EMI雜波干擾問題技術(shù)分析及改進(jìn)研究

  為確保電子設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠地工作，必須對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)。接地是抑制電磁干擾有效的方法，可解決大多數(shù)電磁兼容問題。對(duì)某型電子通訊設(shè)備中微波射頻電路出現(xiàn)的雜波干擾問題進(jìn)行實(shí)例分析，經(jīng)過技術(shù)分析與改進(jìn)研究，確定了改進(jìn)的部位與方向，研究出行之有效的改進(jìn)措施。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，確定取得了明顯的改進(jìn)效果，并且落實(shí)到具體的生產(chǎn)過程中，極大地提高了產(chǎn)品的可靠性，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)效益，也為后來的設(shè)計(jì)者提供了可參考借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

       隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備面臨的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。電子設(shè)備系統(tǒng)功能的快速增加、電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜、系統(tǒng)內(nèi)部元器件和功率密度的快速增加、電磁頻譜的日趨密集、高低電平器件和設(shè)備的大量混合使用等因素，使得整個(gè)系統(tǒng)的電磁環(huán)境變得越來越惡劣，嚴(yán)重影響電子設(shè)備和系統(tǒng)的正常工作和性能。因此，電子設(shè)備抗電磁干擾技術(shù)研究是中國電子行業(yè)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。為確保電子設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠地工作，必須對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，使電子設(shè)備在其預(yù)定的工作場(chǎng)所能正常穩(wěn)定地工作，既不受周圍電磁干擾的影響，也不對(duì)周圍其他設(shè)備施加干擾。電磁兼容的主要要素是干擾源、耦合通路、敏感體，在難以改變干擾源及敏感體的情況下，通常采取切斷耦合通路的方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要采取合理布局、屏蔽、隔離、濾波、接地、搭接等措施來抑制電磁干擾。

       接地是指將電路、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個(gè)作為參考電位點(diǎn)或參考電位面的良好導(dǎo)體上，為電路或系統(tǒng)與地之間建立一個(gè)低阻抗的通道。接地是有效抑制干擾源的方法，可解決５０％以上的電磁干擾問題。電子設(shè)備中，地線結(jié)構(gòu)大致有電源地、安全地、屏蔽地、數(shù)字地和模擬地等。設(shè)備的良好接地對(duì)電子通訊設(shè)備尤為重要，是抑制干擾的重要方之一。在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將數(shù)字電路與模擬電路的地分開，分別與電源地線相連；盡量加大線性電路接地面積；盡量加粗地線；將接地線構(gòu)成閉環(huán)路等措施，可以大幅提高設(shè)備抗電磁干擾能力。

一、實(shí)例分析

       在某型電子通訊設(shè)備的整機(jī)生產(chǎn)調(diào)試過程中，微波射頻電路出現(xiàn)了有雜波干擾的現(xiàn)象，如信號(hào)有串?dāng)_、雜波分量較大、雜散嚴(yán)重等情況，致使設(shè)備在進(jìn)行整機(jī)例行試驗(yàn)過程中有工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致生產(chǎn)調(diào)試難度陡然增大，調(diào)試工作量驟然增加，甚至有的電路模塊長時(shí)間無法調(diào)試正常，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度和交付時(shí)間節(jié)點(diǎn)。為此，針對(duì)此問題進(jìn)行了專項(xiàng)技術(shù)研究和設(shè)計(jì)改進(jìn)。

二、 技術(shù)分析與定位

        該型電子通訊設(shè)備的信號(hào)傳輸、調(diào)制、解調(diào)、變頻、放大等功能基本上都是在變頻器模塊內(nèi)完成。變頻器模塊主要由走線板、調(diào)制器、信號(hào)源、放大器以及功率放大器等組成。變頻器模塊的主要工作原理是將來自信號(hào)處理器的射頻信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、混頻、濾波、再調(diào)制和放大，后將射頻信號(hào)送入該設(shè)備的功率放大器模塊。

       據(jù)此分析，整機(jī)性能測(cè)試中出現(xiàn)的串?dāng)_、雜波分量較大、雜散嚴(yán)重等問題，主要是由于整機(jī)的重要組成部分———變頻器模塊信號(hào)波形調(diào)試不到位所造成的。變頻器模塊內(nèi)的射頻信號(hào)調(diào)試不到位、調(diào)試信號(hào)不良，經(jīng)過后級(jí)高頻功率放大后，造成雜波信號(hào)更明顯。根據(jù)多年生產(chǎn)調(diào)試和維修中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與理論進(jìn)一步分析認(rèn)為，來自信號(hào)處理器的調(diào)制信號(hào)經(jīng)放大器放大濾波后產(chǎn)生了雜波、串?dāng)_信號(hào)，所以重點(diǎn)應(yīng)該放在抑制放大器產(chǎn)生的雜波干擾信號(hào)。因此，該型號(hào)設(shè)備信號(hào)雜波干擾問題改進(jìn)措施主要針對(duì)變頻器模塊中的放大器進(jìn)行，即對(duì)變頻器模塊中的放大器進(jìn)行雜波干擾信號(hào)抑制，可以有效解決問題。

