某星载应答机电磁兼容性设计案例

应答机是一种能在收到无线电询问信号时，自动对信号做出回应的一种电子设备。应答机装载于被测控卫星系统上，接收地面测控系统的上行信号，并按一定的载频转发比向地面转发信号。应答机一般由天线、接收机、发射机和电源等组成。在结构设计时通常采用功能模块单元的方式将电路功能划分为：电源单元、数字单元和信道单元。

作为信号收发用装置，应答机产品对信号具有较高的灵敏度，因此容易受到电磁信号的干扰，电磁屏蔽设计在产品设计中占据十分重要的地位。

一、整机的电磁兼容结构形式

为了提高设备的电磁兼容性能，在设计初始阶段就应该综合考虑整机的布局、接地、搭接和屏蔽措施。电磁屏蔽效能在很大程度上取决于屏蔽体的结构形式。设计时将可能产生电磁干扰的各个部件分区布置，各区间设置相应的屏蔽隔板，各屏蔽隔板之间保持良好的搭接。电磁干扰主要通过传导、辐射和耦合进行传播，为了提高屏蔽效能，应尽量使各屏蔽板保持电气连续性，安排好各电路部分接地，以便控制各电路部分之间的干扰和机壳的辐射泄漏。

该设备的主要干扰源为电源、高频和数字模块产生的电磁辐射和来自机箱外部的电磁辐射等，敏感性部件为印制板模块。结合以上分析，根据各电路部分的连接关系及散热和维修等确定机箱整体布局，如图1所示。

图1 某应答机机箱整体布局

主要设计措施包括：

① 为高频电路部分的印制板模块设计了屏蔽盒。

② 将高频部分布置在机箱的下部，数字电路部分布置在机箱的中间，电源模块布置在机箱的上部。

③ 在各功能模块电源入口处采用滤波电路。

④ 各部分印制板模块都采用单独的屏蔽腔对其进行电磁屏蔽，屏蔽盒与机壳之间保持良好的电接触。

二、机箱的电磁屏蔽设计

电磁屏蔽的作用是切断电磁能量从空间传播的路径，达到消除电磁干扰的目的。该机箱壳体和屏蔽盒均采用高电导率的铝合金材料制成，并经导电氧化处理，使其能够长期保持良好的导电性能。设备壳体与盖板在加工时采用研磨工艺，确保接触面的平整度，消除缝隙上的不连续点，用尽量多的螺钉压紧，形成可靠的电气搭接。针对不同的泄漏形式，该机箱在结构上主要采取了以下具体措施。

（1）印制板组装件的屏蔽

① 由于各印制板组装件既是干扰源又是敏感体，因此将其用单独的屏蔽盒进行屏蔽。

② 为了防止高频印制板组件内部各级之间的相互干扰，对内部各级进行了屏蔽隔离处理（对PCB进行电磁兼容设计）。

③ 为使屏蔽盒和屏蔽盖之间的接触面保持平整，尽可能多地布置了紧固螺钉，使盒与盖保持良好的电接触，消除缝隙泄漏的影响，提高了屏蔽效能，如图2所示。

图2 印制板组装件屏蔽盒

（2）结构件间接缝的屏蔽

一般情况下，结构件不同部分的结合处不可能完全接触，只能在某些点接触，这就构成了一个孔洞阵列。缝隙是造成机箱屏蔽效能降低的主要原因之一。机箱采用导电性能良好的铝合金材料加工而成，机箱与上、下盖板的接缝均为狭长缝，它们是电磁泄漏的主要通道。为了提高屏蔽效能，必须尽可能消除或减小缝隙长度，增大缝隙的有效厚度。

本产品在箱体与盖板的各个界面上均设计了“L”沟槽（如图3所示），沟槽的作用是增加金属间的搭接面积，减小搭接电阻，以提高导电效果和屏蔽功能。

图3 “L”形接缝屏蔽设计

此外，盖板和箱体要有足够的刚度，以防搭接过程中发生变形，产生新的不连续点，导致射频泄漏，本产品设计前进行了刚度仿真，经试验验证达到了设计要求。

（3）电连接器和机箱的搭接屏蔽

电连接器，特别是高频连接器与机壳的接触阻抗大，使传导发射变大，极大地影响电磁屏蔽效果。因此必须采取手段减小电连接器与机壳的搭接电阻（一般要求不高于10Ω），以有效控制该处缝隙的电磁泄漏。

本产品除采用“L”形结构设计，增大接触面积外，还采用了“露白”处理（将导电氧化后的电连接器安装部位铣掉表层，提高平整度、增大搭接电阻），如图4所示。



图4电连接器安装部位屏蔽设计

三、滤波设计

为了控制电源干扰，将电源模块布置在单独的屏蔽空间内（电源单元），在应答机的直流电源入口处增加电源滤波器。由于该应答机为低压直流供电的，为了防止瞬态过电压和过电流的冲击，在电源入口处增加浪涌抑制器，除了严格把握电源模块的设计和滤波器、浪涌抑制模块的选择外，滤波器和浪涌抑制模块还应该采取正确的安装方法。

本应答机将电源滤波器和浪涌抑制模块固定在靠近电源入口处，并用屏蔽板隔离，电源滤波器和浪涌抑制器的屏蔽壳都进行了良好的接地，通过这样的处理，电源线传导发射、电源线传导抗扰度、电源线尖峰信号传导抗扰度等方面均达到设计要求，如图5所示。



图5滤波设计

四、接地设计

由于地线阻抗的存在，当地线中流过电流时，会在地线上产生电压，通过地线耦合进入电路，引起地线干扰，使系统的功能受到影响。当两个电路公用一段地线时，电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制，这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，引起地线干扰。好的接地系统是抑制电磁干扰的一种技术措施，其电路和设备地线任意两点之间的电压与线路中的任何功能部分相比较，都可以忽略不计；反之，接地系统不良是造成干扰和辐射的主要因素。

本应答机采用了以下方法来解决地环路的干扰问题：

① 低频信号采用单点接地，以削弱地环路干扰。

② 高频信号采用就近、多点接地，以抑制电场辐射。

③ 数字信号包含大量谐波分量，按高频信号对待。

④ 该设备为星载电子设备，在机壳上设置了接地装置，接地桩采用镀金工艺（如图6所示），保证了产品外壳与卫星平台基本结构的良好搭接，能够提供连续的低阻通路。



图6 接地桩设计