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(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引言

隨著裝備載荷信息處理能力的不斷提高，電子設(shè)備大幅度增加，而且電子設(shè)備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度也不斷提高。各種設(shè)備將暴露在越來(lái)越復(fù)雜的電磁環(huán)境下。一方面，隨著靈敏度的提高，意味著，噪聲干擾的門限也隨之抬高，另一方面，頻帶寬度的拓寬，潛在頻段的噪聲也會(huì)落入到帶內(nèi)來(lái)。同時(shí)在寬帶接收系統(tǒng)中，用頻設(shè)備帶外發(fā)射，天線旁瓣效應(yīng)等因素的存在，使得即使頻率規(guī)劃良好、天線布局規(guī)范的系統(tǒng)也會(huì)存在潛在的電磁兼容問(wèn)題。尤其在多個(gè)用頻設(shè)備同時(shí)干擾一個(gè)寬帶接收系統(tǒng)時(shí)，由于電磁環(huán)境復(fù)雜，考慮因素較多，目前還沒(méi)有一個(gè)從整個(gè)系統(tǒng)角度，針對(duì)性強(qiáng)，行之有效的快速診斷優(yōu)化方法。通過(guò)采用擬合環(huán)境中等效噪聲干擾，再還原定位到對(duì)應(yīng)頻段主導(dǎo)噪聲干擾來(lái)源的方法，使得故障定位更準(zhǔn)確、優(yōu)化措施更高效。

1 電磁兼容三要素

形成系統(tǒng)電磁干擾必須同時(shí)具備3個(gè)基本要素：電磁干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備。

1.1 電磁干擾源

電磁干擾源是指某干擾設(shè)備或自然現(xiàn)象，它能使共享同一環(huán)境的其它設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)發(fā)生電磁危害，導(dǎo)致性能降級(jí)或失效；也可能會(huì)使人或其它生物受到傷害。干擾源有多種分類方式：根據(jù)干擾源產(chǎn)生的原因可分為自然干擾源和人為干擾源；根據(jù)干擾源作用時(shí)間可分為長(zhǎng)期起作用的連續(xù)干擾源和短期起作用的間隙干擾源及偶然單次開(kāi)關(guān)切換、時(shí)間很短并且非周期性作用的瞬變干擾源；根據(jù)頻譜區(qū)分有寬帶干擾和窄帶干擾。

1.2 耦合路徑

耦合路徑是指?jìng)鬏旊姶膨}擾的通路或媒介。任何干擾的產(chǎn)生必然通過(guò)某些耦合路徑由電磁騷擾源耦合到敏感設(shè)備，常見(jiàn)的耦合方式如圖1所示，即傳導(dǎo)耦合和輻射耦合方式。在近場(chǎng)情況下，輻射耦合可能以磁場(chǎng)耦合為主，也可能以電場(chǎng)耦合為主；而在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下，將通過(guò)電磁波來(lái)耦合，并且電場(chǎng)與磁場(chǎng)有固定的比。對(duì)于非常接近的電路和導(dǎo)線，一般認(rèn)為耦合或串?dāng)_是通過(guò)互感和電路間的電容產(chǎn)生的，不過(guò)通常只有一種耦合方式起著主導(dǎo)作用。噪聲源可以是電源線、信號(hào)線、邏輯電路或載流的接地線。傳導(dǎo)路徑可能是電阻性的，也可能是有意或無(wú)意存在的電感或電容，而且是這些因素的綜合作用。電抗性元件常常會(huì)導(dǎo)致諧振，在諧振頻點(diǎn)將伴隨著電流的增加或減少。

圖1 耦合干擾路徑

①和②是其中從干擾源輻射到敏感設(shè)備與電纜；③和④是從干擾源的線纜(包括信號(hào)線和電力線)輻射到敏感系統(tǒng)及所交聯(lián)線纜；⑤是從干擾源直接由公共導(dǎo)體傳導(dǎo)到敏感系統(tǒng)。