三、改進(jìn)措施及方案

（1）改進(jìn)措施

       高頻信號(hào)阻抗高，容易輻射，易受干擾。根據(jù)高頻信號(hào)的“集膚效應(yīng)”，對(duì)高頻信號(hào)雜波干擾信號(hào)的抑制采用大面積接地的方式是解決問題的根本措施。具體措施為對(duì)放大器增加接地面積和多點(diǎn)就近接地。

（2）增加接地面積

1、確保鋁基板與變頻器殼體大面積接地

     放大器的重要組成部分———濾波器通過沉頭螺釘安裝在鋁基板上，鋁基板再安裝在變頻器殼體上，殼體材質(zhì)為鋁，銑削加工后表面鍍銀，確保各殼體之間能夠良好接地。經(jīng)拆開有問題設(shè)備模塊后發(fā)現(xiàn)，有鋁基板沒有全部與變頻器殼體接觸的情況存在，如由安裝濾波器的４個(gè)沉頭螺釘頭部凸起與變頻器殼體接地，由原設(shè)計(jì)的面接地變成了４個(gè)點(diǎn)接地，造成接地不良。造成的原因是在機(jī)加時(shí)工藝參數(shù)控制不嚴(yán)，沉頭螺釘?shù)某令^安裝孔圖片不夠大，致使螺釘頭未能全部沉到安裝平面以下所導(dǎo)致。該沉頭安裝孔尺寸按機(jī)加行規(guī)一般不標(biāo)注公差，也不進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)。通過調(diào)整機(jī)加工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制鋁基板沉頭安裝孔的機(jī)加尺寸，使沉頭螺釘安裝后不高于安裝平面，使鋁基板底面可以全部與變頻器殼體緊密貼合，實(shí)現(xiàn)大面積良好接地。

2、確保濾波器殼體與鋁基板良好接地

      放大器的重要組成部分———濾波器通過沉頭螺釘安裝在鋁基板上，鋁基板內(nèi)銑有型腔，用來安裝濾波器，安裝方式如圖１所示。再拆開有問題設(shè)備模塊后發(fā)現(xiàn)，有些濾波器沒有壓緊，存在可以輕微晃動(dòng)的情況。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是鋁基板型腔的厚度尺寸加工不一致，致使沉頭螺釘在濾波器內(nèi)的安裝螺紋全部有效行程走完后，仍然沒有將濾波器殼體緊緊地壓在鋁基板型腔內(nèi)，留有微小間隙，導(dǎo)致濾波器殼體與鋁基板沒有全部良好接地。通過嚴(yán)格控制鋁基板型腔厚度的機(jī)加尺寸，后續(xù)批次的濾波器殼體可以全部與鋁基板緊密貼合，實(shí)現(xiàn)大面積良好接地。

圖1 放大器中濾波器安裝示意圖

（3）多點(diǎn)就近接地

        通過生產(chǎn)調(diào)試與外場(chǎng)故障件返修的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將濾波器與放大器多點(diǎn)就近接地，能夠明顯改善輸出信號(hào)頻譜特性，大幅減少雜波干擾分量。因此，多點(diǎn)就近接地也是一條行之有效的改進(jìn)措施。

1、濾波器底部涂導(dǎo)電膠

     在濾波器底部４個(gè)安裝螺釘緊固前，在濾波器底部涂一薄層導(dǎo)電膠，再按原裝配工藝進(jìn)行安裝固定。涂了層導(dǎo)電膠后，增加了濾波器的有效接地面積，可使濾波器接地狀況更加良好。按此方法改進(jìn)實(shí)施后，輸出信號(hào)雜波干擾情況沒有明顯改善。

2、濾波器與放大器間搭焊鍍銀線

     在濾波器與放大器之間搭焊鍍銀線，能有效抑制雜波、串?dāng)_信號(hào)，經(jīng)頻譜儀測(cè)試后，證明改進(jìn)雜波干擾影響效果非常好。該方法可用于單件或小批量維修。在大批量生產(chǎn)中使用該方法，不僅增加了調(diào)試工作量，而且在器件表面上焊錫，既不符合器件電裝安裝及檢驗(yàn)規(guī)范，也容易使器件受損。

3、濾波器與放大器間加裝銅箔帶并錫焊

     在濾波器與放大器之間加裝銅箔帶，滿足放大器與濾波器多點(diǎn)就近接地要求。將銅箔帶裁剪成如圖２所示形狀，銅箔自帶背膠，具有黏性，直接黏貼于濾波器背面，并用４個(gè)固定螺釘緊固，超出濾波器外形尺寸的銅箔帶與放大器接地端黏接，后錫焊在印制板接地點(diǎn)上。

