低频低噪声前放模块的电磁兼容设计

涂永萍

（中船重工第七二二研究所，湖北武汉 430079）

低频低噪声前放模块的电磁兼容设计

涂永萍

（中船重工第七二二研究所，湖北武汉 430079）

针对某前放模块工作特点和环境，从屏蔽、接地和滤波目的和干扰产生的机理出发进行了电磁兼容性设计，分析了该设计在抑制噪声中的应用和使用条件，证明了该设计对前放模块的作用，为优化设计低噪声模块提供了有力依据。

电磁兼容；电磁干扰；屏蔽；接地

为了保证安装在潜艇底层的前放模块能正常工作，使其接收的微弱信号（n V级）不被淹没，不仅需要其具有灵敏度高、低噪声信号放大处理功能，更要有抵御外界电磁干扰的措施。

1 前置放大模块电磁兼容性问题分析

1.1 环境特点

前置放大模块（简称前放模块）安装在潜艇底层的传感器根部，周围存在着大量的干扰和噪声。

1）收、放传感器有很强的机械振动，潜艇的其他机械噪声、螺旋桨噪声、水动力噪声等。

2）该频段的大气噪声、工频干扰。

3）雷达发射或电源的开关火花干扰等。

1.2 电气特点

该前放模块置于接收系统最前端，接收的信号特点如下：

1）接收的信号是低频段、微弱信号（n V级）；

2）该频段的电子元器件存在着1／f噪声、热噪声、散离噪声等［1］。

2 前放模块电磁兼容设计

实现EMC是一个综合性的设计，笔者从屏蔽、接地和滤波3方面考虑。

前放模块包括匹配变压器低噪声放大器、低通滤波器和将它们罩起来的屏蔽盒（见图1）。根据传感器噪声和阻抗特性，设计好前放，是信号通道低噪声处理关键，也是抵御电磁干扰的有效措施。电磁干扰有两种：辐射和传导，通过屏蔽、接地和滤波处理，可以大大地减小这两种电磁干扰，降低噪声耦合。

2.1 屏蔽设计

2.1.1 设计原理

因为低频电磁波的能量主要由磁场能量构成，须磁场屏蔽。磁场屏蔽的目的是消除或抑制直流或低频交流磁场噪声源与被干扰回路的磁耦合。本文设计的屏蔽盒主要是消除或抑制有用信号频段的低频噪声（不能被滤波器滤掉噪声），其有以下特点。

图1 前置放大模块

1）屏蔽材料的选择。对屏蔽体而言，所选择材料的类型对其需屏蔽的效能影响极大，要根据各自的频段特点来选择。对于频率低的磁屏蔽，主要考察材料磁导率、磁饱和的性能。坡莫合金是Fe-Ni合金，具有很高磁导率、饱和磁化强度和低电阻率。屏蔽低频，如50 Hz工频最好用坡莫合金，纯铁次之。在低频段由坡莫合金制备的屏蔽盒，利用其高磁导率、低电阻率构成磁力线使大部分磁场“包封”屏蔽体内。空腔的磁阻比铁磁材料磁阻大很多，外磁场的磁感应线的绝大部分沿着铁磁材料壁内通过，而进入空腔的磁通量极少。这样，对保护前放模块起到磁隔离作用，具有优异磁屏蔽效果。低磁阻通路示意图，见图2。

图2 低磁阻通路示意图

2）采用多层屏蔽。开始设计前要正确估算。其次，要正确评价能承受干扰场的大小。屏蔽很强的磁场时，仅用单层屏蔽材料，不足达到屏蔽要求，会产生饱和，增加厚度、组合屏蔽会达到更高的屏蔽效能［2］。采用多层屏蔽结构时，两层屏蔽体间保留间隙。用高导磁率材料来提供磁旁路通道以降低屏蔽体内部磁通密度，并借用并联分流电路分析方法，推导磁路并联旁路的计算屏蔽体厚度公式［3］。如图3所示屏蔽外磁路示意图。图中涉及物理量如下（个别量未标示）：H0为外磁场强度；Hi为屏蔽内空间的磁场强度；Hs为屏蔽体内磁场强度；ф0为空气导磁率；R0为屏蔽内空间磁阻；фs为屏蔽材料导磁率；Rs为屏蔽材料磁阻；L为屏蔽体长度；W 为屏蔽体宽度；b为屏蔽体厚度；h为屏蔽体高度；A为磁力线穿过屏蔽体面积，A＝L×W。

μ在3.2～4之间取值。屏蔽体体积小、工艺水平高可取小值，反之取较大值。屏蔽体厚度与磁场强度关系见表1，μ取3.4。

图3 屏蔽外磁路示意图

表1 屏蔽体厚度与内磁场强度关系

3）屏蔽盒结构设计。大部分屏蔽体采用球形或圆柱体几何形状。在实际应用中，所给定的屏蔽体大小只要满足需要，空间尽可能小；其次，屏蔽体的圆角要比尖角好，使磁力线旋转90°是困难的，保持可提供低磁路或“最低磁阻路径”是很重要的，每两层屏蔽间留一点间隙，这样可以提高屏蔽效能；再次，整个屏蔽体表面必须是导电连续的。有许多导电不连续，主要的是缝隙，会产生电磁泄露。解决的办法：在结合面加入导电衬垫，在缝隙充入导电弹性材料。

