748

190

его комплексного сопротивления от частоты. Максимальная частота, на которой конденсатор эффективно работает, является резонансной, и обычно она ограничена его собственной индуктивностью. На частотах выше частоты собственного резонанса конденсатор имеет индуктивное сопротивление, увеличивающееся с частотой. Частоту резонанса можно значительно повысить, применив проходной конденсатор.

Конструкция проходного конденсатора существенно отличается от конструкции конденсаторов других видов (рис. 5.5.3). Токонесущий стержень проходит через корпус конденсатора и изолируется от него фарфоровыми или стеклянными изоляторами. Один торец секции припаян к токонесущему стержню, а другой по всему периметру к корпусу,

который и является одним из выводов конденсатора. Тем самым достигается малая собственная индуктивность и возможно применение проходных конденсаторов на более высоких частотах по сравнению с другими видами конденсаторов. Симметричные проходные конденсаторы электрически представляют собой отрезок двухпроводной линии с малым волновым сопротивлением, и их можно использовать для эффективного подавления симметричных помех в двухпроводной цепи до частот порядка 100 МГц. Проходные коаксиальные конденсаторы электрически представляют собой отрезок коаксиальной линии с малым волновым сопротивлением и применяются для ослабления несимметричных помех,

распространяющихся по пути провод-корпус аппаратуры. Проходные конденсаторы работают в широком диапазоне частот примерно до 1000 МГц.

Следует отметить, что ни один из типов конденсаторов не обеспечивает удовлетворительной фильтрации во всем диапазоне от звуковых частот до СВЧ.

Электролитические конденсаторы имеют наибольшую емкость, однако являются низкочастотными, и их следует применять до частот не свыше 25 кГц. Параллельно электролитическому конденсатору можно включать слюдяной или керамический конденсатор малой емкости с малой индуктивностью для обеспечения эффективного подавления помех на высоких частотах.

Для ослабления помех в диапазоне частот примерно до 10 МГц можно использовать двухполюсные конденсаторы с учетом малой длины их выводов. Опорные помехоподавляющие конденсаторы могут применяться до частот порядка 30 ÷ 50 МГц.

Конденсаторные емкостные блоки (рис. 5.5.4) позволяют одновременно осуществлять фильтрацию симметричных и несимметричных помех. При этом С1 = (0,1÷0,68) мкФ, C2 = (2200÷4700) пФ.

Индуктивные элементы. ЭРИ этого типа применяются как самостоятельные элементы подавления помех и как последовательные звенья помехоподавляющих фильтров (рис. 5.5.1).

Конструктивно наиболее распространены дроссели следующих видов:

191

∙витковые на ферромагнитном сердечнике;

∙безвитковые.

Основной характеристикой помехоподавляющего дросселя, как и у конденсатора,

является зависимость его импеданса от частоты. Максимальная частота, на которой витковый дроссель эффективно работает, ограничена собственной емкостью. На частотах выше резонансной дроссель имеет емкостное сопротивление, уменьшающееся с частотой.

Безвитковый дроссель представляет собой трубчатый ферромагнитный сердечник,

одеваемый на токонесущий стержень. При конструировании дросселей важное значение имеет выбор ферромагнитного материала сердечника, который для обеспечения большой индуктивности не должен входить в насыщение. Учитывая широкий диапазон частот, в

котором должны работать дроссели, и возможность установки их в цепях со значительным током потребления, подмагничивающим сердечник, желательно применять сравнительно низкопроницаемые ферромагнитные материалы: никель-цинковые ферриты. На низких частотах рекомендуется применение магнитодиэлектрических сердечников, изготовленных на основе мо-пермаллоя.

Монтаж фильтров. При конструировании и монтаже помехоподавляющего фильтра основное внимание должно уделяться ослаблению нежелательных емкостных, индуктивных и гальванических связей между входом и выходом фильтра и помехонесущими проводами.

