（水声工程专业论文）超短基线定位系统的电磁兼容设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 一 i ；i i 暑i i ； a bs t r a c t n o w a d a y s ，i no r d e rt o e n h a n c et h ei n v i s i b i l i t yo fs o n a r s y s t e m s ，s o n a r t r a n s m i t t e rp o w e rr e d u c i n g ，i ti sn e c e s s a r yt oe n h a n c et h er e c e p t i o nc a p a c i t yo f s o n a rr e c e i v e r s a tt h es a m et i m e ，s o n a rs y s t e m sw o r ki na l is o r t so fi n t e r f e r e n c e ， s o ，h o wt oi m p r o v es o n a re q u i p m e n ta n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yh a sb e c o m et h e f o c u so fa t t e n t i o no ft h ef i e l d 。t oe n h a n c es o n a r e q u i p m e n t sp e r f o r m a n c e ，i tm u s t i m p r o v ei t sa n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y , a n dt h en e e dt or e d u c et h ei n t e r f e r e n c eo f o t h e re q u i p m e n t ，s o n a re q u i p m e n tt oi m p r o v et h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y p a p e r sp r o v i d e sa ne l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) p r o g r a m m e i n t h i sp a p e r , t h eb a s i cc o n c e p t sa n dp r i n c i p l e so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , t h er o u t eo ft r a n s m i s s i o ni n t e r f e r e n c e ，e m cd e s i g ns t a n d a r d sa n dn o r m s ，t h e d e s i g no fe m ce q u i p m e n ta n do t h e ra n dd e v e l o p m e n tt o o l sw e r ei n t r o d u c e d p a p e r sp r e s e n t e di nt h ee m im a t e r i a la n dm e t h o d st oc h o o s ee m im a t e r i a l a tt h es a m et i m e ，g i v e nt h eg e n e r a lf o r m u l ao ft h e s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h ee m im a t e r i a lp a r a m e t e r s ，p a p e r sh a v e g o tm e t a lp l a t es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sf o r m u l a ，s i n g l ea n dd o u b l e m e t a lm e s h s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sf o r m u l a ，t h ee x i s t e n c eo fp o r es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s f o r m u l a u s i n go fs o f t w a r es i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rh a v ed i s c u s s e ds h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s so f m e t a lp l a t ea n dm e t a lm