點(diǎn)火電路中低通濾波器的接地對(duì)其性能的影響

李建飛,李 凱,王華斌,鄭海龍

（中國(guó)航天科工集團(tuán)六院41所，呼和浩特,010010）

0 引言

在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火電路中，電磁干擾信號(hào)容易使發(fā)火元件誤發(fā)火，為了保證火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠，有時(shí)需要在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電路中串聯(lián)低通濾波器將這些干擾信號(hào)濾掉。

在低通濾波器中通常是利用電感和電容的高頻特性，即電容和電感在信號(hào)頻率越大時(shí)，感抗越大，而容抗越??；其中電感是串聯(lián)在點(diǎn)火線路中，電容是并聯(lián)在點(diǎn)火線路與地線之間，當(dāng)有高頻干擾信號(hào)加載在點(diǎn)火電路上時(shí)，由于串聯(lián)了較高的電感感抗，使其產(chǎn)生的高頻干擾電流減小，又由于在點(diǎn)火線路與地線之間并聯(lián)了較小的電容容抗，使主要高頻干擾電流流經(jīng)并聯(lián)電容的分路，而只有少量干擾電流流經(jīng)點(diǎn)火電路的發(fā)火元件上，該電流不足以使發(fā)火元件引爆出現(xiàn)誤發(fā)火。

1 插入損耗的概念

插入損耗是衡量低通濾波器對(duì)高頻干擾信號(hào)衰減能力的重要指標(biāo)，它是指沒(méi)有低通濾波器接入時(shí)，從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率P1和接入低通濾波器后，從干擾源傳輸?shù)截?fù)載的功率P2之比，用 dB（分貝）表示。

插入損耗表示為

其中 ：F —— 低通濾波器插入損耗

P1—— 干擾源的輸出功率

P2—— 干擾信號(hào)經(jīng)濾波衰減后傳輸給發(fā)火元件的功率

U1—— 干擾源的輸出電壓

U2—— 干擾信號(hào)經(jīng)濾波衰減后加載在發(fā)火元件上的電壓

2 現(xiàn)有低通濾波器的結(jié)構(gòu)及安裝連接方式

目前在點(diǎn)火電路中常采用Π型低通濾波器，電感L串聯(lián)在一根點(diǎn)火線中，兩個(gè)電容C1和C2并聯(lián)后與地線相連，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中RL是等效的負(fù)載阻抗。

圖1

當(dāng)電感L為4mH，電容C1和C2為50nF，等效負(fù)載阻抗為50Ω，其理想插入損耗隨信號(hào)頻率變化的曲線圖見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出，理想插入損耗是隨信號(hào)頻率的增大而不斷增大，并且當(dāng)頻率大于1MHz后，插入損耗在波特圖上是線性遞增的。

圖2

3 現(xiàn)有低通濾波器接地效果及數(shù)據(jù)

使用兩個(gè)Π型低通濾波器進(jìn)行了不同頻率下的插入損耗實(shí)際測(cè)試， 測(cè)試連接框圖如圖3所示，由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)輸入給低通濾波器，再由頻譜分析儀采集經(jīng)低通濾波器濾波以后的頻率信號(hào)，對(duì)信號(hào)的功率譜進(jìn)行分析，從而得到低通濾波器的插入損耗。

圖3

上述測(cè)試是將低通濾波器的接地端與函數(shù)發(fā)生器和頻譜分析儀的負(fù)極相連，即通過(guò)一根信號(hào)線將低通濾波器中的電容并聯(lián)端與測(cè)試儀的負(fù)極單點(diǎn)連接，該信號(hào)線是用于對(duì)干擾信號(hào)電流提供旁路，來(lái)減小干擾信號(hào)電流從低通濾波器的輸出。

2個(gè)低通濾波器的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出，低通濾波器的實(shí)際插入損耗與理想情況不一致，插入損耗隨干擾信號(hào)頻率的增大不是持續(xù)增大，當(dāng)頻率大于1MHz后，插入損耗是在不斷減小。

表1

圖4

4 低通濾波器的接地對(duì)其性能的影響

在上述圖1的低通濾波器中，當(dāng)點(diǎn)火線中有高頻干擾信號(hào)時(shí)，就會(huì)在電容C1和C2上產(chǎn)生旁路電流，產(chǎn)生的旁路電流都要由低通濾波器的接地線返回干擾信號(hào)源的負(fù)極，而在接地回路中存在接地阻抗，將該阻抗等效為電阻R，形成如圖4所示電路。