Преимущественно звенья фильтра компонуют в виде линейки для максимального разнесения входа и выхода фильтра. При этом дроссели фильтра располагают между проходными конденсаторами на линии токоведущих стержней.

Корпус и крышка фильтра должны являться сплошным экраном, чтобы обеспечить заданную эффективность экранирования. В случае многозвенного фильтра возможно разбиение его на звенья и применение отдельных экранированных отсеков.

5.5.4. Фильтрация цепей питания

Основной тенденцией развития радиоэлектроники является переход к цифровым методам обработки информации. Это обусловлено ростом степени интеграции микросхем,

повышением их быстродействия, снижением мощности потребления, увеличением плотности компоновки радиоаппаратуры. Последнее приводит к существенной зависимости помехозащищенности устройств обработки информации от конструктивного выполнения межэлементных соединений в аппаратуре, включая компоновку шин питания в печатных платах. Все микросхемы объединяются связями через шины питания, которые, как и источник питания, имеют конечный импеданс. Поэтому появление импульсных помех на шинах питания, вызванных процессами коммутации микросхем при переходе из одного

192

логического состояния в другое, может привести к появлению сбоев в работе цифрового устройства. Сказанное относится и к импульсным помехам, проникающим в шины питания извне, например, из источника питания, если их уровень превышает допустимый.

Для снижения уровня помех в шинах питания применяются следующие конструкторские методы:

∙уменьшение индуктивности шин питания с учетом взаимной магнитной связи прямого и обратного проводников;

∙сокращение длин участков шин питания, которые являются общими для токов от различных микросхем;

∙снижение скорости изменения импульсных токов в шинах питания с помощью помехоподавляющих конденсаторов;

∙рациональная топология цепей питания на печатной плате.

Увеличение размеров поперечного сечения проводников приводит к уменьшению собственной индуктивности шин, а также снижает их активное сопротивление. Последнее особенно важно в случае шины "земля", которая является обратным проводником для сигнальных цепей. В этой связи в многослойных печатных платах желательно выполнять шины питания в виде проводящих плоскостей, расположенных в соседних слоях.

Использование помехоподавляющих конденсаторов является эффективным средством снижения импульсных помех в цепях питания. Установленные в непосредственной близости от точек подключения микросхем к шинам питания они выполняют роль индивидуальных источников питания данной микросхемы, максимально к ней приближенных. В качестве помехоподавляющих конденсаторов рекомендуется использовать безындукционные керамические конденсаторы, которые следует равномерно распределять по плате. Для ТТЛ схем необходимо устанавливать помехоподавляющие конденсаторы из расчета один кон-

денсатор емкостью не менее 0,002 мкФ на группу, состоящую не более чем из 10 корпусов.

Помимо высокочастотных конденсаторов на печатных платах для подавления низкочастотных помех рекомендуется устанавливать электролитические конденсаторы,

которые должны монтироваться в непосредственной близости от ввода питания на плату.

Для печатных плат на ТТЛ схемах на вводе питания следует устанавливать конденсаторы емкостью 25÷100 мкФ.

193

Рис. 5.5.5. Разводка шин питания: а – последовательно (неправильно); б – параллельно (правильно); в – в виде замкнутых контуров

Разводка питания к микросхемам на печатной плате должна осуществляться не последовательно к каждой микросхеме (рис. 5.5.5, а), а параллельно по группам микросхем

(рис. 5.5.5, б). Необходимо использовать разводку питания в виде замкнутых контуров (рис. 5.5.5, в). Такая конструкция приближается по своим электрическим параметрам к сплошным плоскостям питания. Для защиты от влияния внешнего помехонесущего магнитного поля по периметру печатной платы следует предусмотреть внешний замкнутый контур.

5.6.Заземление

5.6.1.Принципы построения системы заземления

Заземление блоков, устройств и систем имеет три основных назначения:

∙защита от перенапряжений, возникающих на корпусах оборудования и сооружений при ударах молний;

∙защита обслуживающего персонала от поражений электрическим током;

∙уменьшение электромагнитных помех.

