电缆线磁滤波器设计-典型电缆中滤波器应用技术研究

、典型电缆的环境分析典型系统已经确定采用MIL-STD-1553B总线即GJB289总线，这样新的总线电缆和总线通讯控制板卡及接口是HEMP耦合效应研究的重点。地面监控计算机的耦和重点是1553B控制板卡和供电板，弹上电路的耦合重点是1553B数据转换及电源转换板，整体结构如图1所示。1553B总线有着很好的抗干扰性能。MIL-STD-1553B总线系统信号采用曼彻斯特II型双相电平码调制方式，以串行数字脉冲码形式在数据总线上传输。阻抗70～85欧姆，工作电压20V左右，而且其工作协议有着很好的容错性。由于1553B总线协议工作电压高、工作频率低，所以对HEMP干扰有着先天的抵抗优势。而且在数据传输中还分别有状态字检验、累加和检验、CRC检验等容错设计，所以当HEMP耦合信号未达到器件损伤阀值时几乎对通讯不会造成干扰。但是1553B数转换电路一般并未考虑对HEMP耦合信号的滤波，这样干扰信号有可能长驱直入到后续电路。通过对以往联合试验数据进行分析，总线电缆BUSA感应电压与外场的比几乎是1V：10000V|m。这样在5×10000V|m场强下总线感应电压可能达5V左右。这样的信号通过1553B总线数据转换板进如后续电路，将会造成很大威胁。因为对大部分数字电路来说，5V量级的信号都足以造成工作失常。3、滤波器的原理滤波器是一种选频装置，由电感和电容组成的低通滤波电路所构成,可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。在电缆的合适位置处应用合适的滤波器可以将干扰信号中不必要的高次谐波滤除掉，而仅保留能够维持电路正常工作的最低频率，保证系统能够正常工作。4、滤波器分类滤波器是由集中参数的电阻、电感和电容，或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。这种网络允许一些频率通过，而对其它频率成份加以抑制。根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等种类。低通滤波器是最常用的一种，主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。如在数字设备中，脉冲信号有丰富的高次谐波，这些高次谐波并不是电路工作所必需的，但它们却是很强的干扰源。因此在数字电路中，常用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉，而仅保留能够维持电路正常工作最低频率。电源线滤波器也是低通滤波器，它仅允许50Hz的电流通过，对其它高频干扰信号有很大的衰减。(1)常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容并联在要滤波的信号线与信号地之间（滤除差模干扰电流）或信号线与机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流）电感串联在要滤波的信号线上。按照电路结构分，有单电容型（C型），单电感型，L型和反Γ型，T型，π型。(2)高通滤波器用于干扰频率比信号频率低的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤除电源谐波造成的干扰。(3)带通滤波器用于信号频率仅占较窄带宽的场合，如通信接收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通信信号通过。(4)带阻滤波器用于干扰频率带宽较窄，而信号频率较宽的场合，如距离大功率电台很近的电缆端口处要安装带阻频率等于电台发射频率的带阻滤波器。不同结构的滤波电路主要有两点不同：(1)电路中的滤波器件越多，则滤波器阻带的衰减越大，滤波器通带与阻带之间的过渡带越短。(2)不同结构的滤波电路适合于不同的源阻抗和负载阻抗，它们的关系应遵循阻抗失配原则。但要注意的是，实际电路的阻抗很难估算，特别是在高频时（电磁干扰问题往往发生在高频），由于电路寄生参数的影响，电路的阻抗变化很大，而且电路的阻抗往往还与电路的工作状态有关，再加上电路阻抗在不同的频率上也不一样。因此，在实际中，哪一种滤波器有效主要靠试验的结果确定。滤波器件有很多种,在电源部分使用的滤波器有电源滤波器、磁环和磁珠等;在信号线上使用的滤波器有信号滤波器、磁环和磁珠、穿心电容、滤波连接器等;在印刷电路板上使用的滤波器有去耦电容、片状(表面安装式)滤波器和磁珠等。本文对大量电源滤波器和信号滤波器研究的基础上，选择了几种典型滤波器进行了试验研究，5、滤波器的应用方法滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许有用信号的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本方法有三种：利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线（共模），或将火线高频干扰电流导入零线（差模）；利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源；利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。