現(xiàn)代控制理論和電子電氣設(shè)備的應(yīng)用使得電氣控制系統(tǒng)性能越來(lái)越先進(jìn)，自動(dòng)化程度越來(lái)越高。然而工業(yè)環(huán)境中越來(lái)越多電氣、電子設(shè)備的使用，使得設(shè)備間的電磁干擾越來(lái)越嚴(yán)重。美國(guó)、加拿大和歐盟就解決電磁干擾問(wèn)題分別制定了各自的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。降低設(shè)備輻射發(fā)射水平和增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力是解決電磁干擾問(wèn)題的兩種主要方法。本文主要討論如何降低電氣設(shè)備的輻射發(fā)射水平。

引起電氣設(shè)備輻射發(fā)射水平超出限值的原因有很多。除了產(chǎn)生電磁波的輻射源，如可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）、人機(jī)界面（human machine interface, HMI）、電力電子設(shè)備之外，電纜是輻射干擾的一個(gè)主要來(lái)源。本文通過(guò)一次實(shí)際的測(cè)試對(duì)通信電纜引起的電氣設(shè)備輻射發(fā)射水平過(guò)高問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了行之有效的解決方案。

1 受試設(shè)備介紹

受試設(shè)備（equipment under test, EUT）是自升式海洋石油鉆井平臺(tái)控制系統(tǒng)研制樣機(jī)。升降電氣控制系統(tǒng)是自升式鉆井平臺(tái)的核心技術(shù)，在工業(yè)和信息化部印發(fā)的《船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，被列為“海洋工程裝備制造業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品及技術(shù)”。

受試設(shè)備的主要組成如下：

①一個(gè)操作臺(tái)；②一臺(tái)控制柜，尺寸為4000mm×2000mm×800mm；③一個(gè)控制箱，尺寸為800mm×1200mm×450mm；④兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制箱，每個(gè)尺寸為360mm×460mm×260mm；⑤四個(gè)控制盒。

受試設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)擺放如圖1所示。

2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)介紹

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社的要求，對(duì)于船用關(guān)鍵產(chǎn)品必須進(jìn)行電磁輻射發(fā)射情況的測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GD 01—2006《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗(yàn)指南》，測(cè)試結(jié)果必須滿足指南中的相關(guān)規(guī)定。

根據(jù)GD 01—2006的要求，輻射發(fā)射的測(cè)試頻率范圍為150kHz～2GHz。測(cè)量天線測(cè)得的受試設(shè)備外殼端口3m處電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)不超過(guò)表1所述值。

圖1 天線與受試設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)擺放

表1 外殼端口輻射發(fā)射值

3 測(cè)試方法及測(cè)試場(chǎng)地

根據(jù)GD 01—2006的要求，測(cè)試使用符合CISPR16-1的準(zhǔn)峰值測(cè)量接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)帶寬頻率范圍為150kHz～30MHz和156～165MHz應(yīng)為9kHz；頻率范圍為30～156MHz和165MHz～2GHz應(yīng)為120kHz。

因?yàn)樵趯?shí)際試驗(yàn)中30MHz以下和1GHz以上的測(cè)試結(jié)果非常順利，所以本文只分析30MHz～1GHz之間輻射發(fā)射超過(guò)限值的問(wèn)題。另外，從表1中可以看出，在156～165MHz頻率范圍內(nèi)，輻射發(fā)射值被限制在很低的24dB以下，這個(gè)頻率范圍是GD 01—2006中規(guī)定的特殊區(qū)域，包含海運(yùn)動(dòng)態(tài)遇險(xiǎn)頻率和船舶無(wú)線電通信頻率，是本次測(cè)試的難點(diǎn)。

受試設(shè)備按照GD 01—2006的要求進(jìn)行布置，并按照一般配電區(qū)域的限值進(jìn)行測(cè)試。受試設(shè)備前端距離接收天線3m。156～165MHz頻段測(cè)量采用準(zhǔn)峰值檢波器檢波，其他頻段采用峰值檢波器檢波，對(duì)于峰值測(cè)量結(jié)果接近或超出準(zhǔn)峰值限值的頻點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)峰值單點(diǎn)測(cè)量。

本次測(cè)試在10m法電波暗室中進(jìn)行。根據(jù)船級(jí)社要求，電磁兼容測(cè)試必須在具有船用產(chǎn)品檢測(cè)資質(zhì)的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試具有電磁環(huán)境干凈可控、背景噪聲滿足標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求、受試設(shè)備可隨轉(zhuǎn)臺(tái)自由轉(zhuǎn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 測(cè)試問(wèn)題發(fā)現(xiàn)