e s hw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt oe m id e s i g nr u l e si nt h i sp a p e r , a sw e l la se m ic o m p o n e n t s ， w i t hg r o u n d i n gd e s i g n ，p o w e rs u p p l yd e s i g nb a s e do ne m ir u l e s ，i na c c o r d a n c e w i t ht h ep r i n c i p l eo fd r a w i n gg r a p h sp c b ，t h ep a p e ri sd e s i g n e dt om e e tae m c r e q u i r e m e n t so ft h eg e n e r i cm o t h e r b o a r d ，u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fi t sn o i s e m e a s u r e m e n t ，c o m b i n e dt h em e a s u r e m e n t sr e s u l t s ，t h ee q u i p m e n tf o rf u r t h e r e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g nw o r kp r o v i d e dar e f e r e n c e k e yw o r d s ：e m c ；e m i ；c o u p l i n g ；s h e l ls h i e l d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 掀筠 1 3期：o 弼年弓月二d 曰 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 背景和意义 不管在民用或军用的环境下，控制产品的辐射，让电子设备的性能达到 规定要求在第二次世界大战结束以来变得非常重要。初期一般是给电子设 备产品加上防护的屏蔽盒，然而更经济更有效的手段是在原理上对辐射就进 行抑制。使用封闭屏蔽的方案从使用上和经济上讲都不是很好，比如计算机 用户就经常需要将机箱外壳打开以便对设备进行修理和升级。在很多情况下， 起屏蔽作用的内部隔板是不能改动或更换的，因此密封措施就只是一个折衷 的使用方案。对印制电路板( p c b ) 使用抑制技术，从器件的选择、电路的设计 和布局布线等方面出发作恰当的设计更能够提高设备内部的电磁兼容性，而 只用屏蔽装置则达不到。当然实际上除了考虑电磁兼容性以外，设备的使用 功能要首先满足，如果一个产品通过了电磁兼容测试却不能按设计的那样工 作，它是没有价值的。 在进行设计的时候，不能简单的只考虑产品在规定的时间内制造出来， 还要考虑在设计、测试、集成安装以及生产过程中的费用最小。而经常发生 过分强调产品的功能和满足市场的需要，忽视对产品e m c 标准性要求以及 产品的安全要求的情况。结果当产品通不过e m c 标准的测试进行重新设计 时，会大大增加费用，这些费用不仅有增加工程设计的人力，还包括新线路 板的布局与工艺、新样品的制作材料、系统集成组装测试、早先购买的元件 以及制作新产品的相关文件。重新设计的代价还有产品市场份额的减少、产 品供货慢、消费者对公司的信誉降低以及其他方面。 一般来说公司关心的是以很小的花费设计出高技术含量的产品。在p c b 设计中执行严格的e m c 技术方案可以节省开支、增强产品性能、增加产品 可靠度，实现第一次测试就达到辐射和抗干扰要求，而且产品性能达到预期 效果。因此在一开始设计时就要结合电磁兼容思想，最好对设备的电磁兼容 性程度进行分析预测。对于p c b 来说，就是通过分析计算找出产生干扰或易 受干扰影响的部分，并对其采取针对性措施实现电磁兼容。预测分析是电磁 兼容的重要部分，只有通过准确的预测分析，才能设计出高质量的p c b ，才 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 能事先采取必要的技术措施降低干扰肛1 。 在当今的水声领域，为了提高声纳系统的隐蔽性，声纳发射机的功率在 降低，必然要求声纳接收机的接收能力增强，同时，声纳系统工作的环境中 存在各种干扰，所以，如何提高声纳设备抗干扰能力，使之正常工作已成为 领域内关注的焦点。 1 2 国内外电磁兼容技术发展动向 电磁兼容是一门新兴的综合性交叉学科，它的内容较为广泛，应用于许 多领域。随着科学技术的发展，信息时代的到来以及电气化与自动化水平的 不断提高，电磁干扰及电磁防护问题日益突出，世界各发达国家均对此予与 广泛的重视，积极开展电磁兼容性的理论和应用研究，并已在军事装备，尖 端技术产品和民用产品的研制和生产中获得很大利益。我国的电磁兼容性研 究起步较晚，与国外先进水平相比尚有差距，因而更应该加强电磁兼容性技 术的研究。 在电磁兼容发展过程中，先后出现了三种实施方法p 1 ： 1 问题解决法 这种方法是先进行研制，然后根据研制成的设备和系统在测试中出现的 电磁干扰问题，运用各种抑制干扰的技术去逐个解决。