某型光电跟踪仪电磁兼容性改进设计.pdf

技术专栏 TechnicalColumn某型光电跟踪仪电磁兼容性改进设计祝刘坡，王威1,2*（1.成都新欣神风电子科技有限公司，成都6 117 31；2.西南交通大学电气工程学院，成都6 10 0 0 0）摘要：某型光电跟踪仪在暗室进行电磁兼容测试时，测试结果显示其电源线传导发射（CE102）和电场辐射发射（RE10 2）这两项不满足限值要求。对此进行了深入剖析，并结合该设备的具体情况提出了相应的改进措施。将改进后的设备进行了测试，测试结果满足标准限值要求，验证了改进措施的有效性。关键词：光电跟踪仪；电磁兼容性；CE102；RE10 2；改进设计中图分类号：TM931文献标识码：A文章编号：10 0 4-7 2 0 4（2 0 2 3)0 6-0 0 90-0 5Electromagnetic Compatibility Improvement Design of a Photoelectric TrackerZHU Liu-Po,WANG Wei l.2(1.Chengdu Xinxinshenfeng Electronic Technology Co.,Ltd.,Chengdu 611731;2.Southwest Jiaotong University,Chengdu 610000)Abstract:During the electromagnetic compatibility test of a photoelectric tracker in a dark room,thetest results show that the power line conduction emission(CE102)and electric field radiation(RE102)emission do not meet the limit requirements.This paper makes an in-depth analysis on this,and putsforward the corresponding improvement measures based on the specific conditions of the equipment.Theimproved equipment is tested,and the test results meet the requirements of the standard limit,whichverifies the effectiveness of the improved measures.Key words:photoelectric tracker;electromagnetic compatibility;CE102;RE102;improved design引言光电跟踪仪是安装在驱逐舰、护卫舰及航母等平台的一种光电侦察系统，可以完成在海上恶劣条件下对特定目标的实时侦察及测距功能，是目前现代化武器装备系统中很重要的构成部分。设备内部由电视、红外热像仪、激光器等主要器件组成。为保证光电跟踪仪在复杂的电磁环境下有稳定的性能体现，所以必须优化设备的电磁兼容性能，使其满足GJB151B-2013标准的电磁发射和电磁抗扰度要求2 1。1设备简介某型光电跟踪仪设备由控制机柜、接线箱、激光电源、光电指向器和模拟操纵台几部分组成，设备连接框图如图1所示。光电跟踪仪是由外部2 2 0 VAC/50Hz供电，经控制机柜内部AC/DC模块转换为30 0 VDC后，再经DC/DC模块转换成2 8 VDC、8 0 VD C等分别给激光电220 VAC控制机柜模拟操纵台图1设备连接框图接线箱激光电源光电指向器90环境技术/Environmental TechnologyToColumn/技术专栏源和光电指向器供电。控制机柜内部的风机直接由外部2 2 0 VAC/50Hz供电。2电磁兼容性要求该光电跟踪仪属于海军水面舰船平台，其内部所有分系统或单体设备应满足GJB151B-2013标准2 的电磁发射和电磁抗扰度相关要求，具体试验项目见表1所示。