隨著電子技術(shù)逐步向高頻、高速、高精度、高靈敏度的方向發(fā)展，各類電子設(shè)備集成化程度越來(lái)越高，電磁兼容性問(wèn)題日益嚴(yán)峻。由于機(jī)載電子設(shè)備組裝環(huán)境密集，使得產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)也變的格外突出，已成為提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量的重要保證。

01

概念

電磁兼容性(EMC，即ElectromagneticCompatibility)是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境中良好運(yùn)行，并且不對(duì)其所在環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。EMC涵蓋了兩個(gè)方面的要求。一方面指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾(EMI)不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性(EMS)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備互不干擾、兼容運(yùn)行，既要控制騷擾源的電磁發(fā)射，又要提高受騷擾對(duì)象的抗擾度。

02

電磁兼容性設(shè)計(jì)的任務(wù)

電磁兼容性設(shè)計(jì)的任務(wù)是限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播、增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗干擾能力。

03

電磁兼容性設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

<< 優(yōu)化信號(hào)設(shè)計(jì) >>

傳輸信息的電信號(hào)需占用一定的頻譜，為盡量減小干擾，對(duì)有用信號(hào)應(yīng)規(guī)定必要的最小帶寬，這有賴于優(yōu)化信號(hào)波形。

<< 完善線路設(shè)計(jì) >>

應(yīng)設(shè)計(jì)和選用自身發(fā)射小、抗干擾能力強(qiáng)的電子線路(包括集成電路)作為電子設(shè)備的單元電路。

<<屏蔽 >>

用屏蔽體將干擾源包封起來(lái)，可防止干擾電磁場(chǎng)通過(guò)空間向外傳播(主動(dòng)屏蔽)；反之，用屏蔽體將感受器包封，就可使感受器免受外界空間電磁場(chǎng)的影響(被動(dòng)屏蔽)。屏蔽技術(shù)雖能減小近場(chǎng)感應(yīng)和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射等電磁干擾的傳播，但是它又帶來(lái)設(shè)備通風(fēng)散熱困難、維修不便，重量、體積和成本的增加設(shè)計(jì)時(shí)，要權(quán)衡利弊，以最佳的形式來(lái)滿足電磁兼容性要求。

<< 接地與搭接 >>

不管是否與大地有實(shí)際連接，只要為電源和信號(hào)電流提供了回路和基準(zhǔn)電位，就通稱為接地。電子設(shè)備接地是抑制噪聲和防止干擾的重要措施之一。設(shè)計(jì)中如能周密設(shè)計(jì)地線系統(tǒng)，綜合使用接地、濾波和屏蔽等措施，往往可以事半功倍，有效地提高設(shè)備的電磁兼容性。

<< 濾波>>

是將信號(hào)中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。一般來(lái)說(shuō)，可以借助抑制元件(如選用合適的濾波器)和濾波電路等辦法來(lái)達(dá)到目的，以抑制可用信號(hào)頻譜以外不希望通過(guò)的能量。

<< 合理布局>>

包括系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)各單元之間的相對(duì)位置和電纜走線等，其基本原則是使感受器和干擾源盡可能遠(yuǎn)離，輸出與輸入端口妥善分隔，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設(shè)。通過(guò)合理布局能使相互干擾減小到最小程度而又費(fèi)用增加不多。

04

電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及具體措施

<<整機(jī)屏蔽結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)要求>>

結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品的重要組成部分，是解決電磁兼容性問(wèn)題的重要途徑。結(jié)構(gòu)本身并不存在電磁兼容的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)屏蔽的功能就是切斷電磁波在空間傳播通道，降低系統(tǒng)對(duì)外的輻射，同時(shí)也可以降低外部電磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備內(nèi)部的干擾，從而有助于提高系統(tǒng)的電磁兼容性。機(jī)載產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)電磁兼容性設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面：

(1) 規(guī)劃電路板的安裝位置、輸入輸出的接插件位置，精心布局各模塊以及模塊內(nèi)器件，在滿足散熱要求的前提下，盡量集中，縮短高速信號(hào)線的長(zhǎng)度，在長(zhǎng)度較長(zhǎng)的高速信號(hào)連線上串接消振電阻，消除振鈴影響；

(2) 在外部數(shù)據(jù)及電源接口的引線處采取必要的濾波措施，減小通過(guò)外部數(shù)據(jù)及電源線引入機(jī)內(nèi)的電磁干擾，同時(shí)減小用戶終端通過(guò)數(shù)據(jù)線及電源線對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生影響；