但是为了解决问题， 可能要进行大量的拆卸和修改，也许还要重新设计。不但会造成人力物力的 浪费，还会延误研制周期。 2 规范法 这种方法按颁布的电磁兼容性标准和规范进行设备和系统设计制造，比 起问题解决法能够在一定程度上预防电磁干扰问题的出现。为了适应规范采 取很多规定措施，它们要解决的问题却不一定真正存在，这就往往导致预防 过量，而使系统成本增加。 3 系统法 系统法是用计算机技术按预测程序针对某个特定系统的设计方案进行电 磁兼容性预测和分析。系统法从设计开始，并在制造，组装和试验过程中不 断对电磁兼容性进行预测分析和测试验证。这样基本上可以避免一般出现的 电磁干扰问题，并且避免了过量的电磁兼容性设计。 2 哈尔滨下程大学硕士学位论文 关于e m c 预测分析的发展历程，一些发达国家早在上个世纪五十年代 就开始重视电磁兼容方面的研究，并投入大量人力物力，研制出了一系列分 析软件，并制定出版了大量的有关标准及手册h 1 ，在军用及民用的范围内强 制执行。 自从1 9 6 8 年由w r j o h n s o n 和a k 。t h o m a s 提出e m c 的计算机辅助分 析以来，e m c 预测分析得到了重视。到了上个世纪七十年代，随着计算机大 量出现，使得e m c 实现了定量计算及设计。这是e m c 分析的一次飞跃，是 e m c 研究领域的一个质变阶段。他通过一系列的物理，数学模型( 对各种干 扰源，传输路径及接受器) 及必要的数据库( 对各种典型器件和装置作了大 量实验得到) ，可在设计的开始阶段就定量考虑e m c 问题，大大提高了设计 的主动性。八十年代后，电磁兼容成为十分活跃的学科领域。许多国家在电 磁兼容标准与规范、分析预测、设计、测量与管理等方面均达到了很高的水 平。有高精度的电磁干扰和电磁灵敏度自动测试系统，另外国外已研制了大 量不同规模的e m c 分析计算软件p 1 。 国内起步晚，大多停留在将设备制造出来，发现问题再进行修改的阶段， 即问题解决法。虽然技术人员也认识到电磁兼容的重要性，但由于缺乏理论 指导和必要的条件，往往力不从心。尽管如此，我国在e m c 方面也作了不 少努力，比如在航空的e m c 分析预测开发软件方面也做出了一些成果。 对于印制电路板的电磁兼容性预测，有的研究人员以有限元数值计算方 法和s p i c e 仿真软件为工具，通过对印制电路板耦合微带线的电磁兼容预测， 来对具有不同厚度p c b 的电磁干扰水平进行估计分析陋1 。并对利用屏蔽地线 把低频信号迹线和高速数字信号迹线分开来降低e m i 水平的方法给以预测 评估。最后归纳总结出影响p c b 电磁兼容性能的因素，找出p c b 设计中电 磁兼容性适应性方法的指导性原则，为p c b 的电磁兼容性设计提供参考依 据。 。 电磁兼容将会在二十一世纪得到更大的发展。随着科学技术的提高，对 电磁兼容和标准将提出新的要求，其研究范围也不断扩大。在e m c 分析预 测中，包括对p c b 板的分析，已由物理模拟逐步转移到以建数模为主，建立 各种类型的电磁数学模型，开发分析预测软件。显而易见，e m c 分析与预测 工作将与项目计划方案论证同时开始，e m c 分析预测工作已成为方案设计必 哈尔滨工程人学硕十学位论文 不可少的内容之一。 1 3 本文主要工作 在当今的水声领域，如何提高声纳设备的性能指标已得到广泛关注，这 已成为各个项目在设计最初阶段要考虑的重中之重。要提高声纳设备的性能 指标，就必须提高其抗干扰能力，同时也必须降低对其它设备的干扰，即提 高声纳设备的电磁兼容性( e m c ) 。 本论文主要是为超短基线定位系统设计提供e m c 方案。通过对导线间 电磁场辐射情况以及e m i 屏蔽壳体的分析与仿真计算，确定符合电磁兼容要 求的设计规则，给出选择e m i 元器件的原则。根据确定的设计原则，对接收 机进行电磁兼容设计，并以母板为例，进行p c b 图的设计及抗干扰测试与结 果分析。 4 哈尔滨工程大学硕十学位沦文 第2 章电磁兼容原理 2 1 电磁兼容性的基本概念 2 1 1 电磁兼容 电磁兼容即e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 是研究在有限的空间、时 间和频谱资源等条件下，各种用电设备( 广义的还包括生物体) 可以共存， 并不致引起降级的一门学科p “引。所谓电子设备的电磁兼容性，是指电子设备 在预定的电磁环境中，能按一定设计要求正常工作的性能或能力。其能力包 括以下三点：1 ) 在给定电磁环境中，电子设备具有抵御预定电磁干扰的能力， 并能留有一定安全余量；2 ) 电子设备不能产生超过规定限度的电磁干扰；3 ) 电子设备可按设计的技术要求完成其预定的功能使命p 1 。 电磁兼容性设计要求可用下列不等式来说明： 干扰源强度传播衰减因子 t ) 时，则在导线上电压降分布不是常数，应按 传输线理论进行更复杂的分析。然而，在很多情况下，可以假定电压在整个 线路上是常数，则串扰电压可由式( 3 4 ) 给出： = k 焘( 3 - 4 ) 式中z ：c 2 与吃和b 并联阻抗； z l = 1 2 r cf c l 2 令 则 z 2 = r t = 【_ _ r 工r s 1 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 图3 4 ( a ) 中接收导线如果用双绞线代替，双绞线中一条线两端接地，如 图3 4 ( c ) 所示，则电容耦合串扰与图3 4 ( a ) 非双绞线相同。