3电磁兼容存在的问题及原因分析3.1存在的主要问题在电磁兼容实验室按照图1连接设备，光电跟踪仪处于正常工作状态，模拟操纵台上电视和热像图像输出正常。正常工作状态下设备的CE102电源线传导发射和RE102电场辐射发射这两项出现超标，测试曲线分别如图2 和图3所示；其他9 个项目均满足GJB151B-2013标准的电磁发射和电磁抗扰度要求。图2 为设备电源线线传导发射CE102的测试曲线，可以看出在30 0 kHz4M H z 频段内出现宽带超标现象；电源线零线和火线的测试结果基本一致。图3为设备电场辐射发射RE102的测试曲线，可以看出，设备在2 0 0 kHz200MHz频段范围内超标，超标频率范围较宽，是典型的宽带辐射发射超标问题，2 0 0 MHz1CH z 频段范围内还有少量频点出现超标现象。3.2CE102超标原因分析光电跟踪仪CE102在（13）MHz频段超标最严重，超过限值2 0 dB/uV以上，这个频段的干扰主要是共模噪声引起的，其可能原因是设备在工作过程中，电磁干扰通过电源线传导至设备供电输入端，引起了设备电源零线和火线上的电源传导干扰超标；而光电跟踪仪电源输端的滤波器对于共模干扰抑制效果较差，高频的电磁干扰无法得到抑制，所以导致CE102测试超标。经分析输人滤波器的内部电路发现，其仅有一级共模滤波，用于绕制共模电感的磁环为铁氧体材质，且电感量较小，仅有57 0 uH。此滤波电路对于AC/DC电源的传导干扰抑表1系统单体设备/分系统电磁兼容性要求序号项目1CE1012CE1023CS1014CS1065CS1146CS1157CS1168RE1019RE10210RS10111RS103112100f908070f605040302010f10k120T110100908070605040302010010k2050100k2005001M2M5M10M2050100M2005001G2G5G10G18GFrequency inHz图3整改前光电跟踪仪RE102测试曲线名称25Hz10KHz电源线传导发射10kHz10MHz电源线传导发射25Hz150kHz电源线传导敏感度电源线尖峰信号传导敏感度4kHz400MHz电缆束注入传导敏感度电缆束注入脉冲激励传到敏感度10kHz100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度25Hz100kHz磁场辐射发射10kHz18 G H z 电场辐射发射25Hz10 0 k H z 磁场辐射敏感度10kHz40GHz电场辐射敏感度GJB151BCE102+/0U+9203050图2整改前光电跟踪仪CE102测试曲线100k200300500Frequency in Hz1MGJB151B-2013/RE10212M3M5M10M2023年6 月/June 2023 91技术专栏TlechnicalColumn制功能较弱，不能满足测试要求。3.3RE102超标原因分析针对RE102超标问题，分析是由于光电跟踪仪在工作过程中，AC/DC电源模块和驱动模块在发射频点上的谐波分量和杂散分量，会通过整个空间和设备之间的互联线缆耦合到各个模块的供电电源线、控制机柜与光电指向器之间的信号线、控制机柜到模拟操纵台的网线和视频线上，产生天线效应3，引起RE102在2 0 0 kHz2 0 0 M H z 整个宽频段范围内都出现超标现象。2 0 0 MHz1GHz频段范围内少量频点出现超标主要是因为设备机箱的屏蔽效果不佳，以及电视、热像和激光光学镜头处存在电磁泄漏的风险。4电磁兼容性改进设计4.1CE102改进设计为解决设备电源线传导发射CE102项目超标问题，采取了以下措施：一是在原有的一级滤波电路基础上又增加了一级共模滤波；二是将绕制共模电感的磁环由铁氧体材质更换为非晶纳米晶材质，其共模电感量由57 0 uH增加到3.8 mH；三是将光电跟踪仪2 2 0 VAC电源滤波器的输人端线缆与滤波后的输出端线缆改为双绞屏蔽线缆，并分开走线，避免交叉，相互耦合，四是电源滤波器壳体和设备机壳之间通过不锈钢螺钉固定，使得滤波器外壳保持良好接地，尽可能降低接地阻抗。