2.1.2 屏蔽盒设计

1）双层长方体套装结构，分内层和外层，全用铁锻造，四周角边为无缝锻造成圆弧状，仅一面为活动双层盖板。

2）内层长方体与外层长方体间距4 mm，每层长方体的铁壁厚度都为4 mm。

3）在两个长方体缝隙内，四周围圈插入2～3层坡莫合金片（坡莫合金成品为带状，宽度极小，而且薄，易碎），接缝重叠。

4）长方体的活动双层盖板一面与长方体接合面加入导电衬垫，在接缝处涂上导电涂料，缩小螺钉间距离，保证接缝处金属对金属的接触，以防电磁能的泄漏和辐射。

2.2 EMC接地设计

2.2.1 EMC接地干扰［4］

1）地电位差噪声

因地线不是等位体，若系统或设备的不同部件采用不同接地点，则这些接地点之间往往存在或大或小的电位差，在一个没有良好接地设施的试验地，不同接地点之间电位差可达几伏，即使在同一电路板不同接地点之间电位差也可达几毫伏。

前放模块工作频率低，采用并联单点接地式（即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这点上，并设置一个安全接地螺栓），低噪声放大器和滤波器都接模拟地，屏蔽盒、低放和滤波器汇接一点接地。

式中：L为地线的长度，m；S为地线的截面积，mm2。

2）公共阻抗耦合干扰

当2个电路共用1段地线时，由于地线阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制，这样一个电路会耦合进另一个电路中，会产生公共阻抗耦合干扰。消除途径：a）减小公共地线部分的阻抗，这样，公共地线上电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合；b）通过适当接地方式，避免相互干扰电路共用地线，强、弱电电路和数、模电路地线分开使用；使用扁平导体做地线；并联单点接地等。

如上所述，前放模块采用并联单点接地式，较好地解决避免了公共阻抗耦合干扰问题。

3）地环路干扰

地环路干扰是接地带来的又一个电磁兼容问题。干扰现象常常发生在相距较远的模块、设备之间，模块、设备通过较长的电缆相连。其产生的内在原因是地环路电流的存在。当将一个设备的安全地线断开时，干扰现象消失。这是因为地线断开时，切断了地环路。这种现象常常发生在干扰频率较低的场合。如图4地环路干扰形成的示意图。

解决的思路：a）减小地线阻抗，从而减小干扰电压；b）增加地环路阻抗，从而减小地环路电流。

当阻抗无限大时，最简单方法是将地环路断开，如将一端设备浮地，或将线路板与机箱断开。但出于静电防护或安全考虑，这种方法实际上是不允许的。应采用隔离变压器、光耦合、共模扼流圈等，采用高共模抑制比的差分前置放大器，对抑制地环路电流干扰是很有效的。

图4 地环路干扰形成的示意图

2.2.2 接地设计

前放模块安装在潜艇底层，它的主机在通信仓中，相距20多米。前置放大器采用高共模抑制比的低噪声集成运算放大器制作，在主机设备中，还设计安装了匹配隔离变压器，它有2个作用：低频信号匹配和隔离。实测中，有效地抑制了地环路干扰。用信号隔离变压器隔离地环路如图5所示。

2.3 滤波设计

信道的输出噪声带宽越窄，信噪比改善越有效。为了提高信噪比，在保证有用信号必要的通频带的情况下，带宽越窄越好。据此，设计安装了一个低通滤波器。

前放模块的滤波设计采用无源七阶LC低通滤波器，为了保证信号的不失真传输，使无源滤波器工作在阻抗匹配状态。设计的无源七阶LC低通滤波器具有的优缺点如下。

图5 隔离变压器隔离地环路图

优点：噪声很小，无电源干扰，带内平坦，衰减小于1 d B，带外衰减大于50 d B／10倍频。

缺点：电感、电容体积大，电感制作工艺繁琐。

3 结 语

通过以上较全面的电磁兼容性设计，经测试，前放模块有关电磁兼容性指标全部合格，达到中国对于军用设备的干扰防护及兼容标准；而且获得了高灵敏度、低噪声系数的良好特性。本模块已安装于某通信收信系统中，较好地完成高背景噪声下，极微弱通信信号的放大，对收信效果起到了重要作用。

［1］ 曾庆勇 .微弱信号检测［M］.杭州：浙江大学出版社，1994.

［2］ 钱照明，程肇基.电磁兼容性设计基础及干扰抑制技术［M］.杭州：浙江大学出版社，2000.

［3］ （美）佛雷德里卡·M·特奇，（瑞士）米歇尔·V·艾诺茨，（瑞典）托比杰恩·卡尔松.EMC分析方法与计算模型［M］.吕英华，王旭莹译.北京：北京邮电大学出版社，2009.

TN911.4

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1008-1542（2011）07-0025-03

2011-06-26；责任编辑:冯 民

涂永萍（1967-），女，湖北武汉人，工程师，主要从事模拟电路方面的研究。