防電磁干擾的重要措施——濾波技術(shù)

1　引 言

　　防主要有三項(xiàng)措施，即屏蔽、濾波和接地。往往單純采用屏蔽不能提供完整的電磁干擾防護(hù)，因?yàn)樵O(shè)備或系統(tǒng)上的電纜是最有效的干擾接收與發(fā)射天線。許多設(shè)備單臺(tái)做實(shí)驗(yàn)時(shí)都沒有問題，但當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備連接起來以后，就不滿足電磁兼容的要求了，這就是電纜起了接收和輻射天線的作用。唯一的措施就是加濾波器，切斷電磁干擾沿信號(hào)線或電源線傳播的路徑，與屏蔽共同構(gòu)成完美的電磁干擾防護(hù)，無論是抑制干擾源、消除耦合或提高接收電路的抗能力。都可以采用。

　　2　線上干擾的類型

　　線上的干擾電流按照其流動(dòng)路徑可以分為兩類：一類是差模干擾電流，另一類是共模干擾電流。差模干擾電流是在火線和零線之間流動(dòng)的干擾電流，共模干擾電流是在火線、零線與大地(或其它參考物體)之間流動(dòng)的干擾電流，由于這兩種干擾的抑制方式不同，因此正確辨認(rèn)干擾的類型是實(shí)施正確濾波方法的前提。

兩種干擾

       共模干擾一般是由來自外界或電路其它部分的干擾電磁波在電纜與“地”的回路中感應(yīng)產(chǎn)生的，有時(shí)由于電纜兩端的接“地”電位不同，也會(huì)產(chǎn)生共模干擾。它對(duì)電磁兼容的危害很大，一方面，共模干擾會(huì)使電纜線向外發(fā)射出強(qiáng)烈的電磁輻射，干擾電路的其它部分或周邊電子設(shè)備；另一方面，如果電路不平衡，在電纜中不同導(dǎo)線上的共模干擾電流的幅度、相位發(fā)生差異時(shí)，共模干擾則會(huì)轉(zhuǎn)變成差模干擾，將嚴(yán)重影響正常信號(hào)的質(zhì)量，所以人們都在努力抑制共模干擾。
　　
       差模干擾主要是電路中其它部分產(chǎn)生的電磁干擾經(jīng)過傳導(dǎo)或耦合的途徑進(jìn)入信號(hào)線回路，如高次諧波、自激振蕩、電網(wǎng)干擾等。由于差模干擾電流與正常的信號(hào)電流同時(shí)、同方向在回路中流動(dòng)，所以它對(duì)信號(hào)的干擾是嚴(yán)重的，必須設(shè)法抑制。
　　
       綜上所述可知，為了達(dá)到電磁兼容的要求，對(duì)共模干擾和差模干擾都應(yīng)設(shè)法抑制。

　　3　濾波器的分類

　　濾波器是由集中參數(shù)的電阻、電感和電容，或分布參數(shù)的電阻、電感和電容構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)允許一些頻率通過，而對(duì)其它頻率成份加以抑制。根據(jù)要濾除的干擾信號(hào)的頻率與工作頻率的相對(duì)關(guān)系，干擾濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等種類。

低通濾波器的類型

       低通濾波器是最常用的一種，主要用在干擾信號(hào)頻率比工作信號(hào)頻率高的場(chǎng)合。如在數(shù)字設(shè)備中，脈沖信號(hào)有豐富的高次諧波，這些高次諧波并不是電路工作所必需的，但它們卻是很強(qiáng)的干擾源。因此在數(shù)字電路中，常用低通濾波器將脈沖信號(hào)中不必要的高次諧波濾除掉，而僅保留能夠維持電路正常工作最低頻率。電源線濾波器也是低通濾波器，它僅允許50Hz的電流通過，對(duì)其它高頻干擾信號(hào)有很大的衰減。

　　●常用的低通濾波器是用電感和電容組合而成的，電容并聯(lián)在要濾波的信號(hào)線與信號(hào)地之間（濾除差模干擾電流）或信號(hào)線與機(jī)殼地或大地之間（濾除共模干擾電流）電感串聯(lián)在要濾波的信號(hào)線上。按照電路結(jié)構(gòu)分，有單電容型（C型），單電感型，L型和反Γ型，T型，π型。

