机载光电成像系统电磁兼容性设计

李永刚，王 平，李志强

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林长春130033;2.中国科学院大学，北京100049)

1 引言

作为最直接的侦察手段之一，机载光电成像系统在战场侦察、情报获取及后勤保障等方面有着广泛的应用。它具有集成化程度高、结构精密复杂、高频信号与低频信号交错、强信号与弱信号交叉等特点，在工作中极易作为敏感源而遭受其他设备的电磁干扰，造成系统性能下降甚至出现故障。同时也会作为干扰源产生电磁耦合和电磁辐射，从而对其他设备产生电磁干扰。电磁兼容设计的目的是使所设计的设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容，从而使设备或系统能稳定的工作［1－2］。

文献［3］对光电成像系统进行了较详细的屏蔽设计;文献［4］对光学玻璃窗口进行了电磁屏蔽设计;其他相关文献［5－9］也报道了不同领域的电磁干扰或电磁兼容问题，对本文具有一定的参考价值。但由于机载光电成像系统自身的特殊性以及苛刻的电磁环境要求，所以必须有针对性的采取屏蔽、接地和滤波等技术措施对机载光电成像系统进行电磁兼容性设计，使机载光电成像系统能有效较少对外的电磁辐射，同时又能抵抗外部电磁干扰，从而提高系统的可靠性。

2 机载光电成像系统电磁兼容设计

2.1 屏蔽设计

2.1.1 线路板屏蔽

光电成像系统包含了中央控制模块、图像数据转换模块、图像跟踪模块、伺服驱动模块及测速、测角单元模块等。在电磁兼容试验中，各个模块会同时对外界环境产生干扰，同时内部之间也会相互产生干扰。所以就需要将各个模块分别屏蔽，加以良好的接地、滤波，可大大减小光电成像系统干扰外界及相互干扰的幅度。各单元模块均为铝合金盒体加盖板的形式，从屏蔽的角度来看，各功能模块事实上也是一个屏蔽体，这样做不仅利于装配，便于维护，更重要的是具有双重屏蔽的效果。图1为图像跟踪模块的屏蔽单元。

同时，对光电成像系统内部空间及元器件进行设计布局时，应将对电磁敏感的模块或元器件尽可能远离光学窗口等孔缝位置，同时避开电磁能量高的地方，这样有助于提高光电成像系统对外界电磁辐射干扰的抵抗能力。

图1 图像跟踪模块的屏蔽单元Fig.1 Shielding of image tracking module

2.1.2 双绞线

把两根绝缘的金属导线按一定规格互相绞织在一起，形成双绞线对，即为双绞线。采用这种方式能够有效地降低信号噪声干扰的程度，抑制电磁干扰，一方面是因为双绞线的两根线之间具有很小的回路面积;另一方面，双绞线上相邻两回路上感应出的电流具有相反的方向，双绞线中的一根导线在传输中辐射的电磁波会被另一根线上发出的电磁波抵消。由于双绞线传输质量高，对视频信号幅度的衰减较小，基本能保持原始图像的亮度和色彩以及实时性，图像信号基本无失真。双绞线分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线，屏蔽双绞线电缆的外层由铝铂包裹，以减小辐射，屏蔽双绞线又有两种，一种是指每条线都有各自的屏蔽层，另一种是在整个电缆束上有屏蔽装置，并且两端都正确接地时才起作用。

2.1.3 其他屏蔽措施

针对机载光电成像系统的电磁屏蔽措施还有孔缝处屏蔽、玻璃窗口屏蔽、线缆屏蔽以及有利于屏蔽的机械结构等，上述这些措施在文献［3］中已有阐述，此处不再赘述。

2.2 滤波设计

2.2.1 电源滤波

对电源的滤波，最直接有效地方法就是在开关电源输入和输出电路中加装电源滤波器。电源滤波器是具有互易性的，所以在实际应用中，电源滤波器既可以滤除电源端口来自于外界的干扰，也能滤除来自产品内部的骚扰。为达到有效抑制干扰和骚扰信号的目的，必须根据电源滤波器两端将要连接的干扰与骚扰信号源阻抗和负载阻抗来选择该电源滤波器的网络结构和参数。