(3) 合理設(shè)計(jì)模塊間接的關(guān)系及連接電纜，天線與射頻模塊之間采用同軸電纜連接，以屏蔽外界干擾。注意內(nèi)部電線、電纜的走向與布局，避免連接電纜形成的相互干擾；

(4) 接口連接器選用了帶有屏蔽外殼的器件，為使外殼與機(jī)殼保持良好的電連接性，連接器與機(jī)殼間加有導(dǎo)電橡膠；

(5) 屏蔽設(shè)計(jì)：

a) 殼體優(yōu)選整體、少縫隙結(jié)構(gòu)并應(yīng)盡量減少殼體上的貫穿孔洞；

b) 殼體屏蔽效能設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)按照對(duì)象所處電磁環(huán)境機(jī)工作頻率區(qū)別對(duì)待；

c) 對(duì)屏蔽要求高的單元，如功率發(fā)射部件、敏感接收部件，應(yīng)在殼體內(nèi)部采用第二重屏蔽措施；對(duì)陰極射線管管頭，必須專門(mén)進(jìn)行低頻磁屏蔽，并輔以直流消磁措施；

d) 插箱內(nèi)印制電路板組件之間的近場(chǎng)耦合較強(qiáng)時(shí)，優(yōu)選尺寸規(guī)格相同的雙面地網(wǎng)式接地印制電路板作屏蔽及導(dǎo)熱板。

<< 各類縫隙、開(kāi)孔、隔腔屏蔽實(shí)操措施>>

(1)縫隙屏蔽設(shè)計(jì)

縫隙屏蔽分為兩種方式：緊固點(diǎn)(包括螺釘、鉚釘、點(diǎn)焊等)連接和在縫隙中安裝屏蔽材料。緊固點(diǎn)連接的方案工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，一般是首選的方法。對(duì)于活動(dòng)縫隙或者結(jié)構(gòu)方案中不允許采取太多緊固點(diǎn)的屏蔽體，可以在縫隙中安裝屏蔽材料。

(2)緊固點(diǎn)連接縫隙

縫隙的屏蔽效能與電磁波的特性、材料的導(dǎo)磁率、導(dǎo)電率、縫隙的最大尺寸，縫隙的深度等因素有關(guān)，其中最主要的因素是縫隙的最大尺寸和縫隙的深度。減小縫隙的最大尺寸、增加縫隙的深度有利于提高縫隙的屏蔽效能。

(3) 安裝屏蔽材料

活動(dòng)縫隙或者其他條件限制不能使用太多的緊固點(diǎn)時(shí)，可以在縫隙中安裝屏蔽材料。對(duì)于安裝屏蔽材料縫隙，影響其屏蔽效能的因素有：電磁波的特性、零件與屏蔽材料之間的接觸阻抗和屏蔽材料本身的電導(dǎo)率。零件與屏蔽材料之間的接觸阻抗越小，屏蔽效能越高。而零件與屏蔽材料之間的接觸阻抗與屏蔽材料本身的阻抗、屏蔽材料的壓縮量和屏蔽材料的安裝形式有關(guān)?？p隙屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用導(dǎo)電性良好的屏蔽材料，導(dǎo)電屏蔽條類型如圖1所示。

采用合適的安裝形式，導(dǎo)電屏蔽條安裝圖如圖2所示，對(duì)屏蔽材料施加足夠的壓縮量，以獲得屏蔽材料與零件之間較低的接觸阻抗。選用屏蔽材料時(shí)，還需要注意屏蔽材料與零件之間的相容性，避免產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

主機(jī)腔體和主機(jī)底板組件的連接采用擠壓導(dǎo)電襯墊的結(jié)構(gòu)形式。在主機(jī)腔體和主機(jī)底板組件之間增加導(dǎo)電襯墊，此種方式能將主機(jī)腔體和主機(jī)底板組件組成有效的屏蔽腔體，能將設(shè)備和外部電磁環(huán)境進(jìn)行隔離。連接方式如圖2(a)所示。

機(jī)箱盒體和盒蓋之間的縫隙屏蔽，連接處選用專用導(dǎo)電橡膠屏蔽條，結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)合適的凹槽，防止內(nèi)部信號(hào)和干擾向外輻射，也防止了外部干擾向內(nèi)部輻射，從而把電磁波通過(guò)殼體和蓋板之間的縫隙進(jìn)行傳播的可能性減至最小,如圖2(b)所示。