對(duì)設(shè)備進(jìn)行30MHz到1GHz峰值掃描，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 設(shè)備輻射騷擾的初步峰值測(cè)量結(jié)果（垂直極化）

圖3 設(shè)備輻射騷擾的初步峰值測(cè)量結(jié)果（水平極化）

4.1 測(cè)試結(jié)果描述

根據(jù)圖2、圖3可以看出，在30～156MHz頻段以及165MHz～1GHz頻段內(nèi)，無(wú)論是水平還是垂直極化，設(shè)備輻射發(fā)射的峰值在標(biāo)準(zhǔn)要求以下，符合GD 01—2006要求。

然而，根據(jù)圖2、圖3，在156～165MHz范圍內(nèi)，部分頻段的峰值輻射發(fā)射水平遠(yuǎn)超過(guò)24dB的限值，特別是水平極化下超標(biāo)的情況更為嚴(yán)重。如果峰值情況下設(shè)備輻射發(fā)射水平均低于24dB，可以直接判定設(shè)備輻射發(fā)射符合GD 01—2006要求。

但是，在目前的情況下，不能從峰值掃描結(jié)果上判斷156～165MHz是否滿足GD 01—2006的要求，必須經(jīng)過(guò)準(zhǔn)峰值掃描才能判定設(shè)備是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)圖4所示的準(zhǔn)峰值掃描結(jié)果可以看出，水平極化的整體輻射水平較高，在156MHz頻點(diǎn)下，準(zhǔn)峰值結(jié)果接近25dB，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，據(jù)此判定設(shè)備輻射發(fā)射不合格。

圖4 設(shè)備156～165MHz輻射騷擾的初步準(zhǔn)峰值測(cè)量結(jié)果

為了解決設(shè)備輻射發(fā)射超標(biāo)的問(wèn)題，仔細(xì)分析圖4可以看出輻射發(fā)射的波形圖具有以下特點(diǎn)：

1）對(duì)于水平極化波形，在相對(duì)平滑的波形情況下有尖峰值出現(xiàn)，尖峰值間距固定，為1.5MHz，并且出現(xiàn)尖峰值的頻率值均為1.5MHz的整數(shù)倍。垂直極化波形雖然不明顯，但是也有相同情況出現(xiàn)。

2）水平極化波形呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期為1.5MHz。

3）水平極化波形曲線隨著頻率增大出現(xiàn)周期性衰減下降的趨勢(shì)。

4.2 輻射發(fā)射超標(biāo)原因分析

該設(shè)備使用的通信系統(tǒng)為Profibus通信系統(tǒng)，通信站點(diǎn)之間使用通信電纜連接，通信頻率設(shè)定為1.5MHz，符合波形圖的第一個(gè)特點(diǎn)。結(jié)合測(cè)試結(jié)果中的第二和第三個(gè)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)水平極化曲線類似通信電纜中傳輸?shù)闹芷谛悦}沖信號(hào)的頻譜。

因此判斷引起156～165MHz頻段輻射發(fā)射超標(biāo)可能由通信系統(tǒng)引起。因?yàn)橥ㄐ烹娎|直接暴露在外部，不像電氣元器件有控制柜殼體的保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)判斷由通信電纜引發(fā)輻射發(fā)射超標(biāo)的可能性較大。

根據(jù)上述分析，去除通信電纜護(hù)套，發(fā)現(xiàn)通信電纜情況如圖5所示，通信電纜屏蔽箔層多處破損，編織屏蔽網(wǎng)斷裂，去除外護(hù)套后部分編織屏蔽網(wǎng)脫落，同時(shí)有部分通信電纜插頭接線不規(guī)范。

圖5 通信電纜屏蔽層破損

為了進(jìn)行站點(diǎn)之間的通信，通信電纜攜帶有大量的數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉分解，除直流分量外還含有大量的高頻諧波，為了防止高頻諧波輻射到空間中，干擾其他設(shè)備，通信電纜必須采取足夠的屏蔽措施。

工程上一般通過(guò)使用雙重屏蔽，即屏蔽箔層和編織屏蔽層進(jìn)行雙重屏蔽。屏蔽層能夠防止高次諧波擴(kuò)散到電纜以外空間的原理是，在通信電纜中心導(dǎo)體傳輸電信號(hào)時(shí)，通信電纜屏蔽層能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)和中心導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互抵消。