若要电源滤波器起到预期的作用，就一定要保证干扰信号或骚扰信号在电源滤波器电路中传输，若存在着高频的干扰信号和骚扰信号越过电源滤波器的可能性，骚扰信号越过电源滤波器继续传播，如图2(a)所示。如果要使电源滤波器在高频获得极佳的滤波性能，就必须解决高频的辐射骚扰通过空间与电源输入线的耦合问题。将电源滤波器安装在屏蔽体的电源线入口处，如图2(b)所示，可以避免骚扰通过空间与电源输入线耦合;或者将电源滤波器前端电源线进行屏蔽处理，如图2(c)所示，以隔断内部骚扰信号与电源滤波器电源线之间的耦合。

图2 电源滤波器安装位置Fig.2 installation location of power filtering

2.2.2 线路板滤波

在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz，甚至超过1 GHz，既有信号源，又有供电源，电路错综复杂，电磁干扰较大。对这样干扰范围很大的高频电磁噪声，可使用穿心电容进行有效地滤除。穿心电容自电感比普通电容小得多，自谐振频率很高，可达1GHz以上，并且可根据不同范围的电磁噪声进行不同容值的选择，因此可用于高频滤波。穿心电容直接通过螺纹安装在金属面板上，这样接地电感更小，基本能消除引线电感的影响;同时输入端与输出端被金属面板隔离，有效地抑制了高频信号耦合。所以穿心电容具有接近理想电容的滤波效果。

由于穿心电容是对单根导线进行滤波，且输入端和输出端是不可逆的，所以针对复杂交错的线路单元，可通过选用不同容值的穿心电容进行有效滤波。比如一块线路板，既有信号源，又有供电源，电路错综复杂，电磁干扰较大。一个有效地解决方法就是将线路板用金属材料封装起来，然后通过在面板上固定穿心电容来实现线路板与外界的导通。根据线路板上输入或输出信号的类型，选择不同容值的穿心电容。比如信号类选择1000 pF的穿心电容，而电源类要选择4700 pF的穿心电容。

在用穿心电容对系统进行滤波时，首先需要注意的问题是安装与焊接问题。穿心电容的核心是陶瓷电容器，一般多呈多层盘状或管状。与其他陶瓷物品一样，陶瓷电容器会在受到机械振动、集中应力、温度突变和过高电压等情况下发生损坏。所以对穿心电容的安装固定及焊接造成很大困难。

2.2.3 滤波电连接器

虽然各个电路单元都采用了良好的金属腔体进行电磁屏蔽，但是电连接器和线缆作为各电路单元信号传输的接口或通道，电磁干扰既能通过它们传导或辐射到设备内部，又可将电磁干扰传导或辐射到设备外部。减小电连接器和线缆电磁干扰的一个有效方法，就是采用滤波电连接器。滤波电连接器主要解决电路单元与输入、输出信号的连接和滤波。滤波电连接器既能像普通电连接器一样起到传递电子信号的作用，又因增加滤波功能而限制特定频率段的信号通过。通过合理选择滤波电连接器，使系统的工作信号以较小的衰减、甚至无衰减通过，同时将干扰信号得到有效抑制，从而减少外部环境与系统间的电磁干扰。

滤波电连接器的每个插孔中都安装了插针滤波组件，如图3所示，其滤波电路由电容、电感(电阻)等无源元件组合而成。由于滤波电连接器安装在线缆进出金属腔体的端口处，因此滤波后的线缆不会再感应上干扰信号。选用滤波电连接器时，除了在选用普通电连接器时要考虑的芯数、安装、接地等因素外，滤波器的截止频率也是一个重要的参数，并且要以各个芯线上传输频率最高的信号为基准来确定截止频率。

图3 矩形滤波插头结构示意图Fig.3 Rectangular filter plug structure diagram

2.3 接地设计

接地是抑制电路干扰的一种重要手段。系统中的接地通常分为安全接地和信号接地。安全接地就是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，使操作人员不致因为设备外壳漏电或故障放电而发生触电危险，而信号接地的目的除了保证工作安全外，更为重要的是为设备内部提供一个作为电位基准的理想导体作为接地面，以保证设备的工作稳定。信号接地可大致分为两种:单点接地和多点接地。