在2007年针对机算机机箱的PTEM-180模拟器试验中，在不同摆放方向测试得到的屏蔽系数不同。按最坏情况考虑，机箱屏蔽性能测试结果为屏蔽系数＞35dB。因此，我们将把通过1553数据转换板进入电路内部的耦合通道及干扰信号也作为研究重点，并考虑在数据转换板前端或者后段加对应的滤波器件。引控及地面设备所使用的典型电缆由若干信号线和直流电源线构成。其中信号线所传输的频率在100kHz到1MHz之间，属于典型的低频信号，应使用低通滤波器。将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉，而仅保留能够维持电路正常工作的最低频率。而直流电源线上同样需使用低通滤波器，理想状态是滤掉所有的交流信号。切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。示意图见图16、试验研究6.1电源滤波器目前针对电源滤波一般采用射频干扰滤波器。普通干扰滤波器的有效滤波频率范围为数kHz到数十MHz，而射频干扰滤波器的有效滤波频率范围从数kHz到GHz以上。按照传统方式构造的滤波器不能成为射频滤波器。这是由于两个原因：第一个原因是：旁路电容寄生电感较大（导致串联谐振；增加了旁路阻抗），导致电容器在较高的频率并不具有较低的阻抗，起不到旁路的作用。第二个原因是:滤波器的输入端和输出端之间的杂散电容导致高频干扰信号耦合，使滤波器对高频干扰失去作用。解决这个问题的方法是用穿心电容作为旁路电容。穿心电容具有非常小的寄生电感，旁路阻抗非常小，并且由于采用隔离安装方式，消除了输入输出之间的高频耦合。本次样品中的各种射频滤波器都是基于穿心电容造成的，并且安装方式都是馈通形式的（输入与输出被金属板隔离）。选择射频滤波器需要考虑的因素有:截止频率：滤波器的插入损耗大于3dB的频率点称为滤波器的截止频率，当频率超过截止频率时，滤波器就进入了阻带，在阻带，干扰信号会受到较大的衰减。在对电源线或直流信号线滤波时，由于有效信号的频率很低，信号失真的问题不是主要因素，因此主要根据干扰信号的频率来定，要使干扰频率全部落在滤波器的阻带内。滤波器的截止频率越低，滤波器的尺寸越大，价格越高，因此没有必要时（干扰的频率不是很低时），不要盲目选用截止频率过低的滤波器。插入损耗：指滤波器在阻带的损耗数值（dB），每一种滤波器都有一张插入损耗与频率对应的表格，选用滤波时，根据干扰信号的频率和需要衰减的程度确定对插入损耗的要求。射频滤波器的安装方式对滤波器的性能有很大影响。下表给出了不同直径、不同长度的导线在不同频率下的阻抗。表1从表1可以看出：在高频时长导线的阻抗是很大的，根本起不到对干扰有效的旁路作用。因此射频干扰滤波器必须以金属板为隔板，将滤波器的输入和输出隔离开。其次，滤波器要与金属板之间保持低阻抗的接触，以保证滤波电容的旁路效果。最好将滤波器安放在镀锡或锌的铝板或钢板上。为了保证可靠的连接，一般要在滤波器的安装法兰与隔板之间安装内齿垫片，而不能使用导电胶之类的物质来达到可靠连接的目的。根据我们实际使用需求，针对截止频率，插入损耗以及产品尺寸等重点考虑的因素，我选择了中国电子科技集团第九研究所FLC10-1HW3ME3和LC202-1WB1EE3两种射频干扰滤波器进行试验研究。6.1.1FLC10-1HW3ME3射频干扰滤波器FLC10-1HW3ME3射频干扰滤波器主要特点；体积小，重量轻，频率范围宽，插损高，截止频率点低。有两个电感元件和一个电容与元件组成。主要用于抑制30kHz~1GHz频率范围的电磁干扰。性能指标见下表：注入源采用Agilent33120信号发生器，使用泰克TDS684示波器监测信号。试验框图如下；将实验数据总结后列表如下：经计算得出FLC10-1HW3ME3射频干扰滤波器特性曲线如下图：由于干扰信号在2MHz以上，根据图4，FLC10-1HW3ME3射频干扰滤波器在干扰信号为1MHz时，衰减能力达到49.37dB，完全能够满足使用要求。6.1.2LC202-1WBIEE3射频干扰滤波器LC202-1WBIEE3射频干扰滤波器主要特点：体积小，重量轻，频率范围宽，插损高。主要用于抑制5MHZ～10GHZ频率范围的电磁干扰。性能指标见下表：注入源采用Agilent33120信号发生器，使用泰克TDS684示波器监测信号。试验框图如图3所示。将试验数据总结后列表如下：表5LC202-1WB1EE3射频干扰滤波器试验数据经计算得出LC202-1WB1EE3射频干扰滤波器特性曲线如下图由于干扰信号在2MHz以上，根据图5，LC202-1WB1EE3射频干扰滤波器在干扰信号为2MHz时，衰减能力达到16.83dB，而干扰信号为5MHz时，衰减能力达到36.83dB，基本能够满足使用需求。6.2信号滤波器线上的干扰电流按照其流动路径可以分为两类：一类是差模干扰电流，另一类是共模干扰电流。差模干扰电流是在火线和零线之间流动的干扰电流，共模干扰电流是在火线、零线与大地(或其它参考物体)之间流动的干扰电流，由于这两种干扰的抑制方式不同，因此正确辨认干扰的类型是实施正确滤波方法的前提。