中频发电机对检测装置的干扰剖析及EMI滤波器的实现

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                    　　0 引言
　　随着电子信息技术的飞速发展及各类电气、电子、信息设备的日益广泛应用，电磁干扰(EMI)的交互作用使得电子设备中存在着越来越复杂的电磁环境，对各种仪器设备产生越来越大的危害。电子设备受电磁噪声干扰的作用会产生多种危害，在模拟电路中可以引起信号波形的畸变，信噪比降低，甚至信号会完全被EMI所淹没。噪声干扰也会使得数字电路系统中的误码率上升，逻辑电平紊乱，降低系统信息的可靠性，极端情况下导致失控或误操作的严重后果。尤其在一些特殊领域，与一般的电子信息系统相比，电子设备具有密集度高、电磁兼容环境恶劣和可靠性要求高等特点，使得电磁兼容(EMC)技术在该领域的应用具有特殊重要的意义。目前中频发发电机已广泛应用于舰船、飞机、电站等独立的供电系统中，对其EMC的研究逐渐受到关注。由于漏抗的存在，使得中频发电机产生共模干扰，本文针对中频发电机的噪声对某检测装置的影响，提出降低其干扰的技术措施，设计了EMI滤波电路，并对滤波效果进行了实际装载试验，其结果大大提高了该检测装置的性能。
　　1 发电机噪声对检测装置的危害
　　在实际装载工作时，检测装置处于恶劣环境下，具有严重的干扰背景，其自噪声是非平稳的和非高斯分布的，接收的信号背景中存在时间弥散、频率弥散、角度弥散以及严重的起伏。检测装置过高的噪声，严重制约了检测性能。然而在众多的动态干扰因素中查找影响检测装置的主要干扰源是一件困难的事情。可以说，确认噪声干扰源是提高检测性能的一个重要环节。
　　由于中频发电机的工作频率与检测装置的不同，并且其供电又经过检测装置接收机内部的二次电源转换，所以一般认为发电机不会对检测装置造成干扰，在设计时通常只对发电机输出的电压纹波电平提出要求，而对其输出的噪声并未关注。那么，中频发电机是如何影响检测装置的呢?
　　1．1 发电机对检测装置的干扰原理
　　图1是检测装置的原理框图。检测装置的发射通道与收／发天线连接，发射大功率探测信号；另一方面收／发天线与接收通道连接，接收微弱信号进行滤波放大及信号处理。中频发电机产生高压供检测装置大功率发射用，产生低压供检测装置的其它电子器件以及系统的其它设备用。发电机对检测装置的干扰正是通过高压供电由发射通道耦合到接收通道的。






　　由于共模干扰与差模干扰的干扰电流在电缆上的流动方式不同，对这两种干扰电流的滤波方法也不相同。因此在进行滤波设计之前必须了解所面对的干扰电流的类型。
　　1．3 中频发电机产生的共模干扰分析
　　图3是中频发电机整流原理图，图4为三相全波整流电路，其中(a)为三相半波共阴极组，(b)为三相半波共阳极组，二者的串联即为图3的等效电路。







　　文献[2]对发电机整流模块产生干扰的机理进行了深入的研究。由于存在漏抗LT，使整流换相不能在瞬间完成，存在一个变化过程，在换相重叠角期间，u1和u2有跳变，从而使整流输出产生共模干扰。
　　如果三相电源对称的情况下，中频发电机产生共模干扰电压的时域、频域表达式为[2]：






　　本系统对应的是低源阻抗、高负载阻抗，采用先串电感后并电容的反r型滤波电路。为了在阻带内获得最大衰减，滤波器输入端阻抗需与之连接的噪声源阻抗相反，即对中频发电机产生的低阻抗噪声源，滤波器需呈现高阻抗(大的串联电感)。在检测装置所关注的低频噪声频段，要增加滤波器对较低频率干扰的衰减，需要大的滤波电感和电容。
　　由于共模干扰和差模干扰具有不同的干扰特点，噪声滤波器设计需要采用不同的结构来对噪声干扰进行抑制。中频发电机产生的噪声以共模干扰为主，共模干扰滤波电路是在电源线的输入上均串入共模电感，即共模扼流圈。共模扼流圈是以铁氧体(或更高导磁率的超微晶磁材)为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个匝数相同并对称地绕制在同一个环形磁芯上的线圈构成，如图5所示，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出的大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出的很小的漏电感几乎不起作用。






　　对于抑制低频噪声，理论上发电机滤波器的电感和电容的参数选得越大，滤波效果越好。但在实际应用中，容量大的电容一般寄生电感也大，自谐振频率低，对高频噪声的去耦效果差，而电感值越大，电感的体积也越大，所以在设计时应权衡各种因素的影响，确定合适的参数。由于检测装置中本身带有几百mF的电容，因此在本系统中，仅在电容前增加一个共模扼流圈(约几十mH，取决于要滤除的干扰的频率，频率越低，需要的电感量越大)，它与检测装置原有的电容一起构成了反T型滤波电路。滤波电路参数选定后，必须验证参数选取得是否合适，以保证发电机噪声滤波器的自谐振频率远小于所要滤除的噪声频率，否则发电机噪声滤波器不仅不能够起到抑制噪声干扰的作用，而且很有可能会放大噪声干扰。在EMI滤波器的设计中，起初考虑到除了要抑制中频发电机产生的共模干扰外，还应有抑制差模干扰的能力，但经过相关的实验证明，差模滤波器的使用，并未在需要的频段上增加滤波效果，因此最终仅采用了共模滤波器抑制发电机干扰。
　　3 发电机拖动试验及实际装载试验
　　3．1 发电机拖动试验
　　发电机拖动试验验证系统在中频发电机供电下，检测装置采取滤波措施前、后接收通道的噪声情况比较。试验框图见图7所示。






　　图9是发电机噪声干扰情况下，实际装载试验时目标已出现在较近距离时的检测结果。此时随着检测装置与目标之间的距离接近，信噪比逐渐增大，信号已超过了门限值，检测装置发现了目标。但是探测距离极为有限。






　　4 结语
　　检测装置工作于实际装载情况下。但是由于实际装载时干扰因素很多，自噪声与环境噪声叠加在一起无法区分，因此在本课题中，确定噪声源是一个难点，包括对检测装置噪声源的定位及中频发电机噪声对检测装置的干扰机理的分析。噪声源一旦确定，对检测装置来说是一个长足的进步，是提高其性能的关键。本研究针对具体情况作出具体分析，找出干扰源，并将抗干扰措施首次应用到检测装置中，取得了较好的噪声抑制效果，大幅度提高了检测装置的信噪比。