假设接收器接收线 对靠近，则由于c ，增大从而减少串扰耦合。如果双绞线对连接到平衡电路上， 则理论上串扰耦合为零。但实际上，串扰电平对双绞线的不均匀度和源与负 载之间距离的变化是很敏感的。如果已知源和接收器线路长度，则线路的自 电容和互容可以计算，等效电路可以给出，最后电容耦合串扰可以预测。当 预测屏蔽电缆内部导体之间的串扰时，内部导线和屏蔽层之间的电容可能成 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 为重要因素1 。 3 1 2 磁场耦合 一般在高频时电容耦合是主要的，但是，如果源或接收器线路之一或两 者采用屏蔽电缆并在屏蔽层两端接地，则磁场耦合将是主要的。还有，低频 一般有较低的电路阻抗，电感耦合是主要的。在地平面上电线的自感由式( 3 7 ) 给出【2 l j ： 圳舶- g ( 等) c h m ，仔7 ， 式中b 导体距地面的高度； d 导体直径。 地平面上两导体之间的互感由式( 3 8 ) 给出： m = 。2 3 t g ( t + ( 碧) 2 c 爿r ，押，c 3 8 ， 式中d 导体之间距离。 哀。厂_ 羽 “同 “金 吒 i 皿 i 交流等效电路 定 i 接收器线路交流等效电踏 l j 埘i i ： r 。隅 魁皇”心垒 c o ) 图3 5 磁耦合示意图和等效电路 图3 5 示出非屏蔽线路之间的磁耦合。其中，图3 5 ( a ) 表示磁耦合电路简 图，图3 5 ( b ) 是其等效电路，接收器线路交流等效电路示于图3 5 ( c ) 。假定电 缆电容忽略不计，线路长小于波长，在源电路中由源电压e ，产生“f 1 是由源 电压e 。、源阻抗r 。、电抗厶和负载阻抗r 。确定的。 感应到接收器电路电压由式( 3 9 ) 给出： e 2 = j c o m i l ( 3 - 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在接收器负载r d 两端的电压由式( 3 1 0 ) 给出： 圪= 2 删t 丽r a i 匠1 ( 3 - 1 0 ) r 。+ r d 为讨论方便，最后一项用a ：代替，则 = 2 枷- 击 式( 3 - 1 0 ) 用幅值表示为 = 2 栅- 击 ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 由式( 3 - 1 2 ) 可看出负载电压圪不仅受源和负载电阻支配，而且受接收器 线路自感厶支配。 当干扰源电压是正弦波时，感应到接收器电路的开路电压e ，为 e 2 = 2 a f m i l a ( 3 1 3 ) 当干扰源是瞬变电压时，e ，为 ， 吃( f ) = m 1 彳p f 7 ( 3 1 4 ) 丁 式中m 线路之间互感； 矗正弦波源电流； 瞬变源电压峰值； f 源电路时间常数； a ，a 计算感应电压系数。 当使用屏蔽电缆时，系数( 口，彳) 必需包含在方程( 3 1 5 ) r 9 ，还要考虑屏 蔽层的附加衰减，列于式f 3 1 7 ) 。 对瞬变干扰情况，跨接接收器线路负载电阻两端的峰值电压为 1 6 圪m a x = m j 1 f 1 “。r 十e “d 1 一，1 竺! 、( e 一f e 一( 墨+ ) f 乏) ( 3 ，5 ) 怛。+ r d 户 式( 3 1 5 ) 采用a ：和a ：系数可以简化为 v d l l l a x - m 争最如 ( 3 1 6 ) a l ：和a ：系数绘于图3 6 和图3 7 。对瞬变干扰情况，感应电压峰值等于 m 1 ，f 。如果接收器电路时间常数远小于源电路时间常数，即 上：似。+ r d ) 厶，直至铁的a ，降为1 的频率，铁的屏蔽效能大于 当厂 ，铜的屏蔽效能大于铁。 表4 3 为有关金属材料在1 5 0 k h z 频率的比反射损耗和比吸收损耗。 材料名称相对电导率 相对导磁系数， 比反射损耗 比吸收损耗 盯， r ，( d b ) a ， 银1 0 5lo 2 l1 0 2 5 铜 ( 退火)1 0lol ( 冷拉)0 9 7 1 0 1 30 9 8 5 4 l 哈尔滨工程大学硕士学何论文 金 0 71 1 5 50 8 3 7 铝 o 6 1l 一2 1 5o 7 8 l 镁 0 3 814 2o 6 1 6 锌0 2 915 _ 3 8 0 5 3 8 黄铜0 2 615 8 5o 5 1 镉 0 2 31 6 3 80 4 7 9 镍 0 2 16 9 90 4 4 7 磷青铜 0 1 817 4 50 4 2 4 铁 o 1 71 0 0 0 3 7 71 3 锡0 1 5l一8 2 40 3 8 7 钢( 4 5 号) 0 11 0 0 04 0 1 0 铍 0 11 1 00 3 1 6 铅o 0 8l- 1 0 9 70 2 8 3 高导磁镍钢 0 0 68 0 0 0 06 1 2 5 6 9 2 8 蒙乃尔合金 0 0 4 11 3 9 80 2 ( 铜镍合金) 高导磁合金 o 0 38 0 0 0 0 6 4 2 64 8 9 9 ( 铁镍铜铬合金) 坡莫合金 o 0 38 0 0 0 0 6 4 2 64 8 9 9 不锈钢 0 0 2 1 0 0 04 74 4 7 2 4 1 2 材料选择 为了提高屏蔽效能，在选择屏蔽材料时应考虑以下因素p q p 4 1 ： 1 材料特性 1 ) 金属板 对高阻抗电场和平面波，应选择比反射损耗尺，大的金属材料；对低阻抗 磁场，应选择比吸收损耗彳，大的金属材料。