顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)診斷及整改方法

掌孝政

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 222006）

1 顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)診斷及整改方法

1.1 顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)診斷及整改方法思路

在顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)診斷時(shí)，工程師需要結(jié)合同類產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗(yàn)及EMC 理論知識(shí)[1]，對(duì)電磁干擾的頻率、幅值及耦合方式進(jìn)行分析，觀察所有可能引起干擾的因素——電源、接地[2]、互連電纜、屏蔽[3]、高速數(shù)字開(kāi)關(guān)元件等，依次檢查設(shè)備的每一部分。顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)診斷的一般思路如圖1所示。

圖1 顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射診斷的一般思路

顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)整改是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中，所有測(cè)量結(jié)果均是以dB 為單位的，功率、電壓、電流的計(jì)算公式如下：

式中：

PdB—整改后設(shè)備輻射功率改善量；

P2—整改后的設(shè)備輻射功率；

P1—整改前的設(shè)備輻射功率。

式中：

UdBuV—整改后設(shè)備輻射電壓改善量；

U2—整改后的設(shè)備輻射電壓；

U1—整改前的設(shè)備輻射電壓。

式中：

IdBuV—整改后設(shè)備輻射電流改善量；

I2—整改后的設(shè)備輻射電流；

I1—整改前的設(shè)備輻射電流。

在整改過(guò)程中，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示的整改效果是整改前與整改后的比值。顯控臺(tái)整改示例可參見(jiàn)文獻(xiàn)[4，5]中附錄A。

1.2 顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)診斷方法

顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)診斷方法主要有以下幾種：

1）排除法

主要用于判斷設(shè)備內(nèi)某一獨(dú)立工作的電路是否存在電場(chǎng)輻射超標(biāo)問(wèn)題或判斷系統(tǒng)內(nèi)可獨(dú)立工作的某一設(shè)備是否存在電場(chǎng)輻射超標(biāo)問(wèn)題，排除法可將電場(chǎng)輻射超標(biāo)診斷范圍縮小至設(shè)備級(jí)或電路級(jí)。

2）替代法

替代法是將設(shè)備內(nèi)的某一電路或系統(tǒng)內(nèi)的某一設(shè)備用模擬負(fù)載或用無(wú)電場(chǎng)輻射超標(biāo)問(wèn)題的設(shè)備替代，用以確定電路或分系統(tǒng)是否存在電場(chǎng)輻射超標(biāo)問(wèn)題。

3）測(cè)試法

診斷測(cè)試一般利用近場(chǎng)探測(cè)設(shè)備，測(cè)試局部的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)、磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)或時(shí)域波形、幅度等。診斷測(cè)試可以快速確定產(chǎn)生電場(chǎng)輻射超標(biāo)的主要原因，確定干擾源的位置和耦合途徑，并驗(yàn)證改進(jìn)措施效果，進(jìn)而為快速、準(zhǔn)確的解決電場(chǎng)輻射超標(biāo)問(wèn)題創(chuàng)造條件。

電磁兼容故障診斷方法一般分為設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)。設(shè)備級(jí)診斷主要關(guān)注電源上的傳導(dǎo)干擾、機(jī)箱泄漏、信號(hào)線和控制線等部位；系統(tǒng)級(jí)診斷一般采用排除法、替代法，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備間的相互干擾。在工程上，使用近場(chǎng)探頭進(jìn)行輻射干擾定位時(shí)，將近場(chǎng)探頭沿被測(cè)試設(shè)備移動(dòng)，尋找干擾最大處；或?qū)⑻筋^置于選好的檢測(cè)點(diǎn)，用頻譜分析儀檢測(cè)干擾的幅度、重復(fù)頻率和波形參數(shù)。針對(duì)測(cè)得的干擾，一般從以下幾方面考慮：