1.3 敏感設(shè)備

接收系統(tǒng)的電磁敏感響應(yīng)是各分立器件共同作用的結(jié)果，放大器和混頻器作為射頻接收系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，其非線性敏感效應(yīng)直接影響接收系統(tǒng)的電磁敏感性。因此研究接收系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感特性，就需要研究各分立器件對(duì)干擾信號(hào)的敏感特性，尤其是位于射頻前端的低噪聲放大器。

根據(jù)干擾信號(hào)頻譜與接收系統(tǒng)工作帶寬的關(guān)系，把電磁干擾分為帶內(nèi)和帶外兩種情況。帶內(nèi)干擾也即同頻道干擾，它是指處在接收系統(tǒng)工作頻率或者接近接收系統(tǒng)工作頻率處的干擾。由于處于接收機(jī)的工作通道內(nèi)，所以帶內(nèi)干擾很難被濾波器濾除。因此接收機(jī)對(duì)帶內(nèi)干擾十分敏感。當(dāng)理想狀態(tài)下時(shí)，系統(tǒng)敏感度閾值以對(duì)數(shù)形式表達(dá)為：。由公式可知，接收系統(tǒng)基底噪聲、工作帶寬、噪聲系數(shù)以及所要求的輸出信噪比共同決定了接收機(jī)帶內(nèi)敏感度閾值。

2 電磁兼容關(guān)鍵參數(shù)仿真提取

仿真算例基于公開(kāi)市場(chǎng)較為常見(jiàn)的系統(tǒng)模型，僅作為示范說(shuō)明。將分別通過(guò)仿真的手段，提取干擾源、耦合路徑、敏感設(shè)備的電磁兼容關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 干擾設(shè)備仿真計(jì)算

算例中干擾設(shè)備采用二次上變頻的結(jié)構(gòu)形式。該發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生主頻為1GHz，帶寬為10MHz的信號(hào)。中頻信號(hào)通過(guò)二級(jí)混頻之后，形成主頻信號(hào)，并通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去。干擾設(shè)備的系統(tǒng)行為級(jí)模型如下：

圖2 干擾設(shè)備系統(tǒng)行為級(jí)仿真模型

采用瞬態(tài)仿真器仿真，做一次傅里葉變換后得到它的高次諧波的幅度，其發(fā)射的帶外頻譜如下：

圖3 發(fā)射信號(hào)的帶外頻譜

通過(guò)頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，該發(fā)射器的諧波抑制做的不是很好，諧波點(diǎn)的諧波干擾分量毛刺表現(xiàn)很高，在靠近主頻1 GHz附近的諧波分量表現(xiàn)尤為明顯。各階諧波分量隨著頻率的增加而逐漸變小。

2.2 干擾路徑仿真計(jì)算

干擾路徑算例采用在工程中較為常見(jiàn)的S參數(shù)法計(jì)算出某大功率用頻設(shè)備與寬帶敏感接收系統(tǒng)接收天線端口之間的天線隔離度。在該兩個(gè)設(shè)備天線端口上分別設(shè)置端口1，端口2，直接計(jì)算其參數(shù)，其形式的絕對(duì)值即是隔離度。但是該方法需要考慮去除兩天線模型引入的失配損耗。

圖4 系統(tǒng)天線間隔離度仿真模型

通常情況下，我們直接用作為天線間的隔離度，從量級(jí)上考慮天線失配引入的損耗，，有公式，天線反射不超過(guò)0.3時(shí)，引入的誤差不超過(guò)1dB，當(dāng)天線嚴(yán)重失配時(shí)，會(huì)引入幾十甚至幾百的誤差，這個(gè)是不能容忍的，所以使用這種方法一定要注意天線匹配狀況。通過(guò)S參數(shù)仿真計(jì)算某大功率干擾源與受擾設(shè)備之間的隔離度，如下圖：