紐子開(kāi)關(guān)與安裝面板接觸面間設(shè)有導(dǎo)電襯墊，通過(guò)螺母旋緊后起到屏蔽的作用，如圖2(c)所示。

(4) 開(kāi)孔屏蔽設(shè)計(jì)

最常用的通風(fēng)孔是穿孔金屬板，穿孔金屬板就是直接在結(jié)構(gòu)件的金屬板上面開(kāi)陣列的孔。穿孔金屬板的孔隙率在30-60%之間，一般能夠滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品散熱的需要；屏蔽效能在10-30dB/1GHz之間。影響穿孔金屬板的屏蔽效能最大的因素是開(kāi)孔最大尺寸，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)孔時(shí)要綜合考慮開(kāi)孔尺寸、孔間距和孔的形狀和板厚等信息。有些產(chǎn)品由于發(fā)熱量很小，可以不考慮開(kāi)散熱孔。

(5)隔腔屏蔽設(shè)計(jì)

當(dāng)單板上有局部強(qiáng)干擾源或者敏感電路時(shí)，需要隔腔式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，隔腔設(shè)計(jì)主要用于工作頻率十分高的場(chǎng)合，如射頻模塊。隔腔與蓋板形成封閉腔體，將各信號(hào)鏈路隔開(kāi)，能夠極大地防止信號(hào)外泄和串入。各部分組成采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊通過(guò)外殼的屏蔽將內(nèi)外部空間切斷，模塊化符合電磁屏蔽設(shè)計(jì)要求，各部分模塊的屏蔽示意圖如圖3所示。

機(jī)箱采用全屏磁、全封蔽設(shè)計(jì)，機(jī)箱采用整塊鋁合金板經(jīng)過(guò)銑床加工而成，將機(jī)箱分為相互獨(dú)立的多個(gè)腔體，直流穩(wěn)壓器和主控模塊隔離在金屬板(隔板)的兩面，減少了兩者之間的電磁干擾。保證了模板之間的穩(wěn)定性。從而有效地防止了電磁干擾。結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

(6)選擇屏蔽體材料

電屏蔽分析往往把屏蔽體當(dāng)作理想導(dǎo)體。實(shí)際屏蔽體具有一定的阻抗，屏蔽體自身阻抗越大，其屏蔽效能越差，所以屏蔽體應(yīng)選用良導(dǎo)體，如銅、鋁等。高頻時(shí)，屏蔽體表面鍍銀，以提高屏蔽效能。點(diǎn)屏蔽體的厚度越大，屏蔽效能越好，但考慮到重量、強(qiáng)度、加工工藝等要求，材料厚度能滿足強(qiáng)度要求，就能滿足屏蔽要求。

機(jī)箱和模塊單元?dú)んw所用的結(jié)構(gòu)材料，必須滿足屏蔽要求，并保持屏蔽性能的穩(wěn)定?？紤]到重量的要求，機(jī)箱和模塊單元?dú)んw材料采用5A05航空鋁板。襯墊選用具有導(dǎo)電屏蔽功能的襯墊。

(7)選用屏蔽罩

模塊部分單元電路采用屏蔽罩對(duì)電磁敏感的器件進(jìn)行處理，確保設(shè)備在裝入整機(jī)后不受其他模塊干擾也不干擾其他模塊正常工作。如信標(biāo)天線采用獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)，信標(biāo)發(fā)生模塊部分單元電路采用合適的大小的金屬屏蔽罩對(duì)電磁敏感的器件進(jìn)行處理，確保設(shè)備在裝入整機(jī)后不受其他模塊干擾也不干擾其他模塊正常工作。

05

電磁兼容性電路設(shè)計(jì)及具體措施

<<電路電磁兼容性設(shè)計(jì) >>

(1) 分層

對(duì)于信標(biāo)控制模塊和北斗數(shù)據(jù)處理模塊，多種電源相互交錯(cuò)的單板，采取電源層分割，印制板設(shè)計(jì)采用四層板，覆銅面化金，過(guò)孔金屬化。

(2) 電源系統(tǒng)干擾的抑制

為抑制電源系統(tǒng)干擾，在PCB總體設(shè)計(jì)上，采用電源層供電的方法，分布電阻低，供電平穩(wěn)，且可作為噪聲回路，降低干擾；同時(shí)電源層還為系統(tǒng)所有信號(hào)提供回路，消除公共阻抗耦合干擾。

a) 元器件布局和布線

將模擬與數(shù)字電源的電源分開(kāi)。在信號(hào)需要跨越模擬和數(shù)字兩部分的位置，在信號(hào)跨越處，放置一條回路以減小環(huán)路面積。