对磁场和平面波，建议选用比吸 收损耗大的铁磁性金属材料。为了增加反射损耗、提高屏蔽效能，可以在铁 磁性材料表面镀上一层电导率高的非铁磁性材料。常用的金属板材料有：镀 4 2 哈尔滨t 程人学硕士学何论文 锌钢板、低碳钢板、铜板和镀铜钢板。 2 ) 金属箔 应选择电导率叮大的非铁磁性材料。常用的金属箔材料有铜箔、铝箔和 不锈钢箔。 3 ) 金属网 选择电导率盯大的非铁磁性材料。常用的金属网材料有紫铜网和黄铜网。 4 ) 导电布、导电织物和金属化喷涂 这类材料属4 , - 孑l 金属和伪均匀金属材料。作为导电的材料应选择比反射 损耗大的材料。 2 耐腐蚀性 所谓腐蚀是指在潮湿和盐雾气候条件下，屏蔽材料自身的锈蚀和屏蔽体 中异种材料连接处的电化腐蚀。因此屏蔽材料应选择有镀层保护的金属材料 或耐腐蚀性强的材料；对屏蔽体中异种材料应选用电化电位相邻近的金属材 料。 3 加工工艺性与价格 不宜选用不便加工或在加工过程中电气性能会受到影响的材料。例如， 铝不宜焊接，一般不宜采用；坡莫合金在热处理和加工过程会降低值，一 般也不宜采用。 表4 4 为不同材料构成的双层绝缘可拆卸式屏蔽室的屏蔽效能。 表4 4 双层绝缘可拆卸式屏蔽室的屏蔽效能 屏敝材料 屏蔽效能( d b ) 磁场电场和平面波 6 0 h z1 5 k h z1 5 k h zl g h z1 0 g h z 0 3 m m 铜板2 36 41 2 01 2 01 2 0 2 4 4 镀锌钢板 1 58 01 2 01 2 0 9 0 1 0 6 2 4 ”镀锌钢板和0 3 m m 铜板1 8 2 59 01 2 01 2 01 2 0 9i 了c m 、0 3 8 2 m m 紫铜网2 36 81 2 01 2 07 7 7 c m 、莎0 2 8 m m 青铜网04 01 2 011 05 7 4 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从上面给出的屏蔽效能计算公式可以得出一些对工程有实际指导意义的 结论，根据这些结论，我们可以决定使用什么屏蔽材料，注意什么问题。 1 ) 材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高。但实际的金属材料不 可能兼顾这两方面，例如铜的导电性很好，但是导磁性很差；铁的 导磁性很好，但导电性较差。应该使用什么材料，根据具体屏蔽主 要依赖反射损耗还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性。 2 ) 频率较低的时候，吸收损耗很小，反射损耗是屏蔽效能的主要机理， 要尽量提高反射损耗。 3 ) 反射损耗与辐射源的特性有关，对于电场辐射源，反射损耗很大； 对于磁场辐射源，反射损耗很小。因此，对于磁场辐射源的屏蔽主 要依靠材料的吸收损耗，应该选用导磁率较高的材料做屏蔽材料。 4 ) 反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关，对于电场辐射源，距离越 近，则反射损耗越大，对于磁场辐射源，距离越近，则反射损耗越 小。正确判断辐射源的性质，决定它应该靠近屏蔽体还是应该远离 屏蔽体是结构设计的一个重要内容。 5 ) 频率较高时，吸收损耗是主要的屏蔽机理，这时与辐射源是电场辐 射源还是磁场辐射源关系不大。 6 ) 电场波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁场波是最难屏蔽的。尤其 是低频( 1 k h z 以下) 磁场，很难屏蔽。对于低频磁场，要采用高导 磁性材料，甚至采用高导电性材料和高导磁性材料复合起来的材料。 4 2e m i 材料参数设计与计算 由于篇幅的限制，本文只对常见的金属板屏蔽和金属网屏蔽进行简单介 绍。 4 2 1 金属板屏蔽效能 单层金属板屏蔽效能可按式( 4 2 ) 和表4 5 中的公式计算。 图4 2 为金属板内部多重反射损耗b 与吸收损耗么的关系。当a 1 0 时， 可直接从图中查得b 值口。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 表4 5 金属板屏蔽效能计算公式 损耗类型 计算公式 吸收损耗( d b ) a = 1 3 1 4 3 厮 反射损耗平面波 心6 8 “川g 斟 ( d b ) 磁场 一吨。1 5 3 5 r ，m f c l + 0 3 5 4 + 1 1 7 ，1 0 - 2 罔 电场 心埘7 删g 惫 内部多重反射损耗( d b ) b = 1 0 1 9 0 2 1 0 m c o s 0 2 3 a + 1 0 。0 2 月) 当a 1 5 拈时， b 可忽略不计 表中：厂频率( h z ) ； f 金属板厚度； d ，金属板材料相对导磁系数； 仃，金属板材料相对电导率； ，干扰源离金属板的距离。 