高啟學(xué)

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥230088)

0 引言

隨著雷達技術(shù)的快速發(fā)展，有源相控陣?yán)走_已經(jīng)成為重點研究對象[1]。目前，有源相控陣?yán)走_陣面逐漸向大型化方向發(fā)展，內(nèi)部有源設(shè)備眾多，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜[2]。在有限的空間內(nèi)，大型相控陣?yán)走_陣面集成了成百上千只射頻收發(fā)組件(T/R)，具有射頻功率大、諧波豐富以及多種頻率交錯重疊等特點，其內(nèi)部電磁環(huán)境十分惡劣。因此，對于雷達陣面通信設(shè)備來說，在設(shè)計時必須嚴(yán)格考慮電磁兼容問題，從源頭對電磁兼容性進行分析和預(yù)測，降低和減少電磁干擾對通信設(shè)備造成的影響，從而保障通信設(shè)備自身能夠穩(wěn)定可靠工作，同時也不會對周圍的其他設(shè)備造成干擾。

1 電磁兼容設(shè)計

電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility)是指電子和電氣裝置、設(shè)備、系統(tǒng)等在電磁環(huán)境中，能按照預(yù)先的設(shè)計要求運行，對其運行環(huán)境中的電磁干擾具有一定的抗干擾性[3]。電磁兼容性設(shè)計的根本目標(biāo)是有效降低、減少和消除設(shè)備內(nèi)外部各種電磁干擾，保證設(shè)備能夠在預(yù)定的電磁環(huán)境下實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定工作。

電磁干擾的形成必須同時具備3個因素：干擾源、敏感設(shè)備和耦合通道。干擾源泛指能夠產(chǎn)生電磁干擾的人造設(shè)備以及大自然輻射源等；敏感設(shè)備是指對電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備；耦合通道指把電磁能量從干擾源耦合或傳遞到敏感設(shè)備上的有線或無線媒介。影響設(shè)備電磁兼容性的因素可以用式(1)表示[4]：

N(ω)=G(ω)×C(ω)÷I(ω)

(1)

式中，N(ω)代表電磁干擾對設(shè)備造成的影響程度；G(ω)代表電磁干擾的強弱；C(ω)代表電磁干擾耦合函數(shù)；I(ω)代表設(shè)備抗干擾能力，即敏感度閾值。由公式(1)可以得出，設(shè)備受干擾程度的大小主要受到G(ω)、C(ω)和I(ω)的影響。因此，電磁兼容的設(shè)計可以采取3方面措施：減少干擾源；切斷耦合通道；增加設(shè)備抗干擾能力，使其敏感度下降。在設(shè)備設(shè)計中，3種方式要根據(jù)實際情況組合使用，以實現(xiàn)電磁干擾最大程度的降低。

雷達陣面通信設(shè)備面臨的是高頻、大功率密度的使用環(huán)境，其電磁兼容性設(shè)計需要遵循電磁干擾三要素原則，對三要素進行識別。依據(jù)電磁兼容性分析三要素，建立此3個要素的物理和數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)間電磁兼容性預(yù)測分析的基礎(chǔ)[5]。其中，干擾源主要指射頻收發(fā)組件(T/R)；敏感設(shè)備是通信設(shè)備；耦合通道主要是射頻干擾源到通信設(shè)備之間的物理通道。

首先考慮耦合通道。相控陣?yán)走_陣面T/R單元數(shù)量眾多，解決這些單元高速大容量數(shù)據(jù)的傳輸通常有兩種方法：LVDS方法和光纖傳輸方法[6]。光纖傳輸方法具有傳輸容量大，傳輸損耗遠遠低于金屬波導(dǎo)和同軸射頻電纜的特點，而且光纖為介質(zhì)材料，無電磁輻射，因此采用光纖傳輸方式不僅大大降低了重量和成本，而且顯著提高了抗電磁干擾(EMI)能力[7]。

某相控陣?yán)走_陣面通信設(shè)備基本原理如圖1所示。雷達陣面集成20個數(shù)字陣列模塊(DAM)，每個DAM包含16套射頻T/R單元。這些DAM一方面與雷達天線相連，進行射頻信號的收發(fā)；另一方面利用通信設(shè)備將接收到的I/Q信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后從天線傳輸至電子方艙進行下一步處理。DAM輸出中心波長為850 nm的光信號，限于光滑環(huán)技術(shù)以及成本，通信設(shè)備設(shè)計中采用光密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)：將雷達陣面波長為850 nm的光信號分別送入波長轉(zhuǎn)換器(OTU)，波長轉(zhuǎn)換后的80路光信號進行光波分復(fù)用(OMU)。復(fù)接后的光信號送入光纖放大器進行光功率放大及光色散補償，通過光纖滑環(huán)傳輸?shù)诫娮臃脚?。電子方艙對接收到的合路光信號進行光解復(fù)用(ODU)處理，依次恢復(fù)出80路光信號，再送入光波長轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成80路850 nm光信號送出。

