漏
根據(jù)不同體制雷達(dá)的使命和功能，發(fā)射機(jī)的工作頻段會(huì)有所不同。電磁波的傳輸主要有兩種途徑，一種是采用波導(dǎo)傳輸，另一種是采用同軸線傳輸。不管采用哪種傳輸方式，在接口處都會(huì)有不同程度的微波泄漏;另外，微波匹配、檢測(cè)等器件也會(huì)產(chǎn)生泄漏。

3電磁兼容設(shè)計(jì)
發(fā)射機(jī)內(nèi)部及對(duì)外部相關(guān)設(shè)備的干擾主要有兩種途徑:傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾信號(hào)可分為兩類:一類是共模干擾信號(hào)，相線與地線和中線與地線之
間存在的電位相等相位相同的信號(hào);第二類是差模干擾信號(hào)，相線與中線之間存在的相位相差1800。減小電磁干擾的途徑主要是采取減小十?dāng)_源的輻射、切斷
干擾途徑、提高設(shè)備的抗干擾能力等措施。下面從電路設(shè)計(jì)、電纜設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、印制板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面簡(jiǎn)要介紹發(fā)射機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)的思路及方法。
3. 1電路設(shè)計(jì)
電路設(shè)計(jì)的主要目的在于抑制傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，增強(qiáng)電路本身的抗干擾能力。
(1)傳導(dǎo)干擾抑制
抑制傳導(dǎo)干擾相對(duì)比較容易，只要使用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，就能將其在電源線的EMI信號(hào)電平抑制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)。選擇電源濾波器的原則是
“阻抗失配”原則，要使EMI濾波器對(duì)EMI干擾信號(hào)有最佳的衰減效果，濾波器端接的阻抗應(yīng)使濾波器處于嚴(yán)重失配狀態(tài)，失配越厲害，實(shí)現(xiàn)的衰減越理想，得到的插人損耗性能越好。即如果噪聲源和負(fù)載內(nèi)阻是低阻抗的，則與之連接的濾波器的輸人輸出阻抗應(yīng)是高阻抗;如果噪聲源和負(fù)載內(nèi)阻是高阻抗的，則與之連接的濾波器的輸人輸出阻抗應(yīng)是低阻抗。根據(jù)上述對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)電磁干擾源的分析可知，傳導(dǎo)十?dāng)_的來(lái)源主要是高壓開(kāi)關(guān)電源，因此主要在高壓開(kāi)關(guān)電源的輸人端
口增加適當(dāng)?shù)腅MI電源濾波器即可。開(kāi)關(guān)電源中共模干擾是由載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的;而差模
干擾則是由載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線卜的雜訊電壓是同電位反向的。線路上干擾電壓的這兩種分量通常是同時(shí)存在的。由于線路阻抗的
不平衡，兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變，情況十分復(fù)雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路。
在實(shí)際使用中，由于設(shè)備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣，可適當(dāng)增加或減少濾波元件。開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾以共模十?dāng)_為主，在設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)可
嘗試去掉差模電感，再增加一級(jí)共模濾波電感。發(fā)射機(jī)的高壓電源一般功率都比較大，常采用三相電源供電，因此電源濾波器常采用如圖4所示的濾波電路。
另外，根據(jù)高壓開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，同時(shí)從低頻諧波和高頻諧波兩方面考慮，選用電源濾波器。具體電路的調(diào)整一般要經(jīng)過(guò)EMI試驗(yàn)后才能有滿意的結(jié)果。
選擇了合適的電源濾波器后，電源濾波器能否正確安裝對(duì)濾波效果也有很大的影響。電源濾波器的安裝位置應(yīng)選在設(shè)備的人口處，輸人線要短，以減少輻射

(2)輻射樸擾抑制
如前所述，脈沖調(diào)制器和開(kāi)關(guān)電源是兩個(gè)很強(qiáng)的騷擾源，要降低輻射干擾，可應(yīng)用電壓緩沖電路(如在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路)或電流緩沖電路(如
在開(kāi)關(guān)管的集電極仁串聯(lián)適量的電感)。電感在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)能避免集電極電流突然增大，同時(shí)也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。應(yīng)采用恢復(fù)電荷
小且反向恢復(fù)時(shí)間短的整流二極管。另外，在整流二極兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少一I幾擾，電阻、電容的取值可為幾歐姆和數(shù)千皮法，電容引線應(yīng)盡可能短，以減少引線電感。負(fù)載電流越大，續(xù)流結(jié)束時(shí)流經(jīng)整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復(fù)的時(shí)間也越長(zhǎng)，則尖峰電流的影響也越大。采用多個(gè)整流二極管并聯(lián)來(lái)分擔(dān)負(fù)載電流，可以降低短路峰值電流的影響。將高頻脈沖變壓器、高頻輸出整流濾波等元件放在油箱中，既可減小耐壓空間，又可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。
(3)電路抗千擾
濾波器對(duì)于濾出連續(xù)射頻干擾是十分有效的，但是在實(shí)際上作中常會(huì)遇到另一類干擾:瞬態(tài)于擾。瞬態(tài)干擾是指時(shí)問(wèn)很短但幅度較大的電磁干擾。這就需
要使用過(guò)壓保護(hù)器，對(duì)敏感電路加以保護(hù)。過(guò)壓保護(hù)器一般可選用壓敏電阻、瞬態(tài)吸收二級(jí)管、氣體放電管等。壓敏電阻寄生電容較大，不適合頻率較高的場(chǎng)合;
瞬態(tài)吸收二級(jí)管響應(yīng)時(shí)間短，鉗位電壓低，承受峰值電流較小，器件的寄生電容較大，如在高速數(shù)據(jù)線_!二使用，要用特制的低電容器件;y體放電管承受