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)備集成化程度越來越高，電磁兼容性問題日益嚴(yán)峻。由于機載電子設(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)境中良好運行，并且不對其所在環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。EMC涵蓋了兩個方面的要求。一方面指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾(EMI)不能超過一定的限值；另一方面是指設(shè)備對所在環(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)，為實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備互不干擾、兼容運行，既要控制騷擾源的電磁發(fā)射，又要提高受騷擾對象的抗擾度。

02

電磁兼容性設(shè)計的任務(wù)

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

03

電磁兼容性設(shè)計的技術(shù)要點

<< 優(yōu)化信號設(shè)計 >>

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

<< 完善線路設(shè)計 >>

應(yīng)設(shè)計和選用自身發(fā)射小、抗干擾能力強的電子線路(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，可防止干擾電磁場通過空間向外傳播(主動屏蔽)；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的影響(被動屏蔽)。屏蔽技術(shù)雖能減小近場感應(yīng)和遠(yuǎn)場輻射等電磁干擾的傳播，但是它又帶來設(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)計時，要權(quán)衡利弊，以最佳的形式來滿足電磁兼容性要求。

<< 接地與搭接 >>

不管是否與大地有實際連接，只要為電源和信號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)計中如能周密設(shè)計地線系統(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>>

是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。一般來說，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達(dá)到目的，以抑制可用信號頻譜以外不希望通過的能量。

<< 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)。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而又費用增加不多。

04

電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計及具體措施

<<整機屏蔽結(jié)構(gòu)總體設(shè)計要求>>

結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品的重要組成部分，是解決電磁兼容性問題的重要途徑。結(jié)構(gòu)本身并不存在電磁兼容的問題，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)對外的輻射，同時也可以降低外部電磁場對設(shè)備內(nèi)部的干擾，從而有助于提高系統(tǒng)的電磁兼容性。機載產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)電磁兼容性設(shè)計主要有以下幾個方面：

(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，縮短高速信號線的長度，在長度較長的高速信號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，減小通過外部數(shù)據(jù)及電源線引入機內(nèi)的電磁干擾，同時減小用戶終端通過數(shù)據(jù)線及電源線對其它設(shè)備產(chǎn)生影響；

(3) 合理設(shè)計模塊間接的關(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，為使外殼與機殼保持良好的電連接性，連接器與機殼間加有導(dǎo)電橡膠；

(5) 屏蔽設(shè)計：

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)計指標(biāo)應(yīng)按照對象所處電磁環(huán)境機工作頻率區(qū)別對待；

c) 對屏蔽要求高的單元，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；對陰極射線管管頭，必須專門進(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耦合較強時，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、開孔、隔腔屏蔽實操措施>>

(1)縫隙屏蔽設(shè)計

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

(2)緊固點連接縫隙

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

活動縫隙或者其他條件限制不能使用太多的緊固點時，可以在縫隙中安裝屏蔽材料。對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)計時應(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，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。

主機腔體和主機底板組件的連接采用擠壓導(dǎo)電襯墊的結(jié)構(gòu)形式。在主機腔體和主機底板組件之間增加導(dǎo)電襯墊，此種方式能將主機腔體和主機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)計合適的凹槽，防止內(nèi)部信號和干擾向外輻射，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。

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

(4) 開孔屏蔽設(shè)計

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孔最大尺寸，結(jié)構(gòu)設(shè)計開孔時要綜合考慮開孔尺寸、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，可以不考慮開散熱孔。

(5)隔腔屏蔽設(shè)計

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

機箱采用全屏磁、全封蔽設(shè)計，機箱采用整塊鋁合金板經(jīng)過銑床加工而成，將機箱分為相互獨立的多個腔體，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，屏蔽體表面鍍銀，以提高屏蔽效能。點屏蔽體的厚度越大，屏蔽效能越好，但考慮到重量、強度、加工工藝等要求，材料厚度能滿足強度要求，就能滿足屏蔽要求。

機箱和模塊單元殼體所用的結(jié)構(gòu)材料，必須滿足屏蔽要求，并保持屏蔽性能的穩(wěn)定。考慮到重量的要求，機箱和模塊單元殼體材料采用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電磁敏感的器件進(jìn)行處理，確保設(shè)備在裝入整機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)天線采用獨立模塊設(shè)計，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電磁敏感的器件進(jìn)行處理，確保設(shè)備在裝入整機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)計及具體措施

<<電路電磁兼容性設(shè)計 >>

(1) 分層

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

(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；同時電源層還為系統(tǒng)所有信號提供回路，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。在信號需要跨越模擬和數(shù)字兩部分的位置，在信號跨越處，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，同時使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢隆Ｔ诩尚酒母浇惭b去耦電容，減少電源線的負(fù)載，克服電源線的電壓波動。

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)單點接地，徹底消除公共阻抗。

c) 信號傳輸線間串?dāng)_的抑制

為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計布線時盡量避免長距離的平行走線，盡可能地增大信號線間的距離，信號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)電層都為信號層；在提高核心部分的布線冗裕度的同時，有效地抑制核心部分對外的電磁干擾，同樣也有效地阻止了外界干擾信號對本主板核心部分的侵襲；

(2) 接口電路在PCB布局中是單獨規(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)行布線時遵循垂直布線和回路布線原則；

(3)布線時采用3-W原則；

(4)布線時考慮電流流向，盡可能使整個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容值的電容，在一個較寬的頻率范圍里濾波；

(3)電源線主要節(jié)點處使用磁珠連接，有效地將電源線路上的干擾信號轉(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，降低芯片工作時產(chǎn)生的干擾信號和提高該處電壓的穩(wěn)定性。

接地:

(1) PCB板采用多點接地；

(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:

(1) 遵循先防護(hù)后濾波的原則；

(2) 接口信號線布線的線寬一致；

(3) 開關(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:

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

穿心電容:

穿心電容的特點是連接時不需要專門的引出線。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。

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