陳林輝

摘要：機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)中，往往在狹小空間中集成大量電子設(shè)備，且天線(xiàn)林立，因此電磁兼容性問(wèn)題異常突出。相比以往設(shè)計(jì)后期的電磁兼容整改，在總體方案初期進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)具有經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了機(jī)載電子設(shè)備中電磁兼容性分析方法，運(yùn)用自頂向下電磁兼容預(yù)測(cè)方法，對(duì)機(jī)載多天線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性分析，提出總體設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：電磁兼容性分析 總體設(shè)計(jì)方法 電磁干擾 隔離度

中圖分類(lèi)號(hào)：TN820；TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）12-0150-02

在機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)中往往在狹小空間里面集成大量電子信息設(shè)備，其中不乏各種探測(cè)、偵察、干擾、通信及導(dǎo)航等功能的電子設(shè)備，不僅天線(xiàn)眾多且工作頻率相互交迭、發(fā)射功率大且接收機(jī)靈敏度高，使得電磁兼容問(wèn)題異常棘手，各種內(nèi)外電磁干擾引起的設(shè)備失效故障常有發(fā)生。在設(shè)備設(shè)計(jì)初期及早鑒別電磁干擾隱患，采取電磁兼容性設(shè)計(jì)措施規(guī)避電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)，可以大大節(jié)省全周期開(kāi)發(fā)成本。關(guān)于電磁兼容性理論和方法探討的文章很多，但多數(shù)是一些準(zhǔn)則或者理論討論方面的文章，本文嘗試在實(shí)踐中運(yùn)用“自頂而下”的思想，基于電磁兼容性預(yù)評(píng)估，提出了行之有效的機(jī)載多天線(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容性總體設(shè)計(jì)方案。

1 電磁兼容性分析方法

在進(jìn)行電子設(shè)備電磁兼容分析時(shí)首先需對(duì)電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)，即依據(jù)產(chǎn)品中各設(shè)備布局、數(shù)量、功能設(shè)計(jì)建立干擾源模型、傳輸模型和易感器件模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算等手段對(duì)產(chǎn)品的電磁兼容性進(jìn)行預(yù)評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的功能指標(biāo)、布局等進(jìn)行重新量化和分配，多次調(diào)整后得到良好的電磁兼容狀態(tài)，解決電子設(shè)備之間的收發(fā)隔離問(wèn)題，并最終解決各電子設(shè)備之間的相互干擾問(wèn)題[1]。

在分析設(shè)備間電磁干擾時(shí)，首先要考慮設(shè)備所在空域有無(wú)外來(lái)輻射干擾；其次再分析設(shè)備之間的相互干擾，在機(jī)載多天線(xiàn)系統(tǒng)中最大的相互干擾來(lái)自于天線(xiàn)發(fā)射時(shí)電磁波輻射，另外在設(shè)備間有無(wú)公用電源、有無(wú)公共接地平面及是否通過(guò)設(shè)備殼體構(gòu)成接地環(huán)路也是要考量的因素；最后再進(jìn)一步考慮設(shè)備內(nèi)部的干擾，即分析內(nèi)部電路的輻射源、傳導(dǎo)路徑及易感電路。

在電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)實(shí)踐中采用的電磁干擾控制技術(shù)有： 濾波、吸收與旁路、屏蔽、接地、布局布線(xiàn)、工藝控制、天線(xiàn)配置、頻率管理等，其中屏蔽、接地、濾波、布局布線(xiàn)是最為常用的干擾抑制手段[2]。完整的電磁兼容設(shè)計(jì)流程閉環(huán)圖如圖1所示，對(duì)于復(fù)雜的電磁兼容問(wèn)題可能還需要多次這樣反復(fù)的過(guò)程[1]。

2 機(jī)載多天線(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容影響分析

機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)往往天線(xiàn)眾多，且相互間空間隔離有限。電磁環(huán)境的復(fù)雜性體現(xiàn)在：在空域上縱橫交錯(cuò)、在時(shí)域上持續(xù)不斷、在頻域上密集交疊、在效能上隨機(jī)多變。這些可能存在的電磁干擾，輕則可能影響到任務(wù)電子系統(tǒng)性能參數(shù)；重則可能產(chǎn)生誤動(dòng)作或功能失效，造成裝備毀傷。有效控制和消除電磁干擾，可將各設(shè)備本身產(chǎn)生的電磁噪聲限制在一定的水平，使各試驗(yàn)設(shè)備或任務(wù)電子系統(tǒng)能夠在共存的環(huán)境中互不發(fā)生干涉，充分發(fā)揮各自的最大效能。

