中頻發電機對檢測裝置的干擾剖析及EMI濾波器的實現

隨著電子信息技術的飛速發展及各類電氣、電子、信息設備的日益廣泛應用，電磁干擾(EMI)的交互作用使得電子設備中存在著越來越復雜的電磁環境，對各種儀器設備產生越來越大的危害。電子設備受電磁噪聲干擾的作用會產生多種危害，在模擬電路中可以引起信號波形的畸變，信噪比降低，甚至信號會完全被EMI所淹沒。噪聲干擾也會使得數字電路系統中的誤碼率上升，邏輯電平紊亂，降低系統信息的可靠性，極端情況下導致失控或誤操作的嚴重后果。尤其在一些特殊領域，與一般的電子信息系統相比，電子設備具有密集度高、電磁兼容環境惡劣和可靠性要求高等特點，使得電磁兼容(EMC)技術在該領域的應用具有特殊重要的意義。目前中頻發發電機已廣泛應用于艦船、飛機、電站等獨立的供電系統中，對其EMC的研究逐漸受到關注。由于漏抗的存在，使得中頻發電機產生共模干擾，本文針對中頻發電機的噪聲對某檢測裝置的影響，提出降低其干擾的技術措施，設計了EMI濾波電路，并對濾波效果進行了實際裝載試驗，其結果大大提高了該檢測裝置的性能。

1 發電機噪聲對檢測裝置的危害
??? 在實際裝載工作時，檢測裝置處于惡劣環境下，具有嚴重的干擾背景，其自噪聲是非平穩的和非高斯分布的，接收的信號背景中存在時間彌散、頻率彌散、角度彌散以及嚴重的起伏。檢測裝置過高的噪聲，嚴重制約了檢測性能。然而在眾多的動態干擾因素中查找影響檢測裝置的主要干擾源是一件困難的事情。可以說，確認噪聲干擾源是提高檢測性能的一個重要環節。
??? 由于中頻發電機的工作頻率與檢測裝置的不同，并且其供電又經過檢測裝置接收機內部的二次電源轉換，所以一般認為發電機不會對檢測裝置造成干擾，在設計時通常只對發電機輸出的電壓紋波電平提出要求，而對其輸出的噪聲并未關注。那么，中頻發電機是如何影響檢測裝置的呢?
1．1 發電機對檢測裝置的干擾原理
??? 圖1是檢測裝置的原理框圖。檢測裝置的發射通道與收／發天線連接，發射大功率探測信號；另一方面收／發天線與接收通道連接，接收微弱信號進行濾波放大及信號處理。中頻發電機產生高壓供檢測裝置大功率發射用，產生低壓供檢測裝置的其它電子器件以及系統的其它設備用。發電機對檢測裝置的干擾正是通過高壓供電由發射通道耦合到接收通道的。

??? 檢測裝置發射與接收分時工作，在接收期間，發射機不工作，但中頻發電機始終給發射機供電。在發射通道中設計有隔離電路，在收發轉換過程中起著至關重要的作用，必須保證在發射脈沖結束后可靠阻斷發射通道的干擾。然而在實際電路中，這種"阻斷"能力總是有限的，于是發電機的噪聲按照中頻發電機-發射通道-收發天線-接收通道的途徑，泄漏到接收通道，形成干擾。接收機是一個敏感設備，所接收處理的信號是mV級的小信號，一點點微弱的噪聲干擾都可能影響其工作。因此，中頻發電機的干擾增加了檢測裝置接收機的噪聲，相關試驗證明，可使其自噪聲級增加約10～20dB，成為檢測裝置的主要干擾源，嚴重影響了系統的檢測性能。

1．2 共模干擾與差模干擾
??? 根據文獻[1]介紹，共模(Common mode)是指存在于兩根或多根導線中，流經所有導線的電流都是同極性的，差模(Differential mode)是指在導線對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線上幅度／相位相同，它在電纜與大地之間形成回路流動，見圖2(a)。差模干擾的干擾電流在信號線與信號地線之間流動，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方式不同，對這兩種干擾電流的濾波方法也不相同。因此在進行濾波設計之前必須了解所面對的干擾電流的類型。
1．3 中頻發電機產生的共模干擾分析
??? 圖3是中頻發電機整流原理圖，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，二者的串聯即為圖3的等效電路。

??? 文獻[2]對發電機整流模塊產生干擾的機理進行了深入的研究。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，從而使整流輸出產生共模干擾。
??? 如果三相電源對稱的情況下，中頻發電機產生共模干擾電壓的時域、頻域表達式為[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，與中頻發電機的漏抗有關；ε(t)為單位階躍函數；t γ為換相重疊角γ對應的時間；δ(t)為單位脈沖函數；k為自然數。

2 E MI濾波器的設計與實現
??? 為了提高檢測裝置的信噪比，必須設計合理的EMI濾波器，消除或減小發電機共模干擾對檢測裝置的影響。
2．1 EMI濾波器的基本結構和原理
??? 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構，還要考慮其所連網絡兩端的阻抗大小，并根據源阻抗及負載阻抗的不同，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。電路結構的選擇原則規律是"電容對高阻、電感對低阻"，如表1。