圖5 某大功率干擾源與受擾設(shè)備間隔離度

2.3 干擾路徑仿真計(jì)算

干擾路徑算例對(duì)基于ATF54143芯片低噪聲受擾敏感電路的噪聲系數(shù)進(jìn)行仿真分析。

圖6 受擾敏感電路的噪聲系數(shù)仿真模型

圖7 噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

圖8 S(2,1)曲線仿真結(jié)果

在2.45 GHz處，增益為15 dB，NF小于0.7 dB，輸入、輸出反射系數(shù)都在-15 dB以下，VSWR在1.3左右，且整個(gè)電路無(wú)條件穩(wěn)定。

在接收系統(tǒng)射頻前端的中頻輸出端面向下級(jí)電路主要關(guān)注兩個(gè)參數(shù)：功率和信噪比。射頻前端系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，以形式表達(dá)。接收系統(tǒng)端口處的噪聲門限，由接收靈敏度和接收端口處的信噪比要求決定，以形式表達(dá)：。

所以接收系統(tǒng)端口的噪聲門限可計(jì)算為：，將噪聲門限推廣到整個(gè)頻帶上可在寬帶的頻譜上可表現(xiàn)為一條噪聲門限頻譜曲線。

3 寬帶干擾鏈路

在《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和靈敏度要求與測(cè)量》(GJB151B-2013)中只提出了針對(duì)單個(gè)設(shè)備或分系統(tǒng)的電磁發(fā)射和敏感度要求。該方法孤立了多個(gè)設(shè)備之間的交聯(lián)特性，忽略了多種干擾因素的優(yōu)先級(jí)關(guān)系。

一般的，在單頻點(diǎn)干擾分析中，當(dāng)干擾設(shè)備的帶外發(fā)射落入接收系統(tǒng)工作頻帶范圍之內(nèi)時(shí)，就會(huì)對(duì)接收系統(tǒng)產(chǎn)生潛在干擾可能。當(dāng)這一帶外發(fā)射(干擾設(shè)備產(chǎn)生的帶外發(fā)射能量值，簡(jiǎn)稱為帶外發(fā)射)要經(jīng)過(guò)線纜損耗、發(fā)射機(jī)天線增益、空間衰減、接收系統(tǒng)天線增益、線纜損耗等5個(gè)過(guò)程會(huì)對(duì)接收系統(tǒng)產(chǎn)生端口處的干擾，可由形式表達(dá)為

。當(dāng)超過(guò)接收系統(tǒng)的干擾門限時(shí)，接收系統(tǒng)就會(huì)受到干擾。其分析模型可由下圖表示。

圖9 單頻點(diǎn)干擾鏈路示意圖

在分析單一設(shè)備對(duì)寬帶接收系統(tǒng)的干擾分析中，由于接收系統(tǒng)的工作頻帶寬達(dá)數(shù)GHz，在分析時(shí)一般都要將帶寬因素考慮進(jìn)去：

首先，在干擾設(shè)備的工作頻帶之外會(huì)有窄帶諧波、寬帶雜散波等干擾均會(huì)落在寬帶接收系統(tǒng)的工作頻帶之內(nèi)，可視為一條頻率響應(yīng)曲線；

其次，綜合考慮寬帶發(fā)射天線增益、寬帶空間衰減和寬帶接收天線增益三者因素的天線隔離度也是隨著頻率變化而變化的，可視為一條頻率響應(yīng)曲線；

最后，對(duì)于任何接收系統(tǒng)可供解調(diào)的中頻輸出的信噪比是確定唯一值，然而對(duì)于寬帶接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)是隨頻率改變的，在《射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用》第334頁(yè)中提到,表示噪聲系數(shù)，表示最小(也稱為最佳)噪聲系數(shù)，表示系統(tǒng)的等效噪聲電導(dǎo)，表示源電阻，表示源阻抗，表示最佳源阻抗。那么等效到接收系統(tǒng)端口的干擾門限也可視為一條頻率響應(yīng)曲線。

