中頻發(fā)電機(jī)對(duì)檢測(cè)裝置的干擾剖析及EMI濾波器的實(shí)現(xiàn)

0 引言
    隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展及各類電氣、電子、信息設(shè)備的日益廣泛應(yīng)用，電磁干擾(EMI)的交互作用使得電子設(shè)備中存在著越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境，對(duì)各種儀器設(shè)備產(chǎn)生越來越大的危害。電子設(shè)備受電磁噪聲干擾的作用會(huì)產(chǎn)生多種危害，在模擬電路中可以引起信號(hào)波形的畸變，信噪比降低，甚至信號(hào)會(huì)完全被EMI所淹沒。噪聲干擾也會(huì)使得數(shù)字電路系統(tǒng)中的誤碼率上升，邏輯電平紊亂，降低系統(tǒng)信息的可靠性，極端情況下導(dǎo)致失控或誤操作的嚴(yán)重后果。尤其在一些特殊領(lǐng)域，與一般的電子信息系統(tǒng)相比，電子設(shè)備具有密集度高、電磁兼容環(huán)境惡劣和可靠性要求高等特點(diǎn)，使得電磁兼容(EMC)技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用具有特殊重要的意義。目前中頻發(fā)發(fā)電機(jī)已廣泛應(yīng)用于艦船、飛機(jī)、電站等獨(dú)立的供電系統(tǒng)中，對(duì)其EMC的研究逐漸受到關(guān)注。由于漏抗的存在，使得中頻發(fā)電機(jī)產(chǎn)生共模干擾，本文針對(duì)中頻發(fā)電機(jī)的噪聲對(duì)某檢測(cè)裝置的影響，提出降低其干擾的技術(shù)措施，設(shè)計(jì)了EMI濾波電路，并對(duì)濾波效果進(jìn)行了實(shí)際裝載試驗(yàn)，其結(jié)果大大提高了該檢測(cè)裝置的性能。

1 發(fā)電機(jī)噪聲對(duì)檢測(cè)裝置的危害
    在實(shí)際裝載工作時(shí)，檢測(cè)裝置處于惡劣環(huán)境下，具有嚴(yán)重的干擾背景，其自噪聲是非平穩(wěn)的和非高斯分布的，接收的信號(hào)背景中存在時(shí)間彌散、頻率彌散、角度彌散以及嚴(yán)重的起伏。檢測(cè)裝置過高的噪聲，嚴(yán)重制約了檢測(cè)性能。然而在眾多的動(dòng)態(tài)干擾因素中查找影響檢測(cè)裝置的主要干擾源是一件困難的事情?？梢哉f，確認(rèn)噪聲干擾源是提高檢測(cè)性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
    由于中頻發(fā)電機(jī)的工作頻率與檢測(cè)裝置的不同，并且其供電又經(jīng)過檢測(cè)裝置接收機(jī)內(nèi)部的二次電源轉(zhuǎn)換，所以一般認(rèn)為發(fā)電機(jī)不會(huì)對(duì)檢測(cè)裝置造成干擾，在設(shè)計(jì)時(shí)通常只對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的電壓紋波電平提出要求，而對(duì)其輸出的噪聲并未關(guān)注。那么，中頻發(fā)電機(jī)是如何影響檢測(cè)裝置的呢?
1．1 發(fā)電機(jī)對(duì)檢測(cè)裝置的干擾原理
    圖1是檢測(cè)裝置的原理框圖。檢測(cè)裝置的發(fā)射通道與收／發(fā)天線連接，發(fā)射大功率探測(cè)信號(hào)；另一方面收／發(fā)天線與接收通道連接，接收微弱信號(hào)進(jìn)行濾波放大及信號(hào)處理。中頻發(fā)電機(jī)產(chǎn)生高壓供檢測(cè)裝置大功率發(fā)射用，產(chǎn)生低壓供檢測(cè)裝置的其它電子器件以及系統(tǒng)的其它設(shè)備用。發(fā)電機(jī)對(duì)檢測(cè)裝置的干擾正是通過高壓供電由發(fā)射通道耦合到接收通道的。