Два первых назначения заземления определяются в первую очередь задачами техники безопасности, последнее назначение – задачами обеспечения ЭМС.

В радиотехнике термин "земля" обозначает систему проводящих поверхностей и электрических соединений, потенциал которых считается нулевым и принимается за начало отсчета напряжения различных сигналов. Эти поверхности предназначены для протекания обратных токов в цепях информационных сигналов, токов в цепях команд управления и коммутации, а также силовых токов в цепях электропитания. Кроме того, заземление экранирующих поверхностей способствует ослаблению нежелательных связей и выполняет функции составной части системы экранирования.

Рассмотрим проблему заземления с точки зрения ЭМС РЭС, т. е. для уменьшения электромагнитных помех. Система заземления представляет собой электрическую цепь,

194

которая должна обладать свойством сохранения минимального потенциала, являющегося уровнем отсчета в конкретной аппаратуре. В стационарных РЭС нулевой потенциал может быть близок к потенциалу земной поверхности, а в подвижном оборудовании − отличен от

него, но является опорным для любого элемента электрической системы.

На рис. 5.6.1 представлена схема переноса помех из цепи источника (ИП) в цепь рецептора (РП) за счет протекания токов этих цепей через общий импеданс "земли" Z.

Согласно схеме замещения уровень помех на нагрузке рецептора Zнр, при Z << Zи + Zни и Z

<< Zр + Zнр, равен U = Uи Z Zнр /(Zи + Zни)

(Zр + Zнр). (5.6.1)

Вместе с экранированием и фильтрацией система заземления в радиоаппаратуре является эффективным средством ослабления помех. При конструировании к системе заземления предъявляются следующие основные требования:

∙необходимо минимизировать общий импеданс "земли", чтобы исключить появление напряжения помех, превышающего допустимый уровень за счет протекания токов отдельных микросхем, функциональных узлов и т. п. через общие участки "земли";

∙исключать замкнутые контура заземления, чувствительные к воздействию магнитных полей.

Следует обеспечить как минимум три раздельные цепи заземления:

1)для сигнальных и командных цепей с низкими уровнями токов и напряжения;

2)для силовых цепей с большими токами (источники питания, выходные каскады РЭС,

схемы управления реле, двигатели и т. д.);

3)для корпусных цепей (несущих конструкций): шасси, панели, кожуха, крышки корпусов,

экранов.

Взависимости от назначения аппаратуры и условий ее эксплуатации защитное заземление может выполняться с помощью корпусных цепей. В этом случае цепи,

соединяющие экраны в аппаратуре, могут быть с ними гальванически развязаны и электрически соединены только в одной точке заземления, а в соответствии с правилами техники безопасности в ряде случаев защитное заземление можно не производить.

Сопротивления заземляющих проводников и общих шин должно быть минимальным.

При этом должна быть минимизирована, как активная составляющая сопротивления заземления, так и индуктивная. Для реализации этого требования заземляющие проводники должны иметь минимально возможную длину lз, значительно меньшую длину волны помехи,

195

т. е. должно выполняться lз ≤ 0,02λп. Форма и размеры поперечного сечения заземляющих проводников выбираются такими, чтобы на частоте помехи обеспечивались малые активное и реактивное сопротивления.

Все электрические соединения в системе заземления должны иметь минимальное сопротивление контакта, а также обеспечивать надежный контакт в задаваемых условиях климатических воздействий и вибраций. Кроме того, материалы, применяемые в соединениях, должны исключать образование гальванических пар для предотвращения коррозии и появления помех, связанных с возникновением соответствующей ЭДС в цепи,

т. е. материалы соединений должны составлять допустимые по электрохимическому потенциалу контактные пары.

5.6.2. Схемы заземления.