在得到干擾設(shè)備等效到接收系統(tǒng)端口處的等效干擾曲線以及接收系統(tǒng)干擾門限曲線后，逐點(diǎn)對(duì)比等效干擾的幅值和接收系統(tǒng)的干擾門限，可得到在接收系統(tǒng)整個(gè)工作頻帶上的受擾頻段情況。即，干擾設(shè)備帶外發(fā)射頻率響應(yīng)曲線、干擾設(shè)備線纜損耗曲線、天線隔離度頻率響應(yīng)曲線、接收系統(tǒng)線纜損耗曲線和接收系統(tǒng)干擾門限曲線。其分析模型如下圖所示，具體操作過(guò)程為：

圖10 寬帶干擾鏈路示意圖

4 主導(dǎo)噪聲來(lái)源定位

第一步，仿真得到分析鏈路中的五條曲線

運(yùn)用ADS仿真軟件得到干擾設(shè)備的帶外發(fā)射的干擾頻率曲線。運(yùn)用電磁場(chǎng)仿真軟件FEKO得到將收發(fā)天線增益和空間衰減考慮在內(nèi)的天線隔離度曲線。運(yùn)用ADS仿真軟件得到干擾設(shè)備和接收系統(tǒng)的線纜損耗頻率響應(yīng)曲線。運(yùn)用ADS仿真軟件仿真得到接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)頻率響應(yīng)曲線，聯(lián)系中頻輸出的信噪比要求、接收靈敏度，從而最終得到接收系統(tǒng)干擾門限頻率響應(yīng)曲線。

第二步：得出各干擾設(shè)備等效到接收系統(tǒng)端口的等效干擾頻率響應(yīng)曲線

由于信號(hào)傳輸時(shí)符合線性性質(zhì)，而其中4個(gè)要素都是頻率的線性變化函數(shù)，所以將寬帶分析模型視為單頻點(diǎn)分析模型的在頻域方向的線性延伸。則有，每個(gè)干擾設(shè)備通過(guò)、、和在頻域上線性相加后，即可得到各干擾設(shè)備等效到接收系統(tǒng)端口的等效干擾頻率響應(yīng)曲線。

第三步，確定系統(tǒng)總等效干擾曲線。

在n個(gè)干擾設(shè)備同時(shí)干擾一個(gè)接收系統(tǒng)的系統(tǒng)中，針對(duì)n個(gè)單獨(dú)干擾-敏感對(duì)，分別通過(guò)上述第一步和第二步，得到n條等效干擾曲線、…。將這n條曲線同時(shí)放置在同一個(gè)圖中。在每個(gè)頻點(diǎn)上取這n條曲線的最大值而形成系統(tǒng)總等效干擾曲線，其曲線構(gòu)形如圖11所示，由圖可知，系統(tǒng)等效干擾曲線由A設(shè)備的等效干擾曲線和B設(shè)備的等效干擾曲線的最大值決定。

圖11 系統(tǒng)等效干擾示意圖

第四步，確定各干擾頻段內(nèi)的主導(dǎo)干擾來(lái)源。

將第三步中得到的系統(tǒng)總等效干擾曲線與第一步中得到的接收系統(tǒng)門限頻率響應(yīng)曲線作比較，獲得出現(xiàn)干擾的頻率段。進(jìn)一步的，確定其主要來(lái)源于、…中的主導(dǎo)干擾來(lái)源。

該方法中，主導(dǎo)干擾來(lái)源是指在一個(gè)特定頻帶內(nèi)對(duì)接收系統(tǒng)產(chǎn)生最大干擾的干擾設(shè)備及其干擾的途徑。