　　●高通濾波器用于干擾頻率比信號(hào)頻率低的場(chǎng)合，如在一些靠近電源線的敏感信號(hào)線上濾除電源諧波造成的干擾。

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　●帶通濾波器用于信號(hào)頻率僅占較窄帶寬的場(chǎng)合，如通信接收機(jī)的天線端口上要安裝帶通濾波器，僅允許通信信號(hào)通過。

　　●帶阻濾波器用于干擾頻率帶寬較窄，而信號(hào)頻率較寬的場(chǎng)合，如距離大功率電臺(tái)很近的電纜端口處要安裝帶阻頻率等于電臺(tái)發(fā)射頻率的帶阻濾波器。

　　不同結(jié)構(gòu)的濾波電路主要有兩點(diǎn)不同：

　　1．電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰減越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。

　　2．不同結(jié)構(gòu)的濾波電路適合于不同的源阻抗和負(fù)載阻抗，它們的關(guān)系應(yīng)遵循阻抗失配原則。但要注意的是，實(shí)際電路的阻抗很難估算，特別是在高頻時(shí)（電磁干擾問題往往發(fā)生在高頻），由于電路寄生參數(shù)的影響，電路的阻抗變化很大，而且電路的阻抗往往還與電路的工作狀態(tài)有關(guān)，再加上電路阻抗在不同的頻率上也不一樣。因此，在實(shí)際中，哪一種濾波器有效主要靠試驗(yàn)的結(jié)果確定。

　　4　濾波器的基本原理

　　濾波器是由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成，它允許有用信號(hào)的電流通過，對(duì)頻率較高的干擾信號(hào)則有較大的衰減。由于干擾信號(hào)有差模和共模兩種，因此濾波器要對(duì)這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理有三種:

　　A）利用電容通高頻隔低頻的特性，將火線、零線高頻干擾電流導(dǎo)入地線（共模），或?qū)⒒鹁€高頻干擾電流導(dǎo)入零線（差模）；

　　B）利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源；

　　C）利用干擾抑制鐵氧體可將一定頻段的干擾信號(hào)吸收轉(zhuǎn)化為熱量的特性，針對(duì)某干擾信號(hào)的頻段選擇合適的干擾抑制鐵氧體磁環(huán)、磁珠直接套在需要濾波的電纜上即可。

　　5　電源濾波器高頻插入損耗的重要性

　　盡管各種標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于傳導(dǎo)發(fā)射的限制僅到30MHz（舊軍標(biāo)到50MHz，新軍標(biāo)到10MHz），但是對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射的抑制絕不能忽略高頻的影響。因?yàn)?，電源線上高頻傳導(dǎo)電流會(huì)導(dǎo)致輻射，使設(shè)備的輻射發(fā)射超標(biāo)。另外，瞬態(tài)脈沖敏感度試驗(yàn)中的試驗(yàn)波形往往包含了很高的頻率成份，如果不濾除這些高頻干擾，也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的敏感度試驗(yàn)失敗。

　　電源線濾波器的高頻特性差的主要原因有兩個(gè)，一個(gè)是內(nèi)部寄生參數(shù)造成的空間耦合，另一個(gè)是濾波器件的不理想性。因此，改善高頻特性的方法也是從這兩個(gè)方面著手。

　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)：濾波器的連線要按照電路結(jié)構(gòu)向一個(gè)方向布置，在空間允許的條件下，電感與電容之間保持一定的距離，必要時(shí)，可設(shè)置一些隔離板，減小空間耦合。

　　電感：按照前面所介紹的方法控制電感的寄生電容。必要時(shí)，使用多個(gè)電感串聯(lián)的方式。

　　差模濾波電容：電容的引線要盡量短。要理解這個(gè)要求的含義：電容與需要濾波的導(dǎo)線（火線和零線）之間的連 線盡量短。如果濾波器安裝在線路板上，線路板上的走線也會(huì)等效成電容的引線。這時(shí)，要注意保證時(shí)機(jī)的電容引線最短。