通过以上四种措施可以有效的抑制系统内部的电磁千扰通过光电跟踪仪的供电电源线传输到系统外部，从而保证光电跟踪仪CE102项目测试能够顺利通过。同时也可以抑制系统外部的电磁干扰经过光电跟踪仪的供电电源线传输到系统内部，进而提高系统的抗电磁干扰敏感度。对原有光电跟踪仪输人电源滤波器改进后的电路原理图如图4所示。4.2RE102改进设计1）改进思路电磁兼容性的三个基本要素分别是系统的干扰源、电磁干扰的传输路径、系统的敏感设备5.。分析光电跟踪仪RE102辐射发射超标问题，主要是从千扰源和传输路径着手间。首先是初步定位光电跟踪仪的干扰源。结合RE102测试曲线，分别对光电跟踪仪内的每个设备单独上电，一一进行排查，测试每个设备的电磁干扰状况；根据测试情况，初步定位干扰源所处的设备，然后通过快捷有效的改进措施来抑制电磁干扰，使其满足RE102限值要求。其次是借助近场探头精准定位干扰源在某设备的具体部位或泄漏位置。使用近场探头定位时，需要根据暗室测得的RE102曲线，针对超标频点一一进行定位。首先使用近场探头探测设备接口缝隙、互联线缆、连接器、光学镜头等电磁干扰泄漏风险较大的位置；然后根据探测结果，记录下具体的电磁辐射泄漏位置。在使用近场探头找到干扰源头后根据设备的实际情况采取不同的改进措施，以通过RE102测试。2）改进措施通过分析RE102测试曲线图并结合近场探头探测结果，发现设备互联线缆、机箱盖板接缝处、连接器与壳体接缝处、光学窗口、控制机柜风机通风孔、光电指向器方位和俯仰轴隙等均存在不同程度的电磁泄漏。具体的改进措施如下。控制机柜及光电指向器的接触面已黑色氧化，且部分位置有硅橡胶存在，导致了设备壳体接触面之间导电不连续，整体屏蔽效果不佳。L1CY1一人人人C1OC2NCY2图4改进后的电源滤波器电路原理图L2丰CY3OC33CY4CY5N92环境技术/Environmental TechnologyT/技术专栏将控制机柜和光电指向器的接触面使用砂纸将黑色氧化层打磨掉，然后用蘸有无水乙醇的棉球进行清洗，保持系统整个接触面导电连续性，在设备壳体的凹槽内加装尺寸合适的导电橡胶条，防止电磁干扰通过控制机柜和光电指向器的缝隙向外辐射。激光电源、控制机柜等连接器与机箱接触面加装的是黑色绝缘衬垫，且机箱接触面有绝缘漆，呈不导电状态，破环了导电连续性。对安装面进行去漆处理，并加装导电衬垫以增强两个面的贴合及导电性；在连接器处安装导电衬垫，有效增强了连接器法兰盘与壳体接触面的导电连续性，避免了电磁干扰通过连接器的孔洞向外泄漏，起到电磁屏蔽作用，还具有环境密封效果，可以完美的替代连接器上不导电的橡胶密封圈。光电跟踪仪整个系统相互间的互联线缆较多，主要为电源信号、通讯信号和开关信号等。互联线缆的连接器尾部接地和屏蔽不好，从各功能模块带出很强的干扰，干扰信号会随线缆传导和相互间耦合形成空间辐射。首先，光电跟踪仪的电源线等互联线缆选择一种编制密度大于90%的防波套进行屏蔽，尽量避免屏蔽线缆的屏蔽层松动，屏蔽线缆有过小半径弯曲；线缆内部的屏蔽线与连接器尾部保证36 0 环接处理，避免一些线缆使用“猪尾巴”方式进行搭接8；其次，屏蔽线缆的屏蔽层尽量放置于连接器尾附里，切忌裸漏较长的导线，金属屏蔽层与连接器尾附使用金属屏蔽缠带填充其中的空隙，保持整个系统的导电连续性；最后，将光电跟踪仪内控制机柜和光电指向器之间的电源线和信号线分开进行屏蔽，所有屏蔽线缆的屏蔽层与金属尾附之间使用屏蔽热缩管，使用热吹枪进行热缩，这样可以保证整个系统是一个完整的屏蔽体，减少电磁干扰对外泄漏。控制机柜风机，由于设计要满足通风散热的要求，所以为开放式结构，存在很强的电磁泄漏。在风机安装面与控制机柜机箱安装面上选用尺寸合适的蜂巢式屏蔽通风板，这样整个机柜形成了一个完整的屏蔽结构，不仅满足了通风散热的要求，还满足了电磁屏蔽的要求。欲将电磁干扰噪声通过大地进行泄放，必须良好的接地，且接地阻抗越低越好。增大光电跟踪仪各机箱外壳接地面积，接触面进行导电氧化处理，再用螺钉紧固，以保证良好的导电接触。各个设备与实验室铜板之间通过采用扁平状、低电阻率的金属搭接条进行搭接，并确保搭接安装面平整、光滑、无油污和粉尘等污染物。