現代控制理論和電子電氣設備的應用使得電氣控制系統性能越來越先進，自動化程度越來越高。然而工業環境中越來越多電氣、電子設備的使用，使得設備間的電磁干擾越來越嚴重。美國、加拿大和歐盟就解決電磁干擾問題分別制定了各自的法規和標準。降低設備輻射發射水平和增強設備的抗干擾能力是解決電磁干擾問題的兩種主要方法。本文主要討論如何降低電氣設備的輻射發射水平。

引起電氣設備輻射發射水平超出限值的原因有很多。除了產生電磁波的輻射源，如可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）、人機界面（human machine interface, HMI）、電力電子設備之外，電纜是輻射干擾的一個主要來源。本文通過一次實際的測試對通信電纜引起的電氣設備輻射發射水平過高問題進行分析，并提出了行之有效的解決方案。

1 受試設備介紹

受試設備（equipment under test, EUT）是自升式海洋石油鉆井平臺控制系統研制樣機。升降電氣控制系統是自升式鉆井平臺的核心技術，在工業和信息化部印發的《船舶工業“十二五”發展規劃》中，被列為“海洋工程裝備制造業重點產品及技術”。

受試設備的主要組成如下：

①一個操作臺；②一臺控制柜，尺寸為4000mm×2000mm×800mm；③一個控制箱，尺寸為800mm×1200mm×450mm；④兩個現場控制箱，每個尺寸為360mm×460mm×260mm；⑤四個控制盒。

受試設備的現場擺放如圖1所示。

2 測試標準介紹

根據中國船級社的要求，對于船用關鍵產品必須進行電磁輻射發射情況的測試，測試標準為GD 01—2006《電氣電子產品型式認可試驗指南》，測試結果必須滿足指南中的相關規定。

根據GD 01—2006的要求，輻射發射的測試頻率范圍為150kHz～2GHz。測量天線測得的受試設備外殼端口3m處電場強度應不超過表1所述值。

圖1 天線與受試設備的現場擺放

表1 外殼端口輻射發射值

3 測試方法及測試場地

根據GD 01—2006的要求，測試使用符合CISPR16-1的準峰值測量接收機進行測量。測量時帶寬頻率范圍為150kHz～30MHz和156～165MHz應為9kHz；頻率范圍為30～156MHz和165MHz～2GHz應為120kHz。

因為在實際試驗中30MHz以下和1GHz以上的測試結果非常順利，所以本文只分析30MHz～1GHz之間輻射發射超過限值的問題。另外，從表1中可以看出，在156～165MHz頻率范圍內，輻射發射值被限制在很低的24dB以下，這個頻率范圍是GD 01—2006中規定的特殊區域，包含海運動態遇險頻率和船舶無線電通信頻率，是本次測試的難點。

受試設備按照GD 01—2006的要求進行布置，并按照一般配電區域的限值進行測試。受試設備前端距離接收天線3m。156～165MHz頻段測量采用準峰值檢波器檢波，其他頻段采用峰值檢波器檢波，對于峰值測量結果接近或超出準峰值限值的頻點進行準峰值單點測量。

本次測試在10m法電波暗室中進行。根據船級社要求，電磁兼容測試必須在具有船用產品檢測資質的國家級實驗室進行。在實驗室中進行測試具有電磁環境干凈可控、背景噪聲滿足標準測試要求、受試設備可隨轉臺自由轉動等優點。

4 測試問題發現

對設備進行30MHz到1GHz峰值掃描，結果如圖2、圖3所示。

圖2 設備輻射騷擾的初步峰值測量結果（垂直極化）

圖3 設備輻射騷擾的初步峰值測量結果（水平極化）

4.1 測試結果描述

根據圖2、圖3可以看出，在30～156MHz頻段以及165MHz～1GHz頻段內，無論是水平還是垂直極化，設備輻射發射的峰值在標準要求以下，符合GD 01—2006要求。

然而，根據圖2、圖3，在156～165MHz范圍內，部分頻段的峰值輻射發射水平遠超過24dB的限值，特別是水平極化下超標的情況更為嚴重。如果峰值情況下設備輻射發射水平均低于24dB，可以直接判定設備輻射發射符合GD 01—2006要求。

但是，在目前的情況下，不能從峰值掃描結果上判斷156～165MHz是否滿足GD 01—2006的要求，必須經過準峰值掃描才能判定設備是否符合標準要求。通過圖4所示的準峰值掃描結果可以看出，水平極化的整體輻射水平較高，在156MHz頻點下，準峰值結果接近25dB，超過標準要求，據此判定設備輻射發射不合格。