　　共模電容：電容的引線要盡量短。對(duì)這個(gè)要求的理解和注意事項(xiàng)同差模電容相同。但是，濾波器的共模高頻濾波特性主要靠共模電容保證，并且共模干擾的頻率一般較高，因此共模濾波電容的高頻特性更加重要。使用三端電容可以明顯改善高頻濾波效果。但是要注意三端電容的正確使用方法。即，要使接地線盡量短，而其它兩根線的長(zhǎng)短對(duì)效果幾乎沒有影響。必要時(shí)可以使用穿心電容，這時(shí)，濾波器本身的性能可以維持到1GHz以上。

　　特別提示：當(dāng)設(shè)備的輻射發(fā)射在某個(gè)頻率上不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求時(shí)，不要忘記檢查電源線在這個(gè)頻率上的共模傳導(dǎo)發(fā)射，輻射發(fā)射很可能是由這個(gè)共模發(fā)射電流引起的。

　　6　濾波器的選擇

　　根據(jù)干擾源的特性、頻率范圍、電壓和阻抗等參數(shù)及負(fù)載特性的要求，適當(dāng)選擇濾波器，一般考慮：其一，要求濾波器在相應(yīng)工作頻段范圍內(nèi)，能滿足負(fù)載要求的衰減特性，若一種濾波器衰減量不能滿足要求時(shí)，則可采用多級(jí)聯(lián)，可以獲得比單級(jí)更高的衰減，不同的濾波器級(jí)聯(lián)，可以獲得在寬頻帶內(nèi)良好衰減特性。其二，要滿足負(fù)載電路工作頻率和需抑制頻率的要求，如果要抑制的頻率和有用信號(hào)頻率非常接近時(shí)，則需要頻率特性非常陡峭的濾波器，才能滿足把抑制的干擾頻率濾掉，只允許通過有用頻率信號(hào)的要求。其三，在所要求的頻率上，濾波器的阻抗必須與它連接干擾源阻抗和負(fù)載阻抗相失配，如果負(fù)載是高阻抗，則濾波器的輸出阻抗應(yīng)為低阻；如果電源或干擾源阻抗是低阻抗，則濾波器的輸入阻抗應(yīng)為高阻；如果電源阻抗或干擾源阻抗是未知的或者是在一個(gè)很大的范圍內(nèi)變化，很難得到穩(wěn)定的濾波特性，為了獲得濾波器具有良好的比較穩(wěn)定的濾波特性，可以在濾波器輸入和輸出端，同時(shí)并接一個(gè)固定電阻。其四，濾波器必須具有一定耐壓能力，要根據(jù)電源和干擾源的額定電壓來選擇濾波器，使它具有足夠高的額定電壓，以保證在所有預(yù)期工作的條件下都能可靠地工作，能夠經(jīng)受輸入瞬時(shí)高壓的沖擊。其五，濾波器允許通過應(yīng)與電路中連續(xù)運(yùn)行的額定電流一致。額定電流高了，會(huì)加大濾波器的體積和重量；額定電流低了，又會(huì)降低濾波器的可靠性，其六，濾波器應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、安裝方便、安全可靠。

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　7　濾波器的使用

　　為了提高電源的品質(zhì)、電路的線性、減少各種雜波和非線性失真干擾和諧波干擾等均使用濾波器。對(duì)武器系統(tǒng)來講，使用濾波器的場(chǎng)所有：其一，除總配電系統(tǒng)和分配電系統(tǒng)上設(shè)置電源濾波器外，進(jìn)入設(shè)備的電源均要安裝濾波器，最好使用線至線濾波器，而不使用線至地濾波器。其二，對(duì)脈沖干擾和瞬變干擾敏感的設(shè)備，使用隔離變壓器供電時(shí)，應(yīng)在負(fù)端加裝濾波器。其三，對(duì)含電爆裝置的武器系統(tǒng)供電時(shí)，應(yīng)加濾波器。必要時(shí)，電爆裝置的引線也要加裝濾波器。其四、各分系統(tǒng)或設(shè)備之間的接口處，應(yīng)有濾波器抑制干擾，確保兼容。其五，設(shè)備和分系統(tǒng)的控制信號(hào)，其輸入和輸出端均應(yīng)加濾波器或旁路電容器。