0 0 5o 10 20 51251 0 ( d b ) 图4 2b 与a 的关系 4 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l_m=im 4 2 2 金属网屏蔽效能 金属网屏蔽效能可按下述公式计算。 一、单层屏蔽： 磁场 s l = 2 0 1 9 平面波 r_ 2 0 1 9 ：卜1 l - c ， 一 c ( 4 7 ) 二、双层屏蔽： 磁场 s = l o l g s 2 = s l + s a 4 + 兰 竺竺堕：兰缝卫 丁038 x10 6 4 7 8 ( - 5 ) 2 + ( 半尺，) 2 ( 4 8 ) ( 4 - 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) 1lli，j 2 i、，一 所 s o c q 1 一c ，l + 2 、， 励 n虬 1 一c + 钟 s0c2 ， l g 0l = s 波面平 肚0265x10-2群r：026竺5x10-2x+一0333x10-8fl 件均 尸= _ = _ 么_( 4 12 ) ) 2 + 【，n 三一1 5 ) j 妒i 而下i u z o d 1 蕊u - k f p 。1 3 ( o 2 6 5 1 0 _ 2 月厂) 2 + io 2 6 5 1 0 - 2 x + o 3 3 3 1 0 - 8 厂fl n 三一1 5 】i r ，f 1 + 竺3 + ) r 。k 三+ 一2 + 吣1 ) 4 6 4 8 【 、7 生：h 一书 ) 民卜去+ ，) 万= 7 5 5 af p , f 磊。 民：掣 a o - ， 对单层屏蔽，当频率很低时r b r 1 ) 4 7 ( 4 - 1 4 ) 哈尔滨工程大学硕十学位论文 、 i n & 一1 5 a ) ( 4 1 5 ) 对双层屏蔽，可以用增加两层间距f 来提高& ，使总屏蔽能s ：增大。在 高频时，由于两层间距的电长度随频率变化，使两屏蔽层间出现谐振现象。 当，为1 4 3 , 奇数倍时，咒值最大；当，接近1 2 2 整数倍时，瓯值最小，甚至 可能出现负值。为了提高双层金属网对高频的屏蔽效能，应尽可能使两层网 间距接近1 4 2 奇数倍。当伊 1 时 s m a x r、 l n 三一1 5 c 1 ) ( 4 1 6 ) 4 2 3 屏蔽效能的评定 在均匀屏蔽理论中，把金属板屏蔽体看成是无孔隙的均匀无限平面，主 要是用于屏蔽材料的选择和屏蔽方式的确定。然而在实际的屏蔽中，屏蔽体 不是无限平面，而是具有六个面的封闭体，而且在屏蔽体上不可避免地会存 在洞孔和缝隙。另外，屏蔽的空间也绝不是孤立的。它必然要和外界有联系， 如连接电源系统、通风空调系统、信号联络系统和控制系统等。诸如此类的 联系通道也影响屏蔽效能。例如当有孔隙存在时，电磁波穿越屏蔽层有两种 途径，即从屏蔽体中穿越和从孔隙中泄漏。由于电磁波在屏蔽层中和在孔隙 中的传播速度不一样，而且传播过程中的衰减也不一样，因此形成了不同传 播途径所造成的电磁场幅度和相位的差异。如图4 3 所示，假定屏蔽体上有 一孔隙，设场源到达屏蔽体表面的场强为巩，于是它将分别通过屏蔽壁和孔 隙传输到另一侧，其场强分别为e 和日，。因此在测试点的场强为日，和日，的 矢量和，即 日。= h l + h 2 ( 4 - 1 7 ) 4 8 一厂，0 一厂 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 凳。| l 。篓 舻p 蚓絮 射川家l 吲 涮吨阱2 吨f 叫吨 幽一 ( 4 _ 1 8 ， 日为场强h l 相h 2z | 日j 的布甘位左。在均匀屏蔽理论中，把电磁波穿越屏蔽壁 前后的场强比定义为屏蔽壁的“屏蔽效能”，即 s , ：_ 2 0 g l 每l 变换后得 阱”跏。 与此相似，把电磁波穿越孔隙前后的场强比定义为孔隙的“屏蔽效能”， 用s ：表示。于是 阱 剐2 。 因此，式( 4 - 1 8 ) 改写为 s = 一l o l g t l o s 1 。+ 1 0 一s ：1 。+ 2 1 0 一s 一2 。1 0 - $ 2 2 。j ( 4 1 9 ) 这就是非均匀屏蔽理论。作为屏蔽室的总体屏蔽效能的评定，应采用非 均匀屏蔽理论。而均匀屏蔽珲论的材料屏茄效能仅作为总体屏茄兹能评宗的 4 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因素之一。表4 6 列举了几种主要影响屏蔽室屏蔽效能的因素。 表4 6 几种主要影响屏蔽效能的因素 类型符号举例 备注 金属板材料 s 1材料种类，电气性能( 肼仃) ，厚度及层数 缝隙 s 2 固定和半固定缝隙( 焊缝、螺装缝) ，活动缝隙( 门缝) 洞孔 s 3 各种电气不连续洞孔 屏蔽体形状 s a 矩形，圆管型 屏蔽体尺寸 s 5 空腔谐振 混合屏蔽 s 6 屏蔽体采用不同材料构成 天线效应 s 1 各种金属导体引入屏蔽空间 电气滤波 最 传导耦合 经分析，假定穿越屏蔽层的各种传播途径在屏蔽室中是相同相位的，其 误差不超过2 d b 。因此，在进行屏蔽室的总体屏蔽效能评定时，取0 = 0 ，于 是，总体屏蔽效能为 厂n s 一2 0 1 9j 1 0 4 陀。f ( 4 - 2 0 ) l p = lj 4 3 仿真研究 根据前文所述的金属板屏蔽效能公式( 4 2 ) 、金属网屏蔽效能公式( 4 7 ) ( 4 1 6 ) ，利用m a t l a b 软件仿真。 