按照?qǐng)D4電路圖，列出如下等式：

其中 ：U1—— 干擾源的輸出電壓

U2—— 干擾信號(hào)經(jīng)濾波衰減后加載在發(fā)火元件上的電壓

C1、C2—— 低通濾波器中旁路電容的電容值

L—— 低通濾波器中電感的電感值

R—— 低通濾波器接地線的接地阻抗

RL—— 發(fā)火元件的等效負(fù)載阻抗

UX—— 干擾信號(hào)在接地阻抗R上產(chǎn)生的電壓

ω—— 干擾信號(hào)的角頻率

則由公式（2）、（3）聯(lián)立方程組，解出干擾信號(hào)經(jīng)濾波衰減后加載在發(fā)火元件上的電壓為：

通過(guò)公式（4）可以推出如下結(jié)論：

當(dāng)ω= 0時(shí)，得出U2=U1，即插入損耗F→0，也就是說(shuō)，當(dāng)信號(hào)為直流信號(hào)時(shí)，低通濾波器不對(duì)該信號(hào)進(jìn)行衰減，保證點(diǎn)火直流電壓不在低通濾波器上產(chǎn)生壓降損耗。

當(dāng)ω→∞時(shí)，得出U2→0，即插入損耗F→∞，也就是說(shuō)，當(dāng)信號(hào)頻率無(wú)限增大時(shí)，該信號(hào)電壓將會(huì)被低通濾波器全部衰減。

在R=0時(shí)得出的上述結(jié)論與圖2的理想插入損耗隨信號(hào)頻率變化的曲線圖是一致的。

② 當(dāng)R≠0時(shí)，即低通濾波器的接地線上有接地阻抗，利用公式（4）可以得出：

當(dāng)ω= 0時(shí)，得出U2=U1，即插入損耗F→0，也就是說(shuō)，當(dāng)信號(hào)為直流信號(hào)時(shí)，低通濾波器不對(duì)該信號(hào)進(jìn)行衰減，保證點(diǎn)火直流電壓不在低通濾波器上產(chǎn)生壓降損耗。

當(dāng)ω→∞時(shí)，得出U2→U1，即插入損耗F→0，也就是說(shuō)，當(dāng)信號(hào)頻率無(wú)限增大時(shí)，低通濾波器對(duì)高頻信號(hào)的衰減能力會(huì)減小，直至失去其衰減能力。

低通濾波器在實(shí)際使用時(shí)，其接地線的接地阻抗不可能等于0，所以其插入損耗不會(huì)隨信號(hào)頻率的增大而不斷增大，而是當(dāng)信號(hào)頻率達(dá)到某個(gè)點(diǎn)后，其插入損耗會(huì)隨頻率的增大而不斷減小，這與表1測(cè)試的2個(gè)低通濾波器插入損耗的變化趨勢(shì)是一致的。

對(duì)同一個(gè)低通濾波器在不同接地阻抗下進(jìn)行插入損耗測(cè)試，接地阻抗分別為0.3Ω、0.5Ω、0.7Ω，得到的插入損耗波特圖見(jiàn)圖5.

圖5

從圖5可以看出，這個(gè)低通濾波器的插入損耗也是隨頻率的增大，出現(xiàn)先增大而后緩慢減小的現(xiàn)象。針對(duì)這3個(gè)不同的接地阻抗，在同一頻率下，隨著接地阻抗的增大，測(cè)出的插入損耗會(huì)減小。

5 結(jié)論

低通濾波器應(yīng)用在點(diǎn)火電路中，是通過(guò)接地將高頻干擾信號(hào)電流旁路到地，從而減小流過(guò)發(fā)火元件的干擾電流，保證發(fā)火元件的可靠安全；但接地阻抗的存在，導(dǎo)致低通濾波器的插入損耗會(huì)隨干擾信號(hào)頻率的不斷增大而減小，并且接地阻抗越大，插入損耗會(huì)越小，對(duì)干擾信號(hào)的衰減能力越差。所以在點(diǎn)火電路中使用低通濾波器時(shí)，要盡量減小接地阻抗，如采用增大接地面積、縮短接地回路或多點(diǎn)接地的方法，來(lái)增強(qiáng)低通濾波器對(duì)高頻干擾信號(hào)的衰減能力，保證點(diǎn)火電路的安全可靠，避免因高頻干擾而誤點(diǎn)火。

[1]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].2版.北京：高等教育出版社，1988

[2]吳三強(qiáng). 點(diǎn)火低通濾波器檢測(cè)報(bào)告.西安電子工程研究所校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，2007

[3]邱關(guān)源. 電路. 高等教育出版社. 1996年6月第4版

[4]沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù).北京理工大學(xué)EMC專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)教材,2005