Электрические цепи заземления выполняются следующими способами:

∙в одной точке, с последовательным или параллельным подключением отдельных узлов,

блоков, шкафов или РЭС;

∙в нескольких точках, ближайших к опорной точке "земли".

Соответственно системы заземления называются: одноточечная последовательная (рис.

5.6.2, а), одноточечная параллельная (рис. 5.6.2, б) и многоточечная (рис. 5.6.2, в).

При анализе схем заземления необходимо учитывать конечный импеданс заземляющих

параллельная; в − многоточечная

196

Следовательно, чем дальше удалена точка заземления от опорной, тем выше ее потенциал. Тем не менее, из-за простоты реализации такая схема заземления находит широкое применение в аппаратуре. Но ее не рекомендуется применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности, так как мощные РЭС создают большие возвратные токи заземления, которые могут влиять на малосигнальные функциональные средства. При необходимости наиболее критичное средство следует подключать как можно ближе к точке опорного заземления.

Одноточечная параллельная схема (рис. 5.6.2, б) свободна от недостатков последовательной схемы, так как потенциалы отдельных средств независимы и соответственно равны UA = I1Z1; UB = I2Z2; UС = I3Z3. Однако эта схема требует большого числа протяженных заземляющих проводников и является конструктивно громоздкой. При этом возрастает электромагнитная связь этих проводников, увеличивающая уровень помех в цепях заземления рецепторов (см. подраздел 5.3). Эту схему лучше использовать на низких частотах. Для обеспечения малого импеданса заземляющих проводов их длина должна быть минимальна.

Многоточечную систему заземления рекомендуется использовать на высоких частотах.

Отдельные РЭС подключаются в точках, ближайших к опорной "земле" (рис. 5.6.2, в). При этом в качестве опорной "земли" применяется заземляющая поверхность с малым импедансом: металлическое шасси, слой многослойной печатной платы, металлизация пластмассового корпуса и т. д. При использовании многоточечной схемы заземления необходимо применять специальные меры для исключения возникновения контуров заземления между отдельными РЭС, имеющими между собой сигнальные связи. Для этого используют изолирующие трансформаторы (рис. 5.6.3, а) или оптроны (рис. 5.6.3, б).

Применение трансформатора или оптрона приводит к разрыву контура заземления. К

преимуществам использования оптронов относится то, что они практически нечувствительны к внешним электрическим и магнитным помехам, имеют ничтожно малую емкость между входом и выходом.

Однако из-за нелинейности вольтамперной характеристики оптронные связи применяются в основном при импульсно-модулированных сигналах.

Импеданс заземления на высоких частотах снижают, применяя гальваническое покрытие с более высокой, чем у основного металла, проводимостью (например, серебрение

197

для медного или латунного шасси). Другим эффективным способом снижения импеданса заземления является уплотнение компоновки аппаратуры.

В радиоаппаратуре, размещаемой в шкафах или стойках, необходимо стремиться к минимальной протяженности электрических цепей связи между ними. Особое внимание следует уделять сокращению протяженности связей между шкафами, по которым протекают значительные токи, а также соблюдению принципа раздельного заземления электрических цепей с различной мощностью.

Практические схемы заземления выбирают из условия компромисса, поэтому они могут представлять собой комбинации трех рассмотренных типов. При этом на частотах до 1

МГц предпочтение отдается одноточечной схеме, а на частотах выше 10 МГц – многоточечной схеме заземления. В диапазоне 1¸10 МГц в зависимости от конкретной обстановки используют как одноточечный, так и многоточечный способы заземления.

Низкочастотные схемы заземления наиболее целесообразно выполнять параллельными, т. е.

использовать отдельные заземляющие проводники, по которым протекают обратные токи силовых и сигнальных цепей.

5.6.3. Особенности схем "заземления" на подвижных объектах

Подвижные объекты (наземные транспортные средства, морские и речные суда,

летательные аппараты) в общем случае не имеют потенциала, обусловленного землей.

