1、? ? ?年第?期总第?期低温工程? ? ? ? ?斯特林制冷系统的电磁兼容设计宣 向春王维扬付雨田李忠?中科院上海技术物理研究所上海?。?摘要海洋水色扫描仅的 红外探浏器使用斯特林制冷机 制冷。本文通过分析水色扫描仅的各种电磁干扰 源，提出斯特林制冷 系统的电磁兼容设计 方法，并给出电磁干扰试验结 果。主题词斯特林制冷机电磁兼容红外探浏器?前言海洋一号卫星是为国家海洋局研制的一颗 用于海洋资源调查和海洋环境研究的太阳同步轨道试验业 务星，星 上遥感仪器 ?波段海洋水色扫描仪中需要低温工作的热红外波段使用?探测器。由于卫星结构要求，红外探测器不能使用无振动、无电磁干扰的辐射制冷器进行制冷，必须
2、使用斯特林制冷机。斯特林制冷机在轨使用，国内尚属首次，国外也 只在少数几颗试验卫星上尝试使用过。因此必须解决很多问题，其中屏蔽制冷机工作时给红外探测器和信息获取 电路带来的 电磁干扰就是关键问题之一。本文将介绍斯特林制冷系统 的 电磁兼容设计，并给出实验结果。?电磁兼容原理无论是复杂系统还是简单装置，任何一个 电磁干扰的发 生都必须具备三个要素?干扰源、干扰传播途径和敏感设备。描述一个敏感设备受干扰的程度?可用一个关系式表示为?式 中?代表 电磁干扰源的强度，?代表从干扰源通过某种传播途径到敏感设备的藕合因素，?代表敏感设备的抗干扰性能。可见，要使设备受干扰 的程度减 小，相应的可有三种方法?
3、第一使?减 小，即将干扰源强度在发 生处抑制得很 小?第二使?减小，即在干扰传播途径上进行阻隔使其干扰强度衰减?第三使?增大，即增 强敏感设备的抗 干扰能 力。电路和设备 的 电磁兼 容设计一般包括滤波、接地、屏蔽和搭接等技 术，电路和导线的合本文于? ?年?月?日收到。宣向春，男，?岁?博士生。第?期斯特林制冷系统的电磁兼容设计理布局也是常需要考虑 的一项重要技术。对斯特林制冷 系统的电磁兼容设计来说，可考虑使用的方法通常是电磁屏蔽，辅以恰 当的接地方式和 良好的搭接技术，对红外探测器的输出信号线也应进行合理的布局。电磁 屏蔽就是以金属 隔离的原理控制 电磁 干扰 由一个区域向另一个区域感应
4、和辐射传播，一般分为两种类型?一类是静 电屏蔽。主要 用于 防止静电场和恒定磁场的影响?另一类是电磁屏蔽，主要 用于防止交变 电场、交变磁场和交变电磁场的影响。静电场 屏蔽是利用低电阻的金属材料将带电导体包围，并进行良好的接地，使屏蔽体的外侧 电场 消失。恒 定磁场屏蔽是利用高导磁材料将载流导线包 围，使磁力线绝大部分集中在屏蔽体内部，通常也进行良好的接地，可同时起到一 定的静电屏蔽作用。干扰源产生的交变电磁场总是 同时包含电场分量和磁场分量，而且这两个分量随传播距离以及干扰源的不 同特性会有所改变。当干扰源为高 电压小 电流的电振荡发射时，在近场区?刀?们，电磁特性以电场为主导，磁场分量可以
5、忽略，相应采取交变电场屏蔽，利用铜、铝等良导体包 围干扰源，并 良好接地。当干扰源为低电压大 电流的磁振荡发射时，在近场区以磁场为主导，电场分量可以忽略，相应采取交变磁场屏蔽，其中高频磁场屏蔽同交变电场屏蔽方法一样，低频 磁场屏蔽利用纯铁、坡莫合金等高导磁屏蔽体将干扰源包围，屏蔽体越厚越好。不论干扰源的特性如何，在远场区?久?们的 电场分量和磁场分量都不可忽略，相应采取交变电磁场屏蔽，利用高导 电材料的涡流屏蔽作用抵消部分 电磁干扰，材料的厚度只需从屏蔽体的机械性能要求考虑。无论是哪种屏蔽方式，都应保证屏蔽体的完整性，尽量少开孔，开小孔，对接缝应保证良好的低接触 电阻搭接，还需有 良好的接地。