将光电指向器电视、热像和激光的光学玻璃窗口与箱体接触面之间上加一层柔性透明导电膜，型号为DDM-17。该柔性导电膜片是一种用于光学玻璃窗口或显示窗口等场景的一种柔性透明电磁密封材料，一般透光率可以达到8 9%以上，可以满足大部分使用要求。光电跟踪仪系统中的光电指向器带伺服转动机构，由于其功能需求，光电指向器方位转轴和俯仰转轴不能完全屏蔽，其缝隙泄漏的电磁能量是RE102项目不通过的主要原因之一，故需对转轴缝隙进行特殊处理。对穿过方位转轴和俯仰转轴汇流环的线缆使用防波套进行屏蔽处理。在后续的产品设计过程中，可以使用磁流体对转轴缝隙进行电磁密封处理或者在转子或定子上设计凹凸结构的方式进行屏蔽处理。5改进设计后测试结果按照以上提出的改进措施对光电跟踪仪进行了优化整改，然后在暗室进行了CE102电源线传导发射和RE102电场辐射测试，测试曲线分别如图5和图6 所示。从测试结果可以看出，光电跟踪仪的CE102电源线传导发射顺利通过，在标准的限值要求以下，并且余量较大，有30 dB的余量；光电跟踪仪的RE102电场辐射发射也顺利通过，在标准的限值要求以下，并且有10 dB/uV的余量。2023年6 月/June 202393技术专栏TechnicalColumn112T100f90+8070fV6050403020+10010k90807060504030201010k2050100k2005001M2M5M10M2050100M2005001G2G5G10G18GFrequencyin Hz图6整改后光电跟踪仪RE102测试曲线6结论以某型光电跟踪仪为载体，通过在电磁兼容暗室测试过程中CE102和RE102两个超标项目进行了分析定位，并根据系统电气及结构特点，提出了一些改进方案。将改进方案落实后重新进行了测试验证，CE102和RE102这两个项目均顺利通过，满足了GJB151B-2013标准规定的电磁发射和电磁抗扰度要求。本文针对光电跟踪仪提出的问题分析策略和改进方案可以应用到其他军工产品的新产品研发设计过程中，优化军工装备的电磁兼容性能，提高设备在复杂的电磁环境下的性能指标9参考文献：GJBT51BCET020E7U-91罗兵，冯瑜，金晓宇.舰载光电跟踪仪应用及发展【J.激光与红外,2 0 15,45(10):117 1-117 4.2GJB151B-2013,军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量S3宋金华，曹宏伟，廖伟，等.电源线相关电磁兼容整改典型案例分析J.安全与电磁兼容，2 0 19(4):8 7-904曹军旗，姚殿民，陶玉刚.舰船通信系统电磁兼容设计分析J.环境技术，2 0 13,(1):33-36.5史亮，陈夏燕，王婷婷，等.机载电子装备电磁兼容设计方法研究203050图5整改后光电跟踪仪CE102测试曲线0J81518-2013RE102100k200300500Frequency in Hz1M2M3M5M10MJ.环境技术，2 0 2 3(3:2 6-30.6薛梦麟，薛晨.飞行器无线系统电磁兼容试验技术研究J.电子测量技术，2 0 18,41(9):50-557李涛，成莉红.某型直升机应急漂浮装置电磁兼容RE102超标问题技术研究J.科技视界，2 0 2 2(2 9):6 4-6 7.8李永洲，赵阳，胡玉玲，等.电缆屏蔽处理工艺研究J.航天制造技术，2 0 2 0(5):2 1-2 6.9黄雪梅，钟川东，刘庆鑫.燃料电池汽车的辐射骚扰试验研究J环境技术，2 0 2 2,40(6):90-94.10郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析M.电子工业出版社，2 0 10.作者简介：祝刘坡（198 7-），男，研究生工程师，研究方向：电磁兼容性产品设计及电磁兼容加固整改。通讯作者：王威（198 3-），男，博士研究生，高级工程师，研究方向：电磁兼容及供电兼容性产品设计。94环境技术/Environmental Technology