??? 本系統對應的是低源阻抗、高負載阻抗，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，即對中頻發電機產生的低阻抗噪聲源，濾波器需呈現高阻抗(大的串聯電感)。在檢測裝置所關注的低頻噪聲頻段，要增加濾波器對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，噪聲濾波器設計需要采用不同的結構來對噪聲干擾進行抑制。中頻發電機產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(或更高導磁率的超微晶磁材)為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個匝數相同并對稱地繞制在同一個環形磁芯上的線圈構成，如圖5所示，形成一個四端器件，要對于共模信號呈現出的大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現出的很小的漏電感幾乎不起作用。
??? (a)共模電流通過時 (b)差模電流通過時

??? 共模扼流圈的原理是流過共模電流時磁環中的磁通方向相同(磁通方向根據文獻[4]判別)，因而相互疊加(φ1+φ2)，從而具有相當大的電感量，對共模電流起到抑制作用(圖5(a))，而當兩線圈流過差模電流時，磁環中的磁通方向相反，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，而對線路正常傳輸的差模信號無影響。對于中頻發電機輸出來說，任何時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，線圈不呈現阻抗，避免了檢測裝置發射機高壓供電工作時因為濾波器的引入而在電源端產生附加的壓降。由此分析得出，在中頻發電機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。
??? 共模電感在制作時應滿足以下要求：a．繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在高壓供電時線圈的匝間不發生擊穿短路。b．線圈中的磁芯應與線圈絕緣，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發生擊穿。c．線圈應盡可能單層繞制，以減小線圈的寄生電容。
2．2 EMI濾波器的電路設計
??? 為減小體積和重量，中頻發電機濾波電路采用單級LC EMI濾波器，電路如圖6所示。

??? 對于抑制低頻噪聲，理論上發電機濾波器的電感和電容的參數選得越大，濾波效果越好。但在實際應用中，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低，對高頻噪聲的去耦效果差，而電感值越大，電感的體積也越大，所以在設計時應權衡各種因素的影響，確定合適的參數。由于檢測裝置中本身帶有幾百mF的電容，因此在本系統中，僅在電容前增加一個共模扼流圈(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)，它與檢測裝置原有的電容一起構成了反T型濾波電路。濾波電路參數選定后，必須驗證參數選取得是否合適，以保證發電機噪聲濾波器的自諧振頻率遠小于所要濾除的噪聲頻率，否則發電機噪聲濾波器不僅不能夠起到抑制噪聲干擾的作用，而且很有可能會放大噪聲干擾。在EMI濾波器的設計中，起初考慮到除了要抑制中頻發電機產生的共模干擾外，還應有抑制差模干擾的能力，但經過相關的實驗證明，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電機干擾。

3 發電機拖動試驗及實際裝載試驗
3．1 發電機拖動試驗
??? 發電機拖動試驗驗證系統在中頻發電機供電下，檢測裝置采取濾波措施前、后接收通道的噪聲情況比較。試驗框圖見圖7所示。

??? 將中頻發電機安裝在中頻發電機拖動臺上，調壓器平穩放置，通過轉接電纜與檢測裝置及系統其它設備相連接。檢測裝置中，接收通道設計有增益控制電路，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，測量UG=3．0V，增加濾波措施時，測量UG=6．8V。經初步計算，采取了抗干擾措施后噪聲降低了14dB左右。
3．2 實際裝載試驗
??? 在無濾波措施的情況下，實際裝載試驗時檢測裝置工作在惡劣環境下。由于長期以來的認識誤區，并沒有意識到中頻發電機的電噪聲是檢測裝置的主要干擾源，導致檢測距離嚴重不足。因而設法采取了其它各種降噪聲措施，但收效甚微。圖8是在發電機噪聲干擾情況下，實際裝載試驗時目標出現在遠距離的檢測結果，橫坐標為該距離下的頻率點，縱坐標為檢測值與門限值的幅度，信號應出現在140的頻率點附近，由于噪聲太大，信號完全被淹沒在噪聲中，檢測裝置不能夠發現目標。

??? 圖9是發電機噪聲干擾情況下，實際裝載試驗時目標已出現在較近距離時的檢測結果。此時隨著檢測裝置與目標之間的距離接近，信噪比逐漸增大，信號已超過了門限值，檢測裝置發現了目標。但是探測距離極為有限。

??? 當采取了抗干擾措施之后再進行實際裝載試驗，系統內電噪聲降低到與自噪聲相比可以忽略不計的程度。由于降低噪聲的效果非常顯著，大大改善了系統的工作環境，使檢測距離大幅度增長，達到了一個新的水平。圖1O為實際裝載工作時目標出現在遠距離(與圖8相同的距離)下的檢測結果。從圖10可以看出，信號已遠遠超出門限，檢測裝置能夠在此距離甚至更遠距離下發現目標。由于檢測裝置的探測距離受到檢測周期的限制，圖8和圖10的距離已是檢測裝置的極限距離。從圖10中信號超出門限的幅度看，檢測能力還有余量，可利用加大檢測周期長度進一步提高檢測距離。

4 結語
??? 檢測裝置工作于實際裝載情況下。但是由于實際裝載時干擾因素很多，自噪聲與環境噪聲疊加在一起無法區分，因此在本課題中，確定噪聲源是一個難點，包括對檢測裝置噪聲源的定位及中頻發電機噪聲對檢測裝置的干擾機理的分析。噪聲源一旦確定，對檢測裝置來說是一個長足的進步，是提高其性能的關鍵。本研究針對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用到檢測裝置中，取得了較好的噪聲抑制效果，大幅度提高了檢測裝置的信噪比。