4 3 1 金属板屏蔽效能 公式( 4 2 ) ，以铁板为例，查表得以= 1 0 0 0 仃，= o 1 7 。 磁场中： 不同信号频率下，屏蔽效能随板厚度的变化情况，如图4 4 所示。由于 接收板工作在1 5 k h z 频率下，所以要屏蔽的干扰是f l m h z 的信 号。 从图4 4 可以看出，磁场中，随着板厚度的增加，屏蔽效能呈现线性递 增趋势。在相同板厚时，频率越大屏蔽效能越大。 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 图4 4 磁场中不同信号频率下，屏蔽效能随板厚度的变化情况 不同板厚度下，屏蔽效能随信号频率的变化情况，如图4 5 所示。 图4 5 磁场中不同板厚度下，屏蔽效能随信号频率的变化情况 哈尔滨工程大号：硕士字佗论文 从图4 5 可以看出，磁场中，随着频率的增加，屏蔽效能呈现递增趋势。 在相同频率时，板厚度越大屏蔽效能越大。 电场中： 不同信号频率下，屏蔽效能随板厚度的变化情况，如图4 6 所示。由于 接收板工作在1 5 k h z 频率下，所以要屏蔽的干扰是f 1 m h z 的信 号。 1 8 0 0 0 1 6 0 0 0 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 鲁1 0 0 0 0 翟 簌 耀8 0 0 0 哒 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 o 绘图 ； j j 一 j 1 狈翠为1 m h z _ _ j ： 。i 蕊i ll 夕i ；i i ： 7 7j 夕 频率为l k h z 。 j 。心 图4 6 电场中不同信号频率下，屏蔽效能随板厚度的变化情况 从图4 6 可以看出，电场中，随着板厚度的增加，屏蔽效能呈现线性递 增趋势。在相同板厚时，频率越大屏蔽效能越大。 不同板厚度下，屏蔽效能随信号频率的变化情况，如图4 7 所示。 从图4 7 可以看出，电场中，随着频率的增加，屏蔽效能呈现递增趋势。 在相同频率时，板厚度越大屏蔽效能越大。 5 2 哈尔滨下程大学硕士学位论文 li i 图4 7 电场中不同板厚度下，屏蔽效能随信号频率的变化情况 4 3 2 金属网屏蔽效能 公式( 4 7 ) - - - , ( 4 1 6 ) ，以铁网为例，查表得，= 1 0 0 0 盯，= 0 1 7 。 1 单层金属网屏蔽效能的仿真研究 低频情况： 不同的金属网的网丝半径下，屏蔽效能随r c 的变化情况( 其中r c ：干 扰源距金属网的距离金属网的网距) ，如图4 8 所示。 从图4 8 可以看出，随着r c 的增加，屏蔽效能呈现递增趋势。在r c 相 同时，金属网的网丝半径越大屏蔽效能越大。 哈尔滨上程大学硕士学位论文 图4 8 不同金属网网丝半径下，屏蔽效能随r c 的变化情况 高频情况： 不同的c a 下，屏蔽效能随信号频率的变化情况，如图4 9 所示。 图4 9 不同c a 下，屏蔽效能随信号频率的变化情况 从图4 9 可以看出，随着频率的增加，屏蔽效能呈现递减的趋势。在频 率相同时，c a 越大屏蔽效能越大。 些堡塑型望垄垒垒一 置冒暑宣昌昌；薯宣；i 聋奄鲁宣置；i 萄高；i 。一一 2 双层金属网屏蔽效能的仿真研究 金属网的网距一定，不同的金属网的网丝半径下，屏蔽效能随信号频率 的变化情况，如图4 1 0 所示。其中：c 2 l o m m 。 图4 1 0 网距一定，不同网丝半径下，屏蔽效能随信号频率的变化情况 从图4 1 0 可以看出，随着频率的增加，屏蔽效能呈现递减的趋势。在频 率相同时，金属网的网丝半径越大屏蔽效能越小。 金属网的网丝半径一定，不同的金属网的网距下，屏蔽效能随信号频率 的变化情况，如图4 1 1 所示。其中：a = l m m 。 从图4 1 1 可以看出，随着频率的增加，屏蔽效能呈现递减的趋势。在频 率相同时，金属网的网距越小屏蔽效能越大。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 图4 1 1 网丝半径一定，不同网距下，屏蔽效能随信号频率的变化情况 信号频率一定，不同的金属网的网距下，屏蔽效能随金属网的网丝半径 的变化情况，如图4 1 2 所示。其中：f = 5 k h z 。 图4 1 2 信号频率一定，不同网距下，屏蔽效能随金属网丝半径的变化情况 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从图4 1 2 可以看出，随着网丝半径的增加，屏蔽效能呈现递减的趋势。 在网丝半径相同时，金属网的网距越小屏蔽效能越大。 4 4 本章小结 本章主要讨论了屏蔽体的设计。通过对e m i 材料特性介绍、材料参数的 分析与讨论，推导了金属板屏蔽效能公式、金属网屏蔽效能公式、存在孔隙 的屏蔽效能公式，利用软件仿真，对不同情况、不同参数下金属板、金属网 的屏蔽效能进行了分析和讨论。其中，根据图4 4 - - 一图4 9 ，可以看出欲起到 屏蔽功能，建议板厚不小于o 5 m m 。 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 第5 章通用母板设计 5 1 母板的设计 在现有的声纳系统中，虽然各个系统实现的功能各有差异，但结构相似。 