①測(cè)得的干擾是否與電源開(kāi)關(guān)頻率及諧波有關(guān)；

②測(cè)得的干擾是否與顯示器產(chǎn)生的電場(chǎng)輻射干擾有關(guān)；

③測(cè)得的干擾是否與互連電纜、連接器的電場(chǎng)輻射干擾有關(guān)；

④測(cè)得的干擾是否與設(shè)備接地有關(guān)；

⑤測(cè)得的干擾是否與時(shí)鐘頻率的諧波有關(guān)；

⑥測(cè)得的干擾是否與晶振頻率及諧波有關(guān)；

⑦測(cè)得的干擾是否由于有源器件的非線性和無(wú)源器件銹蝕等非線性特性影響導(dǎo)致組合干擾。

在解決電場(chǎng)輻射超標(biāo)問(wèn)題時(shí)，最重要的一個(gè)問(wèn)題是判斷干擾的來(lái)源。只有準(zhǔn)確將干擾源定位后，才能夠提出解決超標(biāo)的措施。根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)確定干擾源是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)樵谛盘?hào)的所有特征中，頻率特征是最穩(wěn)定的，并且電路設(shè)計(jì)人員往往對(duì)電路中各個(gè)部位的信號(hào)頻率都十分清楚。因此，只要知道了干擾信號(hào)的頻率，就能夠推測(cè)出干擾是哪個(gè)部位產(chǎn)生的。由于頻譜分析儀的中頻帶寬較窄，因此能夠?qū)⑴c干擾信號(hào)頻率不同的信號(hào)濾除掉，精確地測(cè)量出干擾信號(hào)頻率，從而判斷產(chǎn)生干擾信號(hào)的電路[6]。對(duì)于電場(chǎng)輻射干擾信號(hào)，用頻譜分析儀做這種測(cè)量是十分簡(jiǎn)單有效的。

1.3 顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)整改方法

影響顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射干擾的主要因素有：電源線及互連電纜、機(jī)箱屏蔽、顯示單元、操控模塊等。顯控臺(tái)輻射超標(biāo)整改方法的一般流程如圖2 所示。

顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試[7]應(yīng)滿足GJB 151B-2013[8]中5.20 章節(jié)“ RE10210 k～18 GHz 電場(chǎng)輻射發(fā)射”的相關(guān)規(guī)定。當(dāng)顯控臺(tái)存在電場(chǎng)輻射超標(biāo)時(shí)，首先應(yīng)考慮的是電纜輻射，其次是顯示屏、操控模塊、機(jī)箱等。電纜輻射超標(biāo)的診斷最常用的方法是排除法，即先將顯控臺(tái)的外接電纜全部拆除，判斷顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射超標(biāo)是否由信號(hào)電纜導(dǎo)致。如果拆除信號(hào)電纜后，顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則將信號(hào)電纜逐根接上，記錄每根電纜接上后輻射干擾數(shù)據(jù)，直到輻射干擾再次超標(biāo)，則最后接上的電纜為輻射干擾源，可采取響應(yīng)的屏蔽或?yàn)V波措施，信號(hào)電纜屏蔽層通常采用360 °環(huán)接方式。重復(fù)該過(guò)程，直到所有電纜都接上為止。如果在接上斷開(kāi)電纜過(guò)程中，每次輻射干擾電平僅僅變化很少（3 dB ～6 dB），則意味著所有的電纜對(duì)輻射干擾均有影響，采取進(jìn)一步措施確定顯控臺(tái)內(nèi)部的輻射干擾源，或?qū)λ行盘?hào)電纜采取措施。顯控臺(tái)電纜輻射超標(biāo)整改方法如圖3 所示。

圖2 顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射干擾整改方法流程圖

圖3 顯控臺(tái)電纜輻射干擾整改方法流程圖

如果拆下所有信號(hào)電纜后，顯控臺(tái)仍存在輻射干擾超標(biāo)現(xiàn)象，則干擾輻射源可能是電源電纜或顯控臺(tái)本身。如果干擾源為電源電纜，將電源電纜屏蔽層采用360 °環(huán)接方式，若仍然超標(biāo)，可以采用傳導(dǎo)干擾故障診斷方法進(jìn)行定位，改善電源端的接地，或在電源前端加裝濾波器等措施進(jìn)行整改；如果干擾源為顯控臺(tái)本身，可采用近場(chǎng)探頭法進(jìn)行故障定位。一般來(lái)說(shuō)，低頻（＜200 MHz）輻射發(fā)射問(wèn)題是與電纜物理長(zhǎng)度相關(guān)的典型電纜線問(wèn)題。當(dāng)電纜或設(shè)備的物理尺寸接近1/4 或1/2波長(zhǎng)時(shí)，電纜就會(huì)變成一個(gè)有效的輻射源。而對(duì)于高頻輻射，一般由外殼造成的，因?yàn)橐话憧p隙的物理尺寸接近高頻波長(zhǎng)的1/4 或1/2 倍。

通過(guò)上述分析，可知顯控臺(tái)的各功能部件的頻帶重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，在產(chǎn)品研制或符合性測(cè)試時(shí)，針對(duì)出現(xiàn)的電場(chǎng)輻射干擾信號(hào)，需進(jìn)行相關(guān)性分析或使用近場(chǎng)探頭，對(duì)信號(hào)源進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