圖２加裝銅箔帶多點(diǎn)就近接地裝配示意圖

       通過在濾波器與放大器間加裝銅箔帶多點(diǎn)就近接地并錫焊后，放大器與濾波器之間可實(shí)現(xiàn)良好接地，雜波、串?dāng)_信號(hào)可得到有效抑制。該改進(jìn)措施可操作性與一致性較強(qiáng)。銅箔帶自帶背膠，具有黏性，可直接黏貼，后又與印制板接地點(diǎn)錫焊連接，裝配牢靠，可靠性較高。可明顯降低調(diào)試工作量與調(diào)試難度，大限度保護(hù)器件外觀及電路性能。

4、濾波器與放大器間加裝鋁箔

     在濾波器與放大器之間加裝鋁箔，滿足放大器與濾波器多點(diǎn)就近接地要求。具體改進(jìn)方法同加裝銅箔帶類似。通過在濾波器與放大器間加鋁箔共地后，雜波干擾改善情況不明顯；鋁箔無背膠，固定不牢靠；鋁箔表面光滑，無法錫焊固定；且鋁箔較脆，輕微碰觸或者將來受到震動(dòng)容易碎裂，因此，該方案舍棄不用。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

       抽取兩套新批次產(chǎn)品變頻器模塊進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分別編號(hào)為試驗(yàn)件１和試驗(yàn)件２。將兩套變頻器模塊先進(jìn)行常溫調(diào)試，除需要進(jìn)行改進(jìn)的放大器外，其余電路模塊均按照原先常規(guī)方法調(diào)試。試驗(yàn)驗(yàn)證方法如下。

（1）設(shè)計(jì)改進(jìn)前

         試驗(yàn)驗(yàn)證儀器主要為頻譜分析儀、功率分析儀、數(shù)字三用表、數(shù)字示波器、直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)源、耦合器、衰減器等。兩套變頻器模塊連接好測(cè)量儀器后加電測(cè)試，輸出功率頻譜分別如圖３ ～４所示，可以看到雜波干擾情況均非常嚴(yán)重。

圖3 試驗(yàn)件 1 變頻器模塊未改進(jìn)前輸出功率頻譜圖

圖 4 試驗(yàn)件 2 變頻器模塊未改進(jìn)前輸出功率頻譜圖

（2）設(shè)計(jì)改進(jìn)后

        按在濾波器與放大器間加裝銅箔帶并錫焊的方法對(duì)放大器進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)完成后對(duì)變頻器模塊重新加電測(cè)試，兩套改進(jìn)后的變頻器模塊輸出功率頻譜分別如圖５～６所示。

圖5 試驗(yàn)件 1 變頻器模塊改進(jìn)后輸出功率頻譜圖

圖6 試驗(yàn)件 2 變頻器模塊改進(jìn)后輸出功率頻譜圖

（3）試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與分析

        可以看到，改進(jìn)后的兩套變頻器模塊在信號(hào)雜波干擾抑制方面，改進(jìn)效果非常明顯，改進(jìn)措施非常有效，達(dá)到了理想的預(yù)期效果，其輸出功率、輸出頻譜等技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。通過合理調(diào)整放大器相關(guān)零部件的機(jī)加尺寸和工藝參數(shù)，確保大面積良好接地，可以解決批量性的信號(hào)雜波干擾問題。措施一在濾波器與放大器間搭焊鍍銀線和措施二在濾波器與放大器間加裝銅箔帶并錫焊的改進(jìn)效果均非常良好，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，證明改進(jìn)措施非常有效。其中措施一為非常規(guī)手段，不適合大批量實(shí)施，目前可作為維修手段在單件小批量上使用；措施二在后續(xù)多批次長時(shí)間驗(yàn)證后，將具體改進(jìn)措施落實(shí)到實(shí)際的生產(chǎn)調(diào)試過程中，改進(jìn)了頻譜分析儀產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

五、結(jié)束語

      電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)僅僅靠結(jié)構(gòu)上進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)是不夠的，電磁兼容設(shè)計(jì)的思想應(yīng)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。本文針對(duì)某型電子通訊設(shè)備中微波射頻電路出現(xiàn)的雜波干擾問題進(jìn)行實(shí)例分析，經(jīng)過技術(shù)分析與理論探討，確定了改進(jìn)部位與方向，研究出行之有效的改進(jìn)措施。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，確定取得了明顯的改進(jìn)效果，并落實(shí)到具體的生產(chǎn)過程中，極大地提高了產(chǎn)品的可靠性，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)效益，也為后來的設(shè)計(jì)者提供了可參考借鑒的經(jīng)驗(yàn)。