某星載應答機電磁兼容性設計案例

應答機是一種能在收到無線電詢問信號時，自動對信號做出回應的一種電子設備。應答機裝載于被測控衛(wèi)星系統(tǒng)上，接收地面測控系統(tǒng)的上行信號，并按一定的載頻轉發(fā)比向地面轉發(fā)信號。應答機一般由天線、接收機、發(fā)射機和電源等組成。在結構設計時通常采用功能模塊單元的方式將電路功能劃分為：電源單元、數(shù)字單元和信道單元。

作為信號收發(fā)用裝置，應答機產品對信號具有較高的靈敏度，因此容易受到電磁信號的干擾，電磁屏蔽設計在產品設計中占據十分重要的地位。

一、整機的電磁兼容結構形式

為了提高設備的電磁兼容性能，在設計初始階段就應該綜合考慮整機的布局、接地、搭接和屏蔽措施。電磁屏蔽效能在很大程度上取決于屏蔽體的結構形式。設計時將可能產生電磁干擾的各個部件分區(qū)布置，各區(qū)間設置相應的屏蔽隔板，各屏蔽隔板之間保持良好的搭接。電磁干擾主要通過傳導、輻射和耦合進行傳播，為了提高屏蔽效能，應盡量使各屏蔽板保持電氣連續(xù)性，安排好各電路部分接地，以便控制各電路部分之間的干擾和機殼的輻射泄漏。

該設備的主要干擾源為電源、高頻和數(shù)字模塊產生的電磁輻射和來自機箱外部的電磁輻射等，敏感性部件為印制板模塊。結合以上分析，根據各電路部分的連接關系及散熱和維修等確定機箱整體布局，如圖1所示。

圖1 某應答機機箱整體布局

主要設計措施包括：

① 為高頻電路部分的印制板模塊設計了屏蔽盒。

② 將高頻部分布置在機箱的下部，數(shù)字電路部分布置在機箱的中間，電源模塊布置在機箱的上部。

③ 在各功能模塊電源入口處采用濾波電路。

④ 各部分印制板模塊都采用單獨的屏蔽腔對其進行電磁屏蔽，屏蔽盒與機殼之間保持良好的電接觸。

二、機箱的電磁屏蔽設計

電磁屏蔽的作用是切斷電磁能量從空間傳播的路徑，達到消除電磁干擾的目的。該機箱殼體和屏蔽盒均采用高電導率的鋁合金材料制成，并經導電氧化處理，使其能夠長期保持良好的導電性能。設備殼體與蓋板在加工時采用研磨工藝，確保接觸面的平整度，消除縫隙上的不連續(xù)點，用盡量多的螺釘壓緊，形成可靠的電氣搭接。針對不同的泄漏形式，該機箱在結構上主要采取了以下具體措施。

（1）印制板組裝件的屏蔽

① 由于各印制板組裝件既是干擾源又是敏感體，因此將其用單獨的屏蔽盒進行屏蔽。

② 為了防止高頻印制板組件內部各級之間的相互干擾，對內部各級進行了屏蔽隔離處理（對PCB進行電磁兼容設計）。

③ 為使屏蔽盒和屏蔽蓋之間的接觸面保持平整，盡可能多地布置了緊固螺釘，使盒與蓋保持良好的電接觸，消除縫隙泄漏的影響，提高了屏蔽效能，如圖2所示。

圖2 印制板組裝件屏蔽盒

（2）結構件間接縫的屏蔽

一般情況下，結構件不同部分的結合處不可能完全接觸，只能在某些點接觸，這就構成了一個孔洞陣列。縫隙是造成機箱屏蔽效能降低的主要原因之一。機箱采用導電性能良好的鋁合金材料加工而成，機箱與上、下蓋板的接縫均為狹長縫，它們是電磁泄漏的主要通道。為了提高屏蔽效能，必須盡可能消除或減小縫隙長度，增大縫隙的有效厚度。

本產品在箱體與蓋板的各個界面上均設計了“L”溝槽（如圖3所示），溝槽的作用是增加金屬間的搭接面積，減小搭接電阻，以提高導電效果和屏蔽功能。

圖3 “L”形接縫屏蔽設計

此外，蓋板和箱體要有足夠的剛度，以防搭接過程中發(fā)生變形，產生新的不連續(xù)點，導致射頻泄漏，本產品設計前進行了剛度仿真，經試驗驗證達到了設計要求。

（3）電連接器和機箱的搭接屏蔽

電連接器，特別是高頻連接器與機殼的接觸阻抗大，使傳導發(fā)射變大，極大地影響電磁屏蔽效果。因此必須采取手段減小電連接器與機殼的搭接電阻（一般要求不高于10Ω），以有效控制該處縫隙的電磁泄漏。

本產品除采用“L”形結構設計，增大接觸面積外，還采用了“露白”處理（將導電氧化后的電連接器安裝部位銑掉表層，提高平整度、增大搭接電阻），如圖4所示。

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圖4電連接器安裝部位屏蔽設計

三、濾波設計

為了控制電源干擾，將電源模塊布置在單獨的屏蔽空間內（電源單元），在應答機的直流電源入口處增加電源濾波器。由于該應答機為低壓直流供電的，為了防止瞬態(tài)過電壓和過電流的沖擊，在電源入口處增加浪涌抑制器，除了嚴格把握電源模塊的設計和濾波器、浪涌抑制模塊的選擇外，濾波器和浪涌抑制模塊還應該采取正確的安裝方法。

本應答機將電源濾波器和浪涌抑制模塊固定在靠近電源入口處，并用屏蔽板隔離，電源濾波器和浪涌抑制器的屏蔽殼都進行了良好的接地，通過這樣的處理，電源線傳導發(fā)射、電源線傳導抗擾度、電源線尖峰信號傳導抗擾度等方面均達到設計要求，如圖5所示。

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圖5濾波設計

四、接地設計

由于地線阻抗的存在，當?shù)鼐€中流過電流時，會在地線上產生電壓，通過地線耦合進入電路，引起地線干擾，使系統(tǒng)的功能受到影響。當兩個電路公用一段地線時，電路的地電位會受另一個電路工作電流的調制，這樣一個電路中的信號會耦合進另一個電路，引起地線干擾。好的接地系統(tǒng)是抑制電磁干擾的一種技術措施，其電路和設備地線任意兩點之間的電壓與線路中的任何功能部分相比較，都可以忽略不計；反之，接地系統(tǒng)不良是造成干擾和輻射的主要因素。

本應答機采用了以下方法來解決地環(huán)路的干擾問題：

① 低頻信號采用單點接地，以削弱地環(huán)路干擾。

② 高頻信號采用就近、多點接地，以抑制電場輻射。

③ 數(shù)字信號包含大量諧波分量，按高頻信號對待。

④ 該設備為星載電子設備，在機殼上設置了接地裝置，接地樁采用鍍金工藝（如圖6所示），保證了產品外殼與衛(wèi)星平臺基本結構的良好搭接，能夠提供連續(xù)的低阻通路。

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圖6 接地樁設計