Особенно это относится к летательным аппаратам. Поэтому для таких объектов, несущих на себе многочисленные РЭС, возникает проблема приведения всех металлонесущих частей к одному потенциалу.

Для обеспечения ЭМС РЭС, размещенных на летательном аппарате, необходимо обеспечить надежными и устойчивыми электропроводящими связями все РЭС объекта,

между которыми возможно возникновение разности потенциалов от электростатических полей. Установление таких электропроводящих связей называется металлизацией. На этапе разработки необходимо проводить оценку условий, способствующих возникновению электростатических полей и определять расположение мест металлизации. При этом металлизации подлежат не только металлические, но и неметаллические части аппаратуры,

на которых могут накапливаться электростатические заряды.

Перемычки металлизации между составными частями РЭС должны иметь минимальную длину, а переходное сопротивление между металлизируемыми элементами не должно превышать 3×10−3 Ом. Составные части РЭС, размещаемые на изолирующих амортизаторах также должны металлизироваться перемычками к основному корпусу объекта

(рис.5.6.4). Металлизации с корпусом объекта подлежат также экранированные провода

198

неэкранированных жгутов, экранированные жгуты и кабели (рис. 5.6.5.). При длине экранированных проводов, жгутов и кабелей от 2 до 5 метров металлизацию производят в двух местах, на их концах; при длине менее 2 м – в одном месте, на одном конце. При длине менее 0,5 м металлизацию можно не производить.

Металлические корпуса разъемов, применяемых для металлизации составных частей

РЭС необходимо металлизировать с корпусами перемычками (рис. 5.6.6).

Металлизацию осуществляют несколькими способами:

∙неразъемными перемычками;

∙разъемными перемычками;

∙путем обеспечения непосредственного контакта поверхностей металлизируемых элементов;

∙при помощи установочных деталей;

∙при помощи крепежных деталей, устанавливаемых на токопроводящих покрытиях;

∙металлизирующими заклепками.

199

6.Методы и средства измерения характеристик ЭМС

6.1.Экспериментальные методы исследования характеристик ЭМС

Экспериментальные методы исследований ЭМО и измерения НЭМП занимают важное место в практике обеспечения ЭМС РЭС. Применение этих методов позволяет получать основную информацию об анализируемых объектах. Как отмечалось в подразделе 1.7, целью экспериментальных методов является:

1)определение соответствия характеристик вновь создаваемых и эксплуатируемых РЭС установленным требованиям нормативно-технической документации по параметрам электромагнитной совместимости;

2)оценка степени воздействия непреднамеренных электромагнитных помех на рецепторы РЭС в различных условиях их работы;

3)определение конкретных причин, приводящих к нарушению ЭМС РЭС и их составных частей − источников НЭМП и путей их воздействия на различные рецепторы;

4)проведение оценки эффективности выполненных организационных и технических мероприятий обеспечения ЭМС и определение степени влияния примененных мер на

качество функционирования РЭС.

Экспериментальные исследования применяются на всех уровнях иерархии РЭС – от элементов, узлов и блоков РЭС до систем и служб. При выполнении экспериментальных исследований обеспечиваются следующие мероприятия:

∙оценка характеристик и параметров ЭРИ, блоков и устройств, влияющих на ЭМС.

Данные, получаемые в результате измерений, используются для определения уровней помех, которые создаются устройствами или их составными частями, для оценки степени ослабления помех на путях их распространения, восприимчивости различных рецепторов к помехам, действующим через корпуса устройств и экраны, по цепям электропитания и управления;

∙определение реакции РЭС на совместные действия сигналов и помех при проведении исследований для оценки степени снижения качества функционирования исследуемого РЭС;

∙оценка ЭМО – определение уровней помех в заданных районах или на объектах и их спектральных, а также статистических характеристик;

∙установление факта совместимости нескольких РЭС в условиях конкретного региона или объекта и выявление возникающих причин нарушения ЭМС этих радиоэлектронных средств.