    檢測(cè)裝置發(fā)射與接收分時(shí)工作，在接收期間，發(fā)射機(jī)不工作，但中頻發(fā)電機(jī)始終給發(fā)射機(jī)供電。在發(fā)射通道中設(shè)計(jì)有隔離電路，在收發(fā)轉(zhuǎn)換過程中起著至關(guān)重要的作用，必須保證在發(fā)射脈沖結(jié)束后可靠阻斷發(fā)射通道的干擾。然而在實(shí)際電路中，這種"阻斷"能力總是有限的，于是發(fā)電機(jī)的噪聲按照中頻發(fā)電機(jī)-發(fā)射通道-收發(fā)天線-接收通道的途徑，泄漏到接收通道，形成干擾。接收機(jī)是一個(gè)敏感設(shè)備，所接收處理的信號(hào)是mV級(jí)的小信號(hào)，一點(diǎn)點(diǎn)微弱的噪聲干擾都可能影響其工作。因此，中頻發(fā)電機(jī)的干擾增加了檢測(cè)裝置接收機(jī)的噪聲，相關(guān)試驗(yàn)證明，可使其自噪聲級(jí)增加約10～20dB，成為檢測(cè)裝置的主要干擾源，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的檢測(cè)性能。
1．2 共模干擾與差模干擾
    根據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹，共模(Common mode)是指存在于兩根或多根導(dǎo)線中，流經(jīng)所有導(dǎo)線的電流都是同極性的，差模(Differential mode)是指在導(dǎo)線對(duì)上的電流極性是相反的。共模干擾的干擾電流在電纜中的所有導(dǎo)線上幅度／相位相同，它在電纜與大地之間形成回路流動(dòng)，見圖2(a)。差模干擾的干擾電流在信號(hào)線與信號(hào)地線之間流動(dòng)，見圖2(b)。

    由于共模干擾與差模干擾的干擾電流在電纜上的流動(dòng)方式不同，對(duì)這兩種干擾電流的濾波方法也不相同。因此在進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)之前必須了解所面對(duì)的干擾電流的類型。
1．3 中頻發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的共模干擾分析
    圖3是中頻發(fā)電機(jī)整流原理圖，圖4為三相全波整流電路，其中(a)為三相半波共陰極組，(b)為三相半波共陽極組，二者的串聯(lián)即為圖3的等效電路。

    文獻(xiàn)[2]對(duì)發(fā)電機(jī)整流模塊產(chǎn)生干擾的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。由于存在漏抗LT，使整流換相不能在瞬間完成，存在一個(gè)變化過程，在換相重疊角期間，u1和u2有跳變，從而使整流輸出產(chǎn)生共模干擾。
    如果三相電源對(duì)稱的情況下，中頻發(fā)電機(jī)產(chǎn)生共模干擾電壓的時(shí)域、頻域表達(dá)式為[2]：

   
    式中，U為電源相電壓有效值；ω為電源角頻率；γ為三相整流橋的換相重疊角，與中頻發(fā)電機(jī)的漏抗有關(guān)；ε(t)為單位階躍函數(shù)；t γ為換相重疊角γ對(duì)應(yīng)的時(shí)間；δ(t)為單位脈沖函數(shù)；k為自然數(shù)。

2 E MI濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    為了提高檢測(cè)裝置的信噪比，必須設(shè)計(jì)合理的EMI濾波器，消除或減小發(fā)電機(jī)共模干擾對(duì)檢測(cè)裝置的影響。
2．1 EMI濾波器的基本結(jié)構(gòu)和原理
    在EMI抑制中，低通濾波器使用得最多。濾波電路通常采用由電感、電容構(gòu)成的無源濾波器的形式。電容與電感的連接方式不同決定濾波器的Q值和衰減量。噪聲濾波器不僅要考慮其基本結(jié)構(gòu)，還要考慮其所連網(wǎng)絡(luò)兩端的阻抗大小，并根據(jù)源阻抗及負(fù)載阻抗的不同，依照阻抗最大失配原則來選擇正確的接法，兩者阻抗差別越大，濾波器的濾波效果也就越好。電路結(jié)構(gòu)的選擇原則規(guī)律是"電容對(duì)高阻、電感對(duì)低阻"，如表1。