根據(jù)印制電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，以減少環(huán)路電阻。電源線盡可能與地線平行，同時(shí)使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?。在集成芯片的附近安裝去耦電容，減少電源線的負(fù)載，克服電源線的電壓波動(dòng)。

b) 地線噪聲干擾的抑制

解決地環(huán)路干擾的方法是切斷地環(huán)路，增加地環(huán)路的阻抗，使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。

c) 信號(hào)傳輸線間串?dāng)_的抑制

為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線時(shí)盡量避免長(zhǎng)距離的平行走線，盡可能地增大信號(hào)線間的距離，信號(hào)線與地線及電源線之間盡可能不交叉，有效地減少容性串?dāng)_。避免傳輸線的阻抗不連續(xù)性，避免走線的直拐角，盡可能45°角、弧線或者大彎角。

<< 電路電磁兼容性設(shè)計(jì)的具體措施 >>

元器件的選型:

(1) 電路板上的濾波及去耦元件采用表面封裝器件，以減小寄生參數(shù)效應(yīng)；

(2) 選擇功率消耗較小、抗干擾度高的器件；

(3) 晶體振蕩器選用帶有金屬屏蔽殼體的器件。

布局規(guī)劃:

(1) 電路采用四層板；核心部分內(nèi)電層分為電源VCC層和接地層，其他部分兩層內(nèi)電層都為信號(hào)層；在提高核心部分的布線冗裕度的同時(shí)，有效地抑制核心部分對(duì)外的電磁干擾，同樣也有效地阻止了外界干擾信號(hào)對(duì)本主板核心部分的侵襲；

(2) 接口電路在PCB布局中是單獨(dú)規(guī)劃的；

(3) 晶振等輻射電路放在PCB板的內(nèi)側(cè)，不在PCB板邊緣。

布線:

(1)將信標(biāo)控制單元(數(shù)字電路)與信標(biāo)信號(hào)發(fā)生單元(模板電路)分別制成兩塊電路板，以減少模塊間互相干擾；

(2)PCB進(jìn)行布線時(shí)遵循垂直布線和回路布線原則；

(3)布線時(shí)采用3-W原則；

(4)布線時(shí)考慮電流流向，盡可能使整個(gè)板子的主要電流流向一致；

(5)電路中的主電源線多比較寬，增強(qiáng)電路各部分電壓的穩(wěn)定性。

濾波:

(1) 在電源供電電路中采用磁珠和電容組成的LC濾波電路；

(2)電源芯片的輸入輸出端接多個(gè)容值的電容，在一個(gè)較寬的頻率范圍里濾波；

(3)電源線主要節(jié)點(diǎn)處使用磁珠連接，有效地將電源線路上的干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化成熱能；

(4)主要芯片的電源引腳處均焊裝濾波、貯能電容，降低芯片工作時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)和提高該處電壓的穩(wěn)定性。

接地:

(1) PCB板采用多點(diǎn)接地；

(2) 電路板的頂層和底層覆銅接地；

(3) 晶振外殼接地。

接口電路電磁兼容設(shè)計(jì):

(1) 遵循先防護(hù)后濾波的原則；

(2) 接口信號(hào)線布線的線寬一致；

(3) 開(kāi)關(guān)量輸入輸出口采用小電容濾波，串聯(lián)電阻保護(hù)接口和阻抗匹配；

(4) 接口電路采用磁珠和電容組成的LC濾波電路。

連接器電磁兼容性設(shè)計(jì):

選用帶濾波的專用航空接頭，為使外殼與機(jī)殼保持良好的電連接性，連接器與機(jī)殼間的接觸面采用了廠家配置的導(dǎo)電橡校墊，實(shí)現(xiàn)整體對(duì)外屏蔽。

穿心電容:

穿心電容的特點(diǎn)是連接時(shí)不需要專門(mén)的引出線。數(shù)字電路印制板的輸入、輸出布線處均采用了調(diào)頻磁珠；印制板之間的連線均采取穿心電容連接，以減少干擾；每根RS422通信電纜均采用屏蔽雙絞線，減少相互干擾。

檢驗(yàn)電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要措施是進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)可以暴露產(chǎn)品的電磁兼容性，特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的薄弱環(huán)節(jié)，以便更好地改進(jìn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量。