本樣機(jī)使用的屏蔽電纜經(jīng)過(guò)運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)施工，多次拖拽，反復(fù)彎曲，發(fā)生屏蔽層破裂，編織層折斷的情況，使得屏蔽層的完整性受到破壞。根據(jù)孔隙理論，屏蔽層破裂后，屏蔽層上完整的屏蔽電流遭到破壞，導(dǎo)致電磁波在裂縫處產(chǎn)生了天線效應(yīng)。

圖6示意了屏蔽不連續(xù)對(duì)磁感應(yīng)屏蔽電流的影響。圖6（b）顯示的矩形縫隙就是縫隙天線，根據(jù)理論，縫隙的長(zhǎng)度＞1/10電磁波長(zhǎng)就可以產(chǎn)生相當(dāng)多的輻射。同時(shí)不規(guī)范的插頭連接會(huì)導(dǎo)致較大的端接阻抗，影響屏蔽電流的回流。綜上所述，導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo)的最主要原因是屏蔽層的破損。

圖6 屏蔽不連續(xù)對(duì)磁感應(yīng)屏蔽電流的影響

4.3 整改措施

經(jīng)過(guò)查詢通信電纜產(chǎn)品樣本，現(xiàn)場(chǎng)換用更高級(jí)的專用拖拽式通信電纜，該電纜外護(hù)套使用的是特殊材質(zhì)，可以防止電纜屏蔽層在施工過(guò)程中遭到破壞。并且該型號(hào)通信電纜屏蔽層經(jīng)過(guò)了加厚處理，編織層經(jīng)過(guò)了加密處理，使電纜的屏蔽效果得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。在整改通信電纜的時(shí)候，同時(shí)重接了部分通信電纜插頭。

4.4 整改結(jié)果

整改后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行峰值掃描和準(zhǔn)峰值掃描，結(jié)果分別如圖7—圖9所示。

圖7 整改后輻射騷擾的峰值測(cè)量結(jié)果（垂直極化）

圖8 整改后輻射騷擾的峰值測(cè)量結(jié)果（水平極化）

圖9 整改后156～165MHz輻射騷擾的準(zhǔn)峰值測(cè)量結(jié)果

1）峰值掃描結(jié)果

從整改后圖7、圖8對(duì)比整改前圖2、圖3可以看出，整改后設(shè)備的整體輻射發(fā)射水平有了一定的下降。由于縫隙致使高次電磁波泄露而產(chǎn)生的尖峰線有明顯的減少。最明顯的是在156～165MHz頻段，無(wú)論是水平極化還是垂直極化曲線，峰值掃描結(jié)果顯示該頻段輻射發(fā)射水平都得到了極大的降低。

2）準(zhǔn)峰值掃描結(jié)果

準(zhǔn)峰值掃描圖9對(duì)比圖4可以看出，水平極化情況下的輻射發(fā)射得到了有效的抑制。無(wú)論是水平輻射還是垂直輻射的準(zhǔn)峰值波形都低于20dB，符合GD 01—2006標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合整改后峰值和準(zhǔn)峰值掃描結(jié)果，設(shè)備經(jīng)過(guò)對(duì)通信電纜的整改達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試通過(guò)。

5 結(jié)論

通信電纜作為現(xiàn)代控制系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，承載著傳輸控制信號(hào)的重要作用，它傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)本身含有大量諧波，同時(shí)電纜導(dǎo)線可能耦合了控制柜內(nèi)其他設(shè)備的高頻信號(hào)；而且通信電纜直接暴露在外界，不像柜內(nèi)元器件一樣有控制柜殼體的屏蔽保護(hù)，可以吸收、反射輻射，因此做好控制電纜的屏蔽防護(hù)極為重要。

通過(guò)本次測(cè)試，建議在通信電纜選型上要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施工過(guò)程的復(fù)雜性，選擇高標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)過(guò)嚴(yán)格認(rèn)證的電纜，防止通信電纜傳輸?shù)男盘?hào)干擾其他設(shè)備。為了對(duì)通信電纜進(jìn)一步保護(hù)和加強(qiáng)屏蔽作用，現(xiàn)場(chǎng)可以考慮對(duì)屏蔽電纜單獨(dú)穿鋼管進(jìn)行保護(hù)；同時(shí)在產(chǎn)品成本允許的情況下，考慮選擇使用工業(yè)光纖作為通信傳輸介質(zhì)，從根本上解決線路上帶來(lái)的輻射發(fā)射超標(biāo)問(wèn)題。