    本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的是低源阻抗、高負(fù)載阻抗，采用先串電感后并電容的反r型濾波電路。為了在阻帶內(nèi)獲得最大衰減，濾波器輸入端阻抗需與之連接的噪聲源阻抗相反，即對(duì)中頻發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的低阻抗噪聲源，濾波器需呈現(xiàn)高阻抗(大的串聯(lián)電感)。在檢測(cè)裝置所關(guān)注的低頻噪聲頻段，要增加濾波器對(duì)較低頻率干擾的衰減，需要大的濾波電感和電容。
    由于共模干擾和差模干擾具有不同的干擾特點(diǎn)，噪聲濾波器設(shè)計(jì)需要采用不同的結(jié)構(gòu)來對(duì)噪聲干擾進(jìn)行抑制。中頻發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的噪聲以共模干擾為主，共模干擾濾波電路是在電源線的輸入上均串入共模電感，即共模扼流圈。共模扼流圈是以鐵氧體(或更高導(dǎo)磁率的超微晶磁材)為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)匝數(shù)相同并對(duì)稱地繞制在同一個(gè)環(huán)形磁芯上的線圈構(gòu)成，如圖5所示，形成一個(gè)四端器件，要對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出的大電感具有抑制作用，而對(duì)于差模信號(hào)呈現(xiàn)出的很小的漏電感幾乎不起作用。
    (a)共模電流通過時(shí) (b)差模電流通過時(shí)

    共模扼流圈的原理是流過共模電流時(shí)磁環(huán)中的磁通方向相同(磁通方向根據(jù)文獻(xiàn)[4]判別)，因而相互疊加(φ1+φ2)，從而具有相當(dāng)大的電感量，對(duì)共模電流起到抑制作用(圖5(a))，而當(dāng)兩線圈流過差模電流時(shí)，磁環(huán)中的磁通方向相反，因而相互抵消(φ1-φ2)，幾乎沒有電感量，所以差模電流可以無衰減地通過(圖5(b))。因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(hào)，而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無影響。對(duì)于中頻發(fā)電機(jī)輸出來說，任何時(shí)候電源線之間的電流都是大小相等，方向相反的(圖5(b))，磁芯中的磁通相互抵消，線圈不呈現(xiàn)阻抗，避免了檢測(cè)裝置發(fā)射機(jī)高壓供電工作時(shí)因?yàn)闉V波器的引入而在電源端產(chǎn)生附加的壓降。由此分析得出，在中頻發(fā)電機(jī)供電輸出端接入共模扼流圈，能夠抑制電源線上供電回路的共模干擾，而對(duì)供電電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。
    共模電感在制作時(shí)應(yīng)滿足以下要求：a．繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在高壓供電時(shí)線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。b．線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。c．線圈應(yīng)盡可能單層繞制，以減小線圈的寄生電容。
2．2 EMI濾波器的電路設(shè)計(jì)
    為減小體積和重量，中頻發(fā)電機(jī)濾波電路采用單級(jí)LC EMI濾波器，電路如圖6所示。

    對(duì)于抑制低頻噪聲，理論上發(fā)電機(jī)濾波器的電感和電容的參數(shù)選得越大，濾波效果越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低，對(duì)高頻噪聲的去耦效果差，而電感值越大，電感的體積也越大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡各種因素的影響，確定合適的參數(shù)。由于檢測(cè)裝置中本身帶有幾百mF的電容，因此在本系統(tǒng)中，僅在電容前增加一個(gè)共模扼流圈(約幾十mH，取決于要濾除的干擾的頻率，頻率越低，需要的電感量越大)，它與檢測(cè)裝置原有的電容一起構(gòu)成了反T型濾波電路。濾波電路參數(shù)選定后，必須驗(yàn)證參數(shù)選取得是否合適，以保證發(fā)電機(jī)噪聲濾波器的自諧振頻率遠(yuǎn)小于所要濾除的噪聲頻率，否則發(fā)電機(jī)噪聲濾波器不僅不能夠起到抑制噪聲干擾的作用，而且很有可能會(huì)放大噪聲干擾。在EMI濾波器的設(shè)計(jì)中，起初考慮到除了要抑制中頻發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的共模干擾外，還應(yīng)有抑制差模干擾的能力，但經(jīng)過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證明，差模濾波器的使用，并未在需要的頻段上增加濾波效果，因此最終僅采用了共模濾波器抑制發(fā)電機(jī)干擾。

3 發(fā)電機(jī)拖動(dòng)試驗(yàn)及實(shí)際裝載試驗(yàn)
3．1 發(fā)電機(jī)拖動(dòng)試驗(yàn)
    發(fā)電機(jī)拖動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)在中頻發(fā)電機(jī)供電下，檢測(cè)裝置采取濾波措施前、后接收通道的噪聲情況比較。試驗(yàn)框圖見圖7所示。