圖12 主導(dǎo)干擾來(lái)源示意圖

5 快速診斷優(yōu)化實(shí)例

在一個(gè)系統(tǒng)中，有A、B、C3個(gè)潛在干擾設(shè)備對(duì)接收敏感設(shè)備S會(huì)發(fā)生潛在干擾，接收敏感系統(tǒng)S為寬頻帶接收系統(tǒng)，選取接收系統(tǒng)中具有表征意義的1 GHz、1.5 GHz、2 GHz、2.5 GHz、3 GHz、3.5 GHz等6個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行分析。

第一步，通過(guò)仿真手段獲取A、B、C3個(gè)潛在干擾設(shè)備帶外雜散發(fā)射以及空間隔離度，分別擬合出干擾設(shè)備A、B、C在敏感設(shè)備S接收端口的等效噪聲曲線值。

表1 干擾設(shè)備A對(duì)敏感設(shè)備S等效干擾

表2 干擾設(shè)備B對(duì)敏感設(shè)備S等效干擾

表3 干擾設(shè)備C對(duì)敏感設(shè)備S等效干擾

第二步，綜合A、B、C3個(gè)設(shè)備的等效噪聲曲線得出系統(tǒng)合成等效噪聲曲線，作為對(duì)敏感設(shè)備S的合成環(huán)境總噪聲曲線。由表4知，敏感設(shè)備S所處電磁環(huán)境中，不同頻段內(nèi)的主導(dǎo)干擾來(lái)源于不同干擾設(shè)備。

表4 系統(tǒng)合成環(huán)境等效噪聲曲線

第三步，通過(guò)仿真手段，得到敏感設(shè)備S的噪聲干擾門限曲線，見(jiàn)表5。

表5 敏感設(shè)備S干擾門限曲線

第四步，通過(guò)綜合A、B、C3個(gè)設(shè)備的等效噪聲曲線所得出系統(tǒng)合成等效噪聲曲線，將其與接收系統(tǒng)的噪聲門限曲線作比較，即判斷出接收系統(tǒng)受到干擾的頻段，并確定其主導(dǎo)干擾來(lái)源。

表6 受擾頻段內(nèi)主導(dǎo)干擾來(lái)源

從上表中可以看到，系統(tǒng)在1 GHz、2.5 GHz、3.5 GHz3個(gè)頻點(diǎn)上對(duì)接收系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，這些干擾分別來(lái)源于設(shè)備C、A、B。

第五步，在確定主導(dǎo)干擾來(lái)源后，就能有針對(duì)性地在這些頻點(diǎn)上，對(duì)這些干擾鏈路進(jìn)行整改。在整改后的干擾情況如表7所示。

表7 寬帶接收系統(tǒng)整改后干擾情況

分別在2.5 GHz對(duì)A設(shè)備干擾接收系統(tǒng)鏈路做整改，在3.5 GHz對(duì)B設(shè)備干擾接收系統(tǒng)鏈路做整改，在1 GHz對(duì)C設(shè)備干擾接收系統(tǒng)鏈路做整改?？稍谡麄€(gè)系統(tǒng)范疇內(nèi)改善接收敏感設(shè)備的受擾特性。

6 總結(jié)

通過(guò)對(duì)干擾鏈路從干擾設(shè)備的干擾發(fā)射、干擾路徑的隔離度、寬帶接收系統(tǒng)的噪聲門限3個(gè)方面進(jìn)行仿真計(jì)算，擬合出一條復(fù)雜環(huán)境擬合到寬帶接收系統(tǒng)接收端口的等效干擾噪聲頻譜，將其和寬帶接收系統(tǒng)的噪聲干擾門限比較，即可方便確定出受到干擾的頻段，及其主導(dǎo)干擾來(lái)源?？焖俣ㄎ怀鲞@些頻段上受到干擾的主導(dǎo)干擾鏈路對(duì)，可進(jìn)一步提升復(fù)雜環(huán)境下電磁兼容故障診斷優(yōu)化效率。