近場(chǎng)探頭可以有效的進(jìn)行輻射源定位，一般情況下，顯控臺(tái)近場(chǎng)測(cè)試主要關(guān)注點(diǎn)包含：機(jī)箱上的縫隙、連接器、孔（通風(fēng)孔等），顯示屏，操控模塊，外部電纜，內(nèi)部電纜或?qū)Ь€接頭，電源屏蔽密封材料等。使用近場(chǎng)探頭時(shí)，在可能的輻射源（縫隙、連接器、電纜等）附近緩慢移動(dòng)，記錄每個(gè)輻射源的干擾頻率及電壓，輻射電壓最高點(diǎn)可能是輻射干擾的泄漏點(diǎn)。

近場(chǎng)測(cè)試故障診斷示意圖如圖4 所示。

如果泄漏來(lái)自于顯控臺(tái)電纜，可以用電流探頭測(cè)量電纜上的干擾電流，電纜的輻射強(qiáng)度（E）與電流（I）的關(guān)系如下式：

當(dāng)L＞l/2 或l/4 時(shí)：

式中：

E—電纜的輻射強(qiáng)度；

I—電纜上的共模電流；

L—電纜長(zhǎng)度；

f—共模電流頻率；

D—天線與電纜距離。

電纜的輻射強(qiáng)度與電流電平成正比，如需降低電纜輻射電平，只需要采取措施降低電纜干擾電流即可。

由于電場(chǎng)輻射干擾大都由設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生，如需進(jìn)一步抑制輻射干擾，還需要對(duì)顯控臺(tái)內(nèi)部電纜、印制板、元器件進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試。如在印制板上直接測(cè)量到較強(qiáng)的輻射，則需要對(duì)印制板布局、走線進(jìn)行整改或進(jìn)行去耦設(shè)計(jì)[9]。

在明確顯控臺(tái)主要電場(chǎng)輻射干擾源及整改措施后，需從經(jīng)濟(jì)性及可實(shí)現(xiàn)性的角度出發(fā)，對(duì)整改措施進(jìn)行分類，并對(duì)每一項(xiàng)措施對(duì)設(shè)備電場(chǎng)輻射發(fā)射的影響進(jìn)行驗(yàn)證，在滿足顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射指標(biāo)的前提下，剔除經(jīng)濟(jì)性差、不容易實(shí)現(xiàn)的整改措施，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)顯控臺(tái)的研制、設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，以提高顯控臺(tái)的電場(chǎng)輻射發(fā)射性能。

2 顯控臺(tái)整改示例

假設(shè)某顯控臺(tái)有5 處潛在的電場(chǎng)輻射發(fā)射干擾源，其電場(chǎng)輻射發(fā)射分別占總輻射量值的50 %、30 %、15 %、4 %和1 %。

將五個(gè)干擾源全部處理完畢后，總的改善量為：65 dB。整改后效果如圖6 所示。

圖4 近場(chǎng)探頭故障診斷示意圖

如果將整改順序改變一下，首先整改第三大干擾源，則整改測(cè)量結(jié)果將發(fā)生較大變化：

2）解決最大干擾源，測(cè)量結(jié)果改善量為：

3）解決第二大干擾源，測(cè)量結(jié)果改善量為：

4）解決第四大干擾源，測(cè)量結(jié)果改善量為：

5）解決第五大干擾源，測(cè)量結(jié)果改善量為：

此時(shí)，總的改善量只有16.6 dB。如果再返回來(lái)考慮采取解決第三大干擾源的問(wèn)題，測(cè)量結(jié)果的改善量為：，如圖7 所示。

通過(guò)該整改示例可知，電場(chǎng)輻射干擾源的整改順序?qū)φ慕Y(jié)果有著非常重要的影響，合理的選擇干擾源整改順序有助于高效、快捷地解決電場(chǎng)輻射干擾問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)海軍艦艇顯控臺(tái)的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，從電源、接地、互連、部件等方面對(duì)電子信息裝備的電磁兼容性及影響因素進(jìn)行分析。對(duì)海軍艦艇顯控臺(tái)的電磁兼容故障診斷技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，對(duì)電磁兼容故障診斷過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，提出了電子信息裝備電磁兼容性故障診斷方法及常見(jiàn)電磁兼容性故障的整改辦法；采用化整為零，模塊化分析方法。針對(duì)顯控臺(tái)的加固計(jì)算機(jī)、加固液平板顯示器、觸摸屏、觸摸球、搖桿以及數(shù)字小鍵盤(pán)等各個(gè)模塊進(jìn)行分析。從而找到顯控臺(tái)可能存在的電場(chǎng)輻射發(fā)射超標(biāo)的問(wèn)題。并針對(duì)各個(gè)模塊給出整改措施。

圖6 某顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射整改效果示意圖（一）

圖7 某顯控臺(tái)電場(chǎng)輻射發(fā)射整改效果示意圖（二）