圖1 某相控陣?yán)走_陣面通信設(shè)備基本原理

其次是電磁干擾源。對于雷達射頻干擾源來說，可靠接地、信號濾波和設(shè)備屏蔽是比較常見有效的抗干擾措施。接地方面，通信設(shè)備和雷達陣面內(nèi)各電子設(shè)備、分系統(tǒng)通過銅編織軟電纜與接地裝置可靠連接，保證車體、陣面、電子設(shè)備、分系統(tǒng)和大地等電勢，提供泄流回路，實現(xiàn)工作接地和安全保護接地功能，從而提升電磁兼容能力。濾波方面，主要通過電源濾波和高頻信號濾波方式，消除傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。通信設(shè)備由陣面統(tǒng)一提供直流電源，通過自身增加濾波電路，防止電源受到干擾；在高頻濾波方面主要采取屏蔽措施：設(shè)備外殼采用金屬材料進行屏蔽，構(gòu)成一體化屏蔽體。對于降低電磁敏感度，則從電路PBC設(shè)計、元器件選擇、功能模塊等逐級入手，如印制板合理布置旁路、退耦、整形等電容；核心功能模塊加裝屏蔽罩；優(yōu)選具有較好屏蔽指標(biāo)的信號電纜和連接器；電源和信號線合理走線，避免交叉、混繞在一起。

金屬屏蔽機箱屏蔽效率(SE)可以參考公式(2)：

SE=A+R+B

(2)

式中，A為吸收損耗；R為反射損耗；B為校正因子。A、R、B的單位均為dB。

吸收損耗A的計算公式為：

(3)

式中，f為頻率(MHz)；σ為導(dǎo)電率；μ為導(dǎo)磁率；t為厚度。

反射損耗R的計算公式為：

R電=321.8-(20lgr)-(30lgf)-[10lg(μ÷σ)]

(4)

R磁=14.6+(20lgr)+(10lgf)+[10lg(μ÷σ)]

(5)

式中，r為干擾源和機箱之間的距離。

校正因子B的計算公式為：

B=20lg[-exp(-2t÷σ)]

(6)

機箱縫隙和通風(fēng)孔都會對電磁屏蔽指標(biāo)造成影響。如果縫隙的直線尺寸小于1/10波長，則機箱屏蔽效果和縫隙的傳輸損耗有關(guān)[8]，傳輸損耗經(jīng)驗公式如下：

A=20lgeπt/g=27.3t/g

(7)

式中，g為縫隙長度；t為機箱金屬板材厚度或縫隙的深度。由式(7)可以得出，通過減小縫隙長度、增加板材厚度和縫隙深度的方法，能夠提高機箱屏蔽能力。

通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)尺寸與需要屏蔽的電磁波頻率有直接關(guān)系。對于給定頻率的電磁波計算出波長，當(dāng)孔徑長度為半波長的整數(shù)倍時，電磁泄漏最大。工程實踐表明，圓形孔屏蔽效果較方形孔好，多孔屏蔽效能近似估算公式如下：

(8)

式中，λ是波長；L是孔徑長度；N是孔數(shù)。對于高頻信號，還需要考慮其一次和二次諧波，較簡單有效的解決辦法是增加孔的深度，減小孔間距，增加孔的數(shù)量。

值得注意的是，電磁屏蔽和散熱往往處于互相矛盾狀態(tài)，因為電子器件的可靠性與其溫度緊密相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計半導(dǎo)體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會降低50%[9]，所以在電磁兼容設(shè)計過程中，還要特別關(guān)注設(shè)備的熱設(shè)計。相控陣?yán)走_陣面冷卻方式涉及到自然冷卻、強迫風(fēng)冷和液體冷卻3種方式[10]，文章中通信設(shè)備采用自然冷卻方式，同時利用陣面風(fēng)道進行風(fēng)冷散熱。

2 實際驗證

雷達陣面通信設(shè)備設(shè)計完成后，按照國軍標(biāo)GJB 151B-2013相關(guān)條款在實驗室環(huán)境下進行測試，測試結(jié)果表明各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。通信設(shè)備加裝雷達陣面后，進行整機狀態(tài)下的指標(biāo)測試，在雷達發(fā)射機不開機情況下，通信設(shè)備工作正常；但在發(fā)射機全開、寬頻段的狀態(tài)下，通信設(shè)備偶爾會出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。經(jīng)仔細排查供電、信號、電纜等因素并確認(rèn)無誤后，最終將故障定位為通信分機局部受到了外部電磁干擾。原因在于通信分機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了進行有效散熱，在機箱局部位置開有一定數(shù)量的通風(fēng)小孔，盡管開孔符合計算指標(biāo)要求，但陣面內(nèi)某頻率射頻信號帶外抑制能力欠佳，泄露出的電磁信號從這些通風(fēng)小孔進入，影響了通信設(shè)備的正常工作。為此，通過對電磁泄漏模塊黏貼吸波材料，在機箱通風(fēng)處加裝對應(yīng)截止頻率的波導(dǎo)通風(fēng)窗等方式，提升了屏蔽效能，解決了電磁干擾問題，保證了設(shè)備的正常工作。

3 結(jié)束語

相控陣?yán)走_陣面通信設(shè)備電磁兼容性設(shè)計是一項復(fù)雜的任務(wù)，需要根據(jù)雷達運行特點設(shè)計電磁兼容方案，分析雷達天線方向圖、射頻發(fā)射頻率、功率和天線前后比，大致計算出雷達陣面后向主波和諧波的電磁干擾強度和方向圖，并結(jié)合通信設(shè)備自身特點和結(jié)構(gòu)安裝位置，綜合考慮電磁兼容性和散熱性。從通信設(shè)備研制和使用過程可以看出，設(shè)計階段的分析和計算十分重要，同時針對后期設(shè)備在使用中出現(xiàn)的電磁兼容問題，分析實際環(huán)境，找出具體原因，并采取合理有效的補救措施，確保設(shè)備穩(wěn)定可靠運行。