6、?电磁兼容分析与设计海洋水色扫描仪的热红外探测器封装 在一个与斯特林制冷机相配的真空杜瓦 内，探测器引线通过 杜瓦外壳上一个引线盘引出。由于探测器的输出信号是弱信号，极易受到外界电磁干扰，因此探测器到红外前置放大器的信号线应尽量短，使信号输入回路的面积尽可能小，这样既可以减小外界 电磁场对电路的影响，同时也可以减小引线振动造成 的线间藕合干扰。为此，我们将红外前放与探 测器杜瓦组件集成在一起，前放与杜瓦引线盘匹配，使信号线最短。斯特林制冷 系统的 电磁兼容设计即是如何屏蔽对红 外探测器及前放的 电磁干扰。海洋水色扫描仪的系统 内部干扰主要有?斯特林制冷机，主要是交变磁干扰?驱动电机，交变磁干扰
7、?一?电源，同时具有交变电干扰和交变磁干扰?信号处理 电路，主要为交变电干扰。系统外部干扰主要是卫星发射天线的远场高频电磁干扰。根据水色仪 系统内外 电磁干扰源对红外探测器及前放可能造成的影响，确 定斯特林制冷系统的电磁兼 容设计应 同时包括近场的交变电屏蔽和交变磁屏蔽，以及远场的交变电磁屏蔽，为此我们对探测器杜瓦及前放集成组件进行了双层屏蔽，外层采用导电屏蔽体，可屏蔽掉近场电干扰和高频磁干扰及远场 电磁干扰，内层采用导磁屏蔽体，可屏蔽掉近场低频磁干扰，两层屏蔽绝缘安装，屏蔽层进行合理接地，并注意提高屏蔽体的搭接性能。另外，由于斯特林制冷机的压缩机工作时，电压约?一?，电流约?，是一个较强的交
8、变磁干扰源，且由于制冷机进气管长度的限制，压缩机距离探测器杜瓦及前放集成组件较近，干扰较大，因此 我们在对探测器和前放双 层屏蔽的同时，对制冷机压缩机进行了单独的磁屏蔽。对于前放的输出也进行了合理 布局，保证每根信号线与相应地线单独引出，电源线与信低温工程? ? ? ?年号线分开引出，减小信号线的回路面积，减小引线 间的藕合干扰。当然，这将导致屏蔽体上开孔增加，势必会降低屏蔽效能，孰利孰弊，将进一步通过电磁兼容分析及干扰实验来确定。?电磁干扰实验实验所需设备包括斯特林制冷机、探测器杜瓦及前放集成组件、真空机组、示波器及直流电源等。由于集成组件中红外前放的放大倍数仅为?倍，实验中没有再连接二级前
9、放，使得测量的元件信号幅度仅为?级，而示波器的本底噪声约为?，因此实验 中所测数据只能提供定性参考，定量的比较将在二级前放连通后再做实验确定。实验中发现，制冷机不工作时，?路信号基本为元件本底噪声，无?市 电干扰。制冷机开 机后，无任何电磁屏蔽情况下，信号有明显的?干扰，幅度明显上升，且 出现较大毛刺，并伴有尖峰，说 明制冷机的确是一较强的电磁干扰源。对制冷机压缩机进行单独的磁屏蔽，并接前放信号输出地后，?干扰基本消失，噪声信号幅度明显下降，毛刺幅度减小，无尖峰出现。再对探测器杜瓦及前放集成组件进行磁屏蔽后，噪声幅度略有下降，仍有毛刺，但幅度很小，再加上电屏蔽后，噪声信号幅度略有下降，毛刺仍未
10、完全消除。实验表明?制冷机压缩机的磁屏蔽效果明显，但探测器杜瓦及前放集成组件的双层屏蔽未达到预期效果，分析原因可能是 因为斯特林制冷系统未与海洋水色扫描仪联试，主要干扰源仅有斯特林制冷机 的压缩机，在对压缩机进行磁屏蔽后，其造成的电磁干扰已明显下降，因此再加电磁屏蔽效果不会明显。由于水色扫描仪 系统 内外具有各种 电磁干扰源，我们将继续试验进行验证。?结论本文通过分析海洋水色扫描仪 系统内外的各种电磁干扰源对红外探测器及前置放大器可能造成的影 响，提出斯特林制冷 系统 电磁兼容设计方法，并通过 实验来验证设计的有效性。我们将进行更 充分的实验来确定斯特林制冷系统电磁兼容设计的实际屏蔽效能。参考文献?蔡仁钢?电磁兼容原理、设计和预测技术?北京?北京航空航天大学 出版社，? ? ? ?王亮?海洋水色卫星 多波段扫描仪信息萃取技术研究?博士学位论文?上海?上海技术物理所，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?一?，?，? ? ?，? ? ? ? ?