2.3.1 单点接地

单点接地指的是子系统的地回路仅与该子系统内的单点相连。一般仅适合低频子系统。工作频率小于1 MHz的低频电路受电感影响小，受地环路电流影响大，应采用单点接地;多个电路的单点接地方式有串联和并联两种，如图4所示。串联单点接地优点是接地导线少，接地结构简单，缺点是会产生共地阻抗的电路性耦合，所以适用于相互干扰较少的电路。因此多个单元电路组成的多级电路采用串联单点接地的方式，接地点应选在低电平电路的输入端，使其最接近参考地。并联单点接地结构能够彻底消除电路之间的影响，适用于相互干扰较多的低频电路，缺点是接地导线过多，十分繁杂。在实际应用中，按照工作特性将电路进行分类，如将光电成像系统中的电路分为模拟信号、数字信号、弱信号、强信号等，它们之间不易发生或引起电磁干扰的电路放在同一类，容易发生或引起电磁干扰的电路放在不同类。根据串联单点接地和并联单点接地的特点，在相同类型电路内部采用串联单点接地，在不同类型的电路间采用并联单点接地，避免相互之间干扰。

图4 单点接地Fig.4 single point grounding

2.3.2 多点接地

由于高频信号电路在接地阻抗上起主导作用的是电感，为了降低地线阻抗，就需在高频端使用多点接地方式，如图5所示。由于接地引线的感抗与频率和长度成正比，所以工作频率增高就意味着增加共地阻抗，而增大共地阻抗就会产生电磁干扰，所以地线的长度应该尽可能短而粗，以达到降低地线阻抗的效果。接地电阻值尽可能低且一致。由于趋肤效应，高频电流只流经导体表面，此时若要降低地线阻抗，一般会采取地线排镀银的方式。

图5 多点接地Fig.5 Multi point grounding

然而多点接地会造成系统内部出现多个地线回路，电流通过地线回路将可能会对低电平电路产生干扰，带来不良影响，从而造成地环路干扰。多点接地优于单点接地的原因是连接导线的长度可能较短，这样就能有一个较近的接地点。数字电路本质上具有抗外部噪声的性能，但是它们对内部噪声相当敏感。为了使这种共阻抗耦合最小，数字系统中的接地系统趋向于多点接地，采用大的接地平面，如在PCB内层设置接地面或者诸如接地网等大量交替的接地路径并联放置，从而降低回路的阻抗。

3 电磁兼容实验

3.1 电源线传导发射(CE102)实验

在标准EMC试验室里，对没有采取电磁兼容措施的机载光电成像系统进行了10 kHz～10 MHz电源线传导发射测试。发现在0.5～4 MHz区段传导发射值超标较严重。

当不采用任何措施时，机载光电成像系统的传导发射值最高约为85 dBμV，如图6(a)所示;对电源板采用金属屏蔽体设计，电源端口用电源滤波器做了滤波处理，并且将电源滤波器移至电源线入口处，再进行测试，机载光电成像系统的辐射值最高为50 dBμV，如图6(b)所示。传导发射值降低了35dBμV以上。

图6 10 kHz～10 MHz电源线传导发射扫描结果Fig.6 scanning result of conducted emission in 10 kHz～10 MHz

3.2 电场辐射发射(RE102)实验

在标准EMC试验室里，对没有采取电磁兼容措施的机载光电成像系统进行了10 kHz～18 GHz电场辐射发射测试。发现在80～200 MHz区段超标比较严重，并且垂直极化超标量值远大于水平极化超标量值。其垂直极化测试试验结果如图7所示。当不采用任何措施时，机载光电成像系统的辐射值最高约为50 dBμV/m，如图7(a)所示;采取屏蔽、接地、滤波等措施后，机载光电成像系统的辐射值最高为23 dBμV/m，如图7(b)所示。电场辐射发射的辐射值降低约27 dBμV/m。

图7 30 MHz～200 MHz垂直极化扫描结果Fig.7 scanning result of vertical polarization test in 30 MHz～200 MHz

另外，在进行 CS101、CS114、CS115、CS116、RS103等项目的测试中，经过电磁兼容设计的系统的测试结果均取得了较好的效果。

4 结论

机载光电成像系统是一个复杂的光－机－电一体化集成系统，采取屏蔽、滤波、接地等多种技术措施，对敏感单元部件进行电磁兼容设计，并对电源线传导发射和电场辐射发射进行了测试实验。其电源线传导发射值降低了35 dBμV以上，电场辐射发射的辐射值降低了约27 dBμV/m。当然，解决好各个子系统的电磁兼容性并不能完全解决机载光电成像系统的电磁兼容性。因为各个子系统在相互交联的过程中也难免会出现电磁干扰。但采取先分割后整合的解决思路，可有效地将电磁干扰控制到系统允许的范围内，从而保证系统间或系统内的电磁兼容性。

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