2.1 外部干擾

電磁干擾按傳播途徑可以分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩大類(lèi)。傳導(dǎo)干擾沿著導(dǎo)體傳播，包括傳輸線(xiàn)間的相互耦合、接地傳導(dǎo)干擾和電源傳導(dǎo)干擾等。輻射干擾是通過(guò)電子設(shè)備發(fā)射天線(xiàn)的輻射外場(chǎng)和其他設(shè)備的天線(xiàn)、電纜及機(jī)箱孔縫之間的耦合等造成的干擾。預(yù)測(cè)分析方程是電磁兼容度預(yù)測(cè)定量預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)，電磁干擾裕度（M）表征了接收機(jī)接收到來(lái)自外部干擾信號(hào)功率PR后能否正常工作，其大小反應(yīng)外界電磁輻射干擾影響大小[3]，其中：

M=PR-SR

PR=PT+TRS-SF-C

其中，PT為外部干擾發(fā)射機(jī)功率，SR為易感器件敏感度閾值，TRS為由干擾發(fā)射機(jī)到受干擾接受機(jī)之間的電磁波傳播因子，SF為非照明區(qū)的陰影系數(shù)，C為發(fā)射及接收設(shè)備內(nèi)部的損耗總和。

機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)在有限的裝載空間內(nèi)集中搭載了諸如雷達(dá)、通信、電子偵察等多種設(shè)備，在特定時(shí)間段內(nèi)分時(shí)、同時(shí)或集中使用。從頻段劃分和工作時(shí)段兩個(gè)方面，根據(jù)電子任務(wù)系統(tǒng)的功能和工作模式，對(duì)這些設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)復(fù)雜的電磁環(huán)境空間進(jìn)行分析如圖2、表1所示。

具體來(lái)說(shuō)，機(jī)載多天線(xiàn)任務(wù)系統(tǒng)本系統(tǒng)存在的外界輻射干擾主要來(lái)自同頻段同時(shí)工作的天線(xiàn)之間耦合干擾，以及發(fā)射天線(xiàn)對(duì)同時(shí)工作接收天線(xiàn)的諧波干擾。例如，不僅是工作頻段有重疊的天線(xiàn)2和天線(xiàn)1、天線(xiàn)3、天線(xiàn)5之間存在干擾，天線(xiàn)4的諧波也會(huì)對(duì)天線(xiàn)2、天線(xiàn)5產(chǎn)生影響。運(yùn)用FECO軟件建立天線(xiàn)模型，對(duì)天線(xiàn)之間的電磁干擾裕度進(jìn)行分析，則天線(xiàn)外界輻射功率如表2所示。

2.2 內(nèi)部干擾

各任務(wù)子系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要包括內(nèi)部頻點(diǎn)組合干擾、高低功率共存干擾及數(shù)?；旌细蓴_等方面。

3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

3.1 輻射干擾的抑制

由上述分析可知，上述外界輻射干擾可能對(duì)周邊處于接收狀態(tài)的其他子系統(tǒng)接收通道造成影響：即其他子系統(tǒng)的多個(gè)通道接收到干擾信號(hào)功率。如果干擾的信號(hào)足夠大，那么首先造成的就是每個(gè)接收通道限幅低噪放的燒毀，造成接收通道永久性失效，也就是目標(biāo)系統(tǒng)的失效；如果能量只是達(dá)到接收機(jī)線(xiàn)性動(dòng)態(tài)的飽和狀態(tài)，那么會(huì)造成接收機(jī)的暫時(shí)性制盲，子系統(tǒng)就不能進(jìn)行正常的檢測(cè)工作；如果干擾信號(hào)的量級(jí)更小，但仍在接收機(jī)的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)間，則會(huì)造成接收通道的噪聲系數(shù)變大，影響到目標(biāo)的檢測(cè)效果，這時(shí)對(duì)相鄰系統(tǒng)會(huì)因?yàn)椴ㄊ纬汕闆r的不同產(chǎn)生不同的影響效果。

（1）采用綜合射頻前端。該任務(wù)電子系統(tǒng)由各個(gè)任務(wù)電子子系統(tǒng)組成，為控制和消除電磁干擾，在收發(fā)模塊設(shè)計(jì)中引入綜合射頻前端的概念，將多個(gè)任務(wù)電子系統(tǒng)的射頻前端盡可能多的共用，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化系統(tǒng)組成、共用系統(tǒng)平臺(tái)，減少向外發(fā)送干擾噪聲源，減少傳播電磁干擾途徑。

（2）調(diào)整天線(xiàn)布局。將相互干擾嚴(yán)重的天線(xiàn)擬移至使相互背對(duì)，加大物理距離，增加物理隔離度。endprint

（3）通過(guò)濾波抑制。濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。濾波器可以顯著減小干擾電平，因?yàn)楦蓴_頻譜成份不等于有用信號(hào)的頻率，濾波器對(duì)于這些與有用信號(hào)頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)濾波抑制電磁干擾主要體現(xiàn)在如下方面：