多数声纳系统电路部分都是由模拟电路板与数字电路板构成的。所以，各个 系统的母板功能及结构比较相似。为了使设计的母板具有较强的通用性，减 少重复设计工作，从而节约设计成本，结合电磁兼容的设计思想，本章将设 计一款新的通用母板。 一母板的功能 声纳系统的电路部分主要有模拟信号接收板、模拟信号发射板、数字信 号处理板( 含计算机板) 三部分组成。母板将这三部分联结成一个有机的整 体。同时，每一块电路板留有一个备用板位。所以，母板上标准板位是6 个。 其中，模拟信号接收板与模拟信号发射板的板位通用。 在电源设计方面，该系统采用直流分布式供电。即在电源首级将输入的 交流电压转变换成安全电压，由母板边缘引入母板，通过母板直接传送到每 块电路板上。而后，各级负载电路板的d c d c 变换器转换得到本电路板所需 电源。 由于数字板和模拟板间相对位置固定，根据机箱尺寸、定位孔位置和设 计要求，即可确定母板尺寸与母板上板位相对位置关系。 二母板的结构设计 本次通用母板的设计，要求完全采用电磁兼容理论设计，突出通用性， 侧重功能性，实现理论与实际相结合。 1 通用性 能够实现在相近系统中的可替代性。要求：在母板上，除电源外不存在 单独的特定功能，同时，以总线形式连通所有板位的电源和地，通用板位间 相对应的插座针孔位置统一用总线贯通。( 如图5 1 ) 。 2 规范性 根据电磁兼容理论，进行电路设计。 3 功能性 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 整个设计过程，要求根据原有的设计思想，突出规范性和通用性的基础 上实现既定的设计功能。 根据上述3 点要求和母板应具备的功能，设计的母板结构如图5 1 所示。 数字总线模拟总线 发射板x s l发射板x s 2 3 2 a b1 a b c l 空 i接收板x s 2i接收板x s l l i计算机板x s li计算机板x s 2 焊接面 空 图5 1 总线结构 5 2e m i 的考虑 由于采用分布式供电，在母板上，只是将系统外的电源传送给各个单板， 并无其它转换。所以将所有电源再引入母板时，必须通过直流电源线的滤波 器( 直流e m i 三端滤波器，p l b 1 0 0 1 0 3 ，容值0 0 1 9 f ，详见3 3 3 节) 。 由于箱体结构固定，无法加入屏蔽壳体的设计，本章的e m i 设计主要根 据第三章讨论的平行线间的电磁场耦合。 1 电磁兼容设计中要遵循的几项原则( 如3 w 原则) 在3 2 节中有详细 叙述。同时，设计过程中应遵循2 0 h 原则p 卯。 2 0 h 原则：因磁场效应导致射频电流存在于电源和地平面的边缘处，一 般称为边缘效应，特别是在高频系统上此种现象非常明显，当使用高速系统 或高速时钟时，电源平面可能向空间和附近的电路耦合射频电流，为了减少 这种耦合效应，要求所有的电源平面物理上都比其相邻的地平面小2 0 h ( h 是电源和地层间的距离) 。这样电源对附近电路的耦合降低7 0 左右，当达 到1 0 0 h 时，几乎可以降低耦合9 8 。本电路板设计4 层，板厚2 m m ，设计 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 电源层和地层为中间两层，那么h 为0 3 2 m m 。那么，根据此原则，电源层 比地层小6 4 m m 。 射频 图5 2 电源层和地平面的射频边缘效应 图5 32 0 h 示意图 2 根据第三章的仿真研究，由于系统机箱尺寸固定，母板尺寸和结构 已定，同时考虑3 w 原则，模拟信号线尺寸典型值为1 5 m i l ，功率线不小于 4 0 m i l 。 3 地线设训捌 地线噪声，即在系统内各个部分的地线之间出现电位差或因存在接地阻 抗而引起接地噪声。由于接地系统存在地电位差的问题，在设计产品的接地 过程中必须针对p c b 的特点选择相应的接地方法。在电子产品设计中，接地 是控制干扰的重要方法，如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部 分干扰问题p7 1 。电子产品中地线结构大致有系统地、机壳地、数字地和模拟 地等。 在地线设计中应注意以下几点： ( 1 ) 接地线应尽量加粗。 若接地线条很细，则接地电位会随电流的变化而起伏，致使电子产品的 定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此设计时应将接地线尽量加粗，使 它能通过三倍于印制电路板的允许电流p 钔。接地线的宽度应不小于总线信号 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 线( 即不小于5 0 m i l ) 。 ( 2 )正确选择接地方法。 单点接地设置目的是为了防止来自两个不同的参考电平的子系统中的电 流与射频电流经过同样的返回路径而导致共阻抗耦合。这种接地方法用在低 频p c b 中比较合适，可以减小分布传输阻抗的影响。但在高频p c b 中，返回 路径的电感在高频下成为线路阻抗的主要部分，因而在高频p c b 中为使接地 阻抗最小，通常采用多点接地法。多点接地最重要的是要求接地引线的长度 最小，因为更长的引线意味着