圖4 設備156～165MHz輻射騷擾的初步準峰值測量結果

為了解決設備輻射發射超標的問題，仔細分析圖4可以看出輻射發射的波形圖具有以下特點：

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

2）水平極化波形呈現周期性波動，波動周期為1.5MHz。

3）水平極化波形曲線隨著頻率增大出現周期性衰減下降的趨勢。

4.2 輻射發射超標原因分析

該設備使用的通信系統為Profibus通信系統，通信站點之間使用通信電纜連接，通信頻率設定為1.5MHz，符合波形圖的第一個特點。結合測試結果中的第二和第三個特點，發現水平極化曲線類似通信電纜中傳輸的周期性脈沖信號的頻譜。

因此判斷引起156～165MHz頻段輻射發射超標可能由通信系統引起。因為通信電纜直接暴露在外部，不像電氣元器件有控制柜殼體的保護，現場判斷由通信電纜引發輻射發射超標的可能性較大。

根據上述分析，去除通信電纜護套，發現通信電纜情況如圖5所示，通信電纜屏蔽箔層多處破損，編織屏蔽網斷裂，去除外護套后部分編織屏蔽網脫落，同時有部分通信電纜插頭接線不規范。

圖5 通信電纜屏蔽層破損

為了進行站點之間的通信，通信電纜攜帶有大量的數字信號，這些數字信號經過傅里葉分解，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，干擾其他設備，通信電纜必須采取足夠的屏蔽措施。

工程上一般通過使用雙重屏蔽，即屏蔽箔層和編織屏蔽層進行雙重屏蔽。屏蔽層能夠防止高次諧波擴散到電纜以外空間的原理是，在通信電纜中心導體傳輸電信號時，通信電纜屏蔽層能夠產生感應電流，該感應電流產生的電磁場和中心導體中的電流產生的電磁場相互抵消。

本樣機使用的屏蔽電纜經過運輸及現場施工，多次拖拽，反復彎曲，發生屏蔽層破裂，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，導致電磁波在裂縫處產生了天線效應。

圖6示意了屏蔽不連續對磁感應屏蔽電流的影響。圖6（b）顯示的矩形縫隙就是縫隙天線，根據理論，縫隙的長度＞1/10電磁波長就可以產生相當多的輻射。同時不規范的插頭連接會導致較大的端接阻抗，影響屏蔽電流的回流。綜上所述，導致輻射發射超標的最主要原因是屏蔽層的破損。

圖6 屏蔽不連續對磁感應屏蔽電流的影響

4.3 整改措施

經過查詢通信電纜產品樣本，現場換用更高級的專用拖拽式通信電纜，該電纜外護套使用的是特殊材質，可以防止電纜屏蔽層在施工過程中遭到破壞。并且該型號通信電纜屏蔽層經過了加厚處理，編織層經過了加密處理，使電纜的屏蔽效果得到了進一步增強。在整改通信電纜的時候，同時重接了部分通信電纜插頭。

4.4 整改結果

整改后，對樣機進行峰值掃描和準峰值掃描，結果分別如圖7—圖9所示。

圖7 整改后輻射騷擾的峰值測量結果（垂直極化）

圖8 整改后輻射騷擾的峰值測量結果（水平極化）

圖9 整改后156～165MHz輻射騷擾的準峰值測量結果

1）峰值掃描結果

從整改后圖7、圖8對比整改前圖2、圖3可以看出，整改后設備的整體輻射發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生的尖峰線有明顯的減少。最明顯的是在156～165MHz頻段，無論是水平極化還是垂直極化曲線，峰值掃描結果顯示該頻段輻射發射水平都得到了極大的降低。

2）準峰值掃描結果

準峰值掃描圖9對比圖4可以看出，水平極化情況下的輻射發射得到了有效的抑制。無論是水平輻射還是垂直輻射的準峰值波形都低于20dB，符合GD 01—2006標準要求。

綜合整改后峰值和準峰值掃描結果，設備經過對通信電纜的整改達到了標準要求，測試通過。

5 結論

通信電纜作為現代控制系統中不可缺少的重要組成部分，承載著傳輸控制信號的重要作用，它傳輸的通信信號本身含有大量諧波，同時電纜導線可能耦合了控制柜內其他設備的高頻信號；而且通信電纜直接暴露在外界，不像柜內元器件一樣有控制柜殼體的屏蔽保護，可以吸收、反射輻射，因此做好控制電纜的屏蔽防護極為重要。

通過本次測試，建議在通信電纜選型上要充分考慮現場環境和施工過程的復雜性，選擇高標準和經過嚴格認證的電纜，防止通信電纜傳輸的信號干擾其他設備。為了對通信電纜進一步保護和加強屏蔽作用，現場可以考慮對屏蔽電纜單獨穿鋼管進行保護；同時在產品成本允許的情況下，考慮選擇使用工業光纖作為通信傳輸介質，從根本上解決線路上帶來的輻射發射超標問題。