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环境监测仪表电磁辐射抗扰度试验整改

一、环境监测仪表的辐射抗扰度试验

环境监测仪表的电磁兼容试验除了静电、电快速脉冲群等试验, 还包含一项电磁辐射抗扰度试验。此项试验应在频率范围80MHz~2GMHz、场强10V/m的条件下进行。在试验过程中发现, 仪表在部分频段的抗干扰能力较弱, 试验结果不满意, 不符合型式评价中的相应要求。

二、整改原理和措施

针对环境监测仪表电磁辐射抗扰度试验中的问题, 从环境监测仪表的PCB设计、外壳屏蔽及端口滤波三方面着手, 对仪表进行针对性设计与处理, 使环境监测仪表有足够的抗干扰能力。

1. PCB设计

许多电磁干扰问题是由参考地的地环路产生的。环境监测仪表的模拟地和数字地直接通过磁珠连接, 磁珠是一种抗干扰元件, 专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰, 可以作为射频电路中的高频衰减器使用, 可有效抑制电路中的电磁干扰。磁珠的选择原则为在希望起作用的频率范围内, 选阻抗大、等效电感大、电流限值足够并且尺寸大小适合者安装。

环境监测仪表的接地线由一根1.5m的接地电缆换成两根铜扁线, 两根铜扁线分别接到仪表金属壳的两边, 和半电波暗室的地大面积搭接;通过增加电源线、信号线的伴随地线, 使电源线、信号线环路面积最小, 消灭地线孤岛, 降低电磁辐射干扰。

无论设备产生电磁干扰发射还是受到外界干扰的影响, 或者电路之间产生相互干扰, 电路板都是问题的核心。电磁辐射在整改过程中应该在原有线路板层数和器件不变时, 尽量减小所有的高速信号及时钟信号线构成的环路面积, 使信号线紧邻地回路;印制板分层原理与布线原理一样, 电源平面与其对应的地平面相邻, 相邻层的高速信号不跨区;所有的信号层, 特别是高速信号、时钟信号与地平面相邻, 尽量避免两信号层相邻。环境监测仪表主板增加了电源层和地层, 布板由原来的两层板改为四层板, 使电路供电回路达到最短, 减小了线路板上电路产生的电磁辐射和对外界干扰的敏感性, 还能减小线路板上电路之间的相互影响。此外, 主板元件选用滤波电容和电阻, 通过增加小的电容、电阻来改变电路参数。

2. 外壳屏蔽

环境监测仪表的传感器输入信号线采用导电胶带缠绕, 完成电搭接和缝隙的电封闭, 提高导线的防护能力;传感器与仪表之间的接线盒盒底与盒盖之间采用导电胶条进行全密封, 改善机箱的密封性, 使机壳具有很好的屏蔽作用, 防止外界环境对接线盒内部主板的电磁干扰。

铜箔具有低表面氧气特性, 可以附着于不同的基材, 如金属、绝缘材料等, 拥有较宽的温度使用范围。铜箔主要应用于电磁屏蔽及抗静电, 将导电铜箔置于衬底面, 结合金属基材, 具有优良的导通性, 并有电磁屏蔽的效果。

环境监测仪表外壳除了信号、电源、显示屏操作界面, 其他部分采用铜箔对仪表进行全部密封, 这样可以有效防止外界电磁辐射的干扰。上部顶盖采用密封簧片进行分布, 它能够保证顶盖边缘处与机箱的无缝搭接, 防止小孔、小洞的天线效应。

3. 端口滤波

对于任何设备而言, 滤波都是解决电磁干扰的关键技术之一。因为设备端口的输入和输出线 (电源线、信号线和其他I/O线) 无意中会变成效率很高的接收和辐射天线, 因此, 设备产生的大部分辐射发射都是通过各种I/O端口线产生的。因为天线的互易性, 外界干扰往往首先被其接收, 然后耦合到设备的电路中。滤波的目的就是消除I/O端口处的这些干扰信号, 防止电路中的干扰信号传导并辐射出去, 也防止接收到外部的干扰信号。

电磁兼容设计中, 低通滤波器用得最多, 因为要过滤的电磁干扰大多为频谱分量较高的信号, 频率越高的信号越容易辐射和耦合。而且高速数字电路中往往包含许多高次谐波, 必须滤除, 采用低通滤波可防止这些高次谐波对其他电路产生干扰。

馈通滤波器是一种主要用在金属面板上的低通滤波器, 是抑制高频谐波对信号、电源线等干扰的滤波器件。用于安装馈通型滤波器的金属面板具有很低的接地阻抗, 且金属面板既作滤波接地之用, 又起隔离滤波器的输入、输出端耦合的作用, 因此馈通滤波器具有非常好的高频滤波效果。

环境监测仪表安装了两个馈通滤波器, 分别对接线盒输出的模拟信号和供电电源进行滤波处理, 同时要保证仪表本身良好接地, 滤波器外壳与机箱搭界良好, 同时考虑在电源线入口部分套装铁氧体磁环以及换成屏蔽电缆。馈通滤波器只允许低频信号输入, 可以对模拟输入信号和电源线中的高频信号频率进行有效抑制, 可有效防止外界环境中电磁辐射对仪表的影响, 提高仪表的电磁抗干扰能力。

表1 试验前后数据对比

表1 试验前后数据对比

三、整改后数据对比分析

依据上述方法整改后, 试验前后数据对比如表1所示。从表1可看出, 在频率220MHz、248MHz、256MHz、264MHz、646MHz处, 整改前超出误差限要求的显示值均已符合要求, 证明用上述方法整改是有效的。

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