    將中頻發(fā)電機(jī)安裝在中頻發(fā)電機(jī)拖動(dòng)臺(tái)上，調(diào)壓器平穩(wěn)放置，通過轉(zhuǎn)接電纜與檢測(cè)裝置及系統(tǒng)其它設(shè)備相連接。檢測(cè)裝置中，接收通道設(shè)計(jì)有增益控制電路，能夠使噪聲背景歸一化[5]，其增益控制電壓UG可反映接收通道噪聲的大小。
    無濾波措施時(shí)，測(cè)量UG=3．0V，增加濾波措施時(shí)，測(cè)量UG=6．8V。經(jīng)初步計(jì)算，采取了抗干擾措施后噪聲降低了14dB左右。
3．2 實(shí)際裝載試驗(yàn)
    在無濾波措施的情況下，實(shí)際裝載試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)裝置工作在惡劣環(huán)境下。由于長期以來的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，并沒有意識(shí)到中頻發(fā)電機(jī)的電噪聲是檢測(cè)裝置的主要干擾源，導(dǎo)致檢測(cè)距離嚴(yán)重不足。因而設(shè)法采取了其它各種降噪聲措施，但收效甚微。圖8是在發(fā)電機(jī)噪聲干擾情況下，實(shí)際裝載試驗(yàn)時(shí)目標(biāo)出現(xiàn)在遠(yuǎn)距離的檢測(cè)結(jié)果，橫坐標(biāo)為該距離下的頻率點(diǎn)，縱坐標(biāo)為檢測(cè)值與門限值的幅度，信號(hào)應(yīng)出現(xiàn)在140的頻率點(diǎn)附近，由于噪聲太大，信號(hào)完全被淹沒在噪聲中，檢測(cè)裝置不能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

    圖9是發(fā)電機(jī)噪聲干擾情況下，實(shí)際裝載試驗(yàn)時(shí)目標(biāo)已出現(xiàn)在較近距離時(shí)的檢測(cè)結(jié)果。此時(shí)隨著檢測(cè)裝置與目標(biāo)之間的距離接近，信噪比逐漸增大，信號(hào)已超過了門限值，檢測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)。但是探測(cè)距離極為有限。

    當(dāng)采取了抗干擾措施之后再進(jìn)行實(shí)際裝載試驗(yàn)，系統(tǒng)內(nèi)電噪聲降低到與自噪聲相比可以忽略不計(jì)的程度。由于降低噪聲的效果非常顯著，大大改善了系統(tǒng)的工作環(huán)境，使檢測(cè)距離大幅度增長，達(dá)到了一個(gè)新的水平。圖1O為實(shí)際裝載工作時(shí)目標(biāo)出現(xiàn)在遠(yuǎn)距離(與圖8相同的距離)下的檢測(cè)結(jié)果。從圖10可以看出，信號(hào)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出門限，檢測(cè)裝置能夠在此距離甚至更遠(yuǎn)距離下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。由于檢測(cè)裝置的探測(cè)距離受到檢測(cè)周期的限制，圖8和圖10的距離已是檢測(cè)裝置的極限距離。從圖10中信號(hào)超出門限的幅度看，檢測(cè)能力還有余量，可利用加大檢測(cè)周期長度進(jìn)一步提高檢測(cè)距離。

4 結(jié)語
    檢測(cè)裝置工作于實(shí)際裝載情況下。但是由于實(shí)際裝載時(shí)干擾因素很多，自噪聲與環(huán)境噪聲疊加在一起無法區(qū)分，因此在本課題中，確定噪聲源是一個(gè)難點(diǎn)，包括對(duì)檢測(cè)裝置噪聲源的定位及中頻發(fā)電機(jī)噪聲對(duì)檢測(cè)裝置的干擾機(jī)理的分析。噪聲源一旦確定，對(duì)檢測(cè)裝置來說是一個(gè)長足的進(jìn)步，是提高其性能的關(guān)鍵。本研究針對(duì)具體情況作出具體分析，找出干擾源，并將抗干擾措施首次應(yīng)用到檢測(cè)裝置中，取得了較好的噪聲抑制效果，大幅度提高了檢測(cè)裝置的信噪比。