①在同頻段天線(xiàn)接收機(jī)輸入端加裝雙工器。通過(guò)在同頻段天線(xiàn)接收機(jī)輸入端加裝雙工器，優(yōu)化雙工器指標(biāo)，提高同頻段天線(xiàn)接收通道抑制帶外干擾的能力。在設(shè)計(jì)雙工器時(shí)加裝濾波器，確保抑制度滿(mǎn)足要求。

②在同頻段天線(xiàn)發(fā)射模塊輸出端加裝濾波器?？紤]到天線(xiàn)工作時(shí)。按照常規(guī)設(shè)計(jì)水平考慮，其二次諧波會(huì)影響到其他雷達(dá)天線(xiàn)正常接收。本著最小化設(shè)計(jì)的原則，通過(guò)在該天線(xiàn)發(fā)射模塊輸出端加裝濾波器，對(duì)其功放模塊二次諧波等帶外雜散予以抑制。

（4）采用光纖傳輸。一方面，光纖傳輸線(xiàn)間的隔離可大于100dB，高于常規(guī)傳輸線(xiàn)纜間60～70dB的隔離度，能夠很好的消除信號(hào)間干擾。另一方面，借助波分復(fù)用技術(shù)，光纖可以實(shí)現(xiàn)單根光纖數(shù)十到數(shù)百Gbit/s的超大容量傳輸。本系統(tǒng)中，為避免大功率信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸鏈路的干擾、解決多路高速數(shù)據(jù)傳輸存在的瓶頸，收/發(fā)模塊與信號(hào)處理、波控系統(tǒng)均采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸。

3.2 內(nèi)部干擾

（1）優(yōu)選頻率窗口。在選擇任務(wù)電子子系統(tǒng)工作頻率窗口時(shí)，結(jié)合多方面因素進(jìn)行優(yōu)選。一方面從方便濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這一角度進(jìn)行；另一方面考慮混頻器中參與混頻的兩個(gè)信號(hào)之間的交調(diào)、干擾信號(hào)與本振之間的交調(diào)對(duì)射頻和中頻的影響。

此外，采用開(kāi)關(guān)濾波器對(duì)工作頻段進(jìn)行劃分，規(guī)避寬頻段帶來(lái)的頻點(diǎn)組合干擾；通過(guò)合理分配收發(fā)鏈路增益，減少諧波或交調(diào)等干擾分量的產(chǎn)生。

（2）設(shè)置電磁屏蔽。屏蔽是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。本系統(tǒng)使用屏蔽體將元件、電路、組合件、電纜等干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散；使用屏蔽體將接收電路、設(shè)備等包圍起來(lái)，防止它們受到外界電磁場(chǎng)的影響。

（3）合理布局布線(xiàn)。從各電子系統(tǒng)在機(jī)載平臺(tái)內(nèi)的走線(xiàn)設(shè)計(jì)；到收發(fā)組件的安裝位置、結(jié)構(gòu)形式及其信號(hào)線(xiàn)、電源線(xiàn)、控制線(xiàn)的走線(xiàn)布線(xiàn)方法；再到組件內(nèi)部各電路模塊的布局、安裝及連線(xiàn)等進(jìn)行合理布置[4]。

（4）做好數(shù)/模電路隔離。對(duì)于數(shù)字收發(fā)板自身的數(shù)字/模擬電路干擾，采用“組合電路板”的形式進(jìn)行抑制。

（5）做好信號(hào)地、功率地和安全地的隔離[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

造成電磁干擾的原因非常復(fù)雜，電磁兼容性分析也是一門(mén)綜合和實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，要求工程技術(shù)人員應(yīng)較全面地掌握電磁兼容技術(shù)，對(duì)上至設(shè)備所在環(huán)境下至電路布線(xiàn)、元件性能有充分的了解。本文嘗試著采用自頂向下的電磁兼容分析方法，對(duì)機(jī)載多天線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性總體分析。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇東林，雷軍，王冰切.系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)綜述與展望[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2007（s1）：34～38.

[2]郭燕.飛機(jī)加載電子裝備時(shí)的電磁兼容分析[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2005（34）：84～90.

[3]張秋菊，杜江.電子設(shè)備電磁兼容性分析與設(shè)計(jì)[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用，2011（3）：61～64.

[4]董彥濤.電子設(shè)備電纜布線(xiàn)的電磁兼容設(shè)計(jì)[J].聲學(xué)與電子工程，2010（98）：31～37.

[5]戴炎炎，詹志娟.航空電子系統(tǒng)接地技術(shù)研究[J].測(cè)控技術(shù)，2012（31）：112～114.endprint