共模干扰一般是由来自外界或电路其它部分的干扰电磁波在电缆与“地”的回路中感应产生的，有时由于电缆两端的接“地”电位不同，也会产生共模干扰。它对电磁兼容的危害很大，一方面，共模干扰会使电缆线向外发射出强烈的电磁辐射，干扰电路的其它部分或周边电子设备；另一方面，如果电路不平衡，在电缆中不同导线上的共模干扰电流的幅度、相位发生差异时，共模干扰则会转变成差模干扰，将严重影响正常信号的质量，所以人们都在努力抑制共模干扰。差模干扰主要是电路中其它部分产生的电磁干扰经过传导或耦合的途径进入信号线回路，如高次谐波、自激振荡、电网干扰等。由于差模干扰电流与正常的信号电流同时、同方向在回路中流动，所以它对信号的干扰是严重的，必须设法抑制。综上所述可知，为了达到电磁兼容的要求，对共模干扰和差模干扰都应设法抑制,因此信号滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本方法为以下三种：利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线（共模），或将火线高频干扰电流导入零线（差模）；利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源；利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。具体来说，滤波器是由集中参数的电阻、电感和电容，或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。这种网络允许一些频率通过，而对其它频率成分加以抑制。根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等种类。武器系统所使用的典型电缆由若干信号线和直流电源线构成。其中信号线所传输的频率在100Hz到1MHz之间，属于典型的低频信号，应使用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉，而仅保留能维持电路正常工作最低频率。常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容并联在要滤波的信号线与信号地之间（滤除差模干扰电流）或信号线与机壳地或大地之间（滤除共模干扰电流）电感串联在要滤波的信号线上。2007年经过对市面上铁氧体磁性材料（磁珠）民用滤波器调研，针对深圳振华富电子有限公司3种PB系列大电流型铁氧体叠层片式磁珠、一种CB系列通用型铁氧体叠层片式磁珠和杭州825厂最新研制的19针圆形滤波电连接器Y11N-14192J10C进行了实验室模拟实验研究。研究结果表明：铁氧体滤波器件对连续信号的滤波效果好于瞬态信号，说明铁氧体滤波器件还存在一个响应速度的问题。关键是选用的磁珠和接插件对10MHz以下信号滤波效果都不明显，而芯线干扰信号主要频率集中在10MHz以下，这说明试验选用的器件还无法使用在目前的系统上。针对12所总线电缆的信号线防电磁干扰的问题难点在于：在5×10000V|m场强下总线感应电压可能达5V左右，主要频谱集中在2MHz～10MHz区间。而主信号幅度为10V，频谱范围在100kHz～1MHz区间，干扰信号和主信号非常接近，另外从实用性角度考虑，还需控制滤波器尺寸。经过调研，目前市场上没有此类滤波器出售。根据我们的实际需求，选用了中国电子科技集团第九研究所研制的1MHz低通滤波器样品。为了进行对比，我选择了性能较为接近的成都宏明电子股份有限公司（715厂）的LC-3型低通滤波器进行相关试验研究。6.2.11MHZ低通滤波器研制样品测试注入源采用Agilent33120信号发生器，使用泰克TDS684示波器监测信号。试验框图如图3所示。将实验数据总结后列表如下：经计算得出1MHz低通滤波器特性曲线如下图：由于干扰信号在2MHz以上，根据图6,1MHz低通滤波器在干扰信号为2MHz时，衰减能力达到35.70dB，而干扰信号为1MHz时，衰减能力仅为2.02dB。在1MHZ～2MHz频率范围中，曲线陡峭下降，基本能够滤除2MHz以上的所有干扰信号而保留1MHz以下的主信号。6.2.2LC-3型低通滤波器器件由成都宏明电子股份有限公司（715厂）生产。电路采用Pi型设计，有两个电容元件和在两个电容元件之间的一个电感元件组成，对阻抗源和负载均表现为低阻抗。Pi型滤波器比C型，L型结构提供更好的高频滤波性能。测试注入源采用Agilent33120信号发生器，使用泰克TDS684示波器监测信号。试验框图如图3所示。将试验数据总结后列表如下：经计算得出LC-3型低通滤波器特性曲线如下图：根据图7，LC-3型低通滤波器在干扰信号在超过100kHz后呈陡峭下降趋势。干扰信号为2MHz时，衰减能力达到23.88dB。但是对1MHz的衰减也达到13.64dB，对100kHz～1MHz主信号有较大影响。由此可见，性能不如中国电子科技集团第九研究所研制的1MHz低通滤波器样品。7、结论（１）根据实际要求，消除信号线和电源线上的干扰信号，应使用低通滤波器。（２）针对电源线干扰，中国电子科技集团第九研究所FLC10-1HW3ME3和LC202-1WB1EE3两种射频干扰