電磁兼容性設(shè)計方法及其在多天線系統(tǒng)設(shè)計中的應用

陳林輝

摘要：機載任務(wù)電子系統(tǒng)中，往往在狹小空間中集成大量電子設(shè)備，且天線林立，因此電磁兼容性問題異常突出。相比以往設(shè)計后期的電磁兼容整改，在總體方案初期進行電磁兼容設(shè)計具有經(jīng)濟高效的優(yōu)點。本文介紹了機載電子設(shè)備中電磁兼容性分析方法，運用自頂向下電磁兼容預測方法，對機載多天線系統(tǒng)進行電磁兼容性分析，提出總體設(shè)計方案。

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

中圖分類號：TN820；TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0150-02

在機載任務(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、偵察、干擾、通信及導航等功能的電子設(shè)備，不僅天線眾多且工作頻率相互交迭、發(fā)射功率大且接收機靈敏度高，使得電磁兼容問題異常棘手，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)計初期及早鑒別電磁干擾隱患，采取電磁兼容性設(shè)計措施規(guī)避電磁兼容風險，可以大大節(jié)省全周期開發(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)是一些準則或者理論討論方面的文章，本文嘗試在實踐中運用“自頂而下”的思想，基于電磁兼容性預評估，提出了行之有效的機載多天線系統(tǒng)電磁兼容性總體設(shè)計方案。

1 電磁兼容性分析方法

在進行電子設(shè)備電磁兼容分析時首先需對電磁兼容問題進行一定的預測，即依據(jù)產(chǎn)品中各設(shè)備布局、數(shù)量、功能設(shè)計建立干擾源模型、傳輸模型和易感器件模型，通過數(shù)值計算等手段對產(chǎn)品的電磁兼容性進行預評估，根據(jù)評估結(jié)果對產(chǎn)品的功能指標、布局等進行重新量化和分配，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)隔離問題，并最終解決各電子設(shè)備之間的相互干擾問題[1]。

在分析設(shè)備間電磁干擾時，首先要考慮設(shè)備所在空域有無外來輻射干擾；其次再分析設(shè)備之間的相互干擾，在機載多天線系統(tǒng)中最大的相互干擾來自于天線發(fā)射時電磁波輻射，另外在設(shè)備間有無公用電源、有無公共接地平面及是否通過設(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、傳導路徑及易感電路。

在電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計實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、工藝控制、天線配置、頻率管理等，其中屏蔽、接地、濾波、布局布線是最為常用的干擾抑制手段[2]。完整的電磁兼容設(shè)計流程閉環(huán)圖如圖1所示，對于復雜的電磁兼容問題可能還需要多次這樣反復的過程[1]。

2 機載多天線系統(tǒng)電磁兼容影響分析

機載任務(wù)電子系統(tǒng)往往天線眾多，且相互間空間隔離有限。電磁環(huán)境的復雜性體現(xiàn)在：在空域上縱橫交錯、在時域上持續(xù)不斷、在頻域上密集交疊、在效能上隨機多變。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干擾和輻射干擾兩大類。傳導干擾沿著導體傳播，包括傳輸線間的相互耦合、接地傳導干擾和電源傳導干擾等。輻射干擾是通過電子設(shè)備發(fā)射天線的輻射外場和其他設(shè)備的天線、電纜及機箱孔縫之間的耦合等造成的干擾。預測分析方程是電磁兼容度預測定量預測的理論基礎(chǔ)，電磁干擾裕度（M）表征了接收機接收到來自外部干擾信號功率PR后能否正常工作，其大小反應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)射機功率，SR為易感器件敏感度閾值，TRS為由干擾發(fā)射機到受干擾接受機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、通信、電子偵察等多種設(shè)備，在特定時間段內(nèi)分時、同時或集中使用。從頻段劃分和工作時段兩個方面，根據(jù)電子任務(wù)系統(tǒng)的功能和工作模式，對這些設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)復雜的電磁環(huán)境空間進行分析如圖2、表1所示。

具體來說，機載多天線任務(wù)系統(tǒng)本系統(tǒng)存在的外界輻射干擾主要來自同頻段同時工作的天線之間耦合干擾，以及發(fā)射天線對同時工作接收天線的諧波干擾。例如，不僅是工作頻段有重疊的天線2和天線1、天線3、天線5之間存在干擾，天線4的諧波也會對天線2、天線5產(chǎn)生影響。運用FECO軟件建立天線模型，對天線之間的電磁干擾裕度進行分析，則天線外界輻射功率如表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)部頻點組合干擾、高低功率共存干擾及數(shù)模混合干擾等方面。

3 電磁兼容性設(shè)計

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)的多個通道接收到干擾信號功率。如果干擾的信號足夠大，那么首先造成的就是每個接收通道限幅低噪放的燒毀，造成接收通道永久性失效，也就是目標系統(tǒng)的失效；如果能量只是達到接收機線性動態(tài)的飽和狀態(tài)，那么會造成接收機的暫時性制盲，子系統(tǒng)就不能進行正常的檢測工作；如果干擾信號的量級更小，但仍在接收機的線性動態(tài)檢測區(qū)間，則會造成接收通道的噪聲系數(shù)變大，影響到目標的檢測效果，這時對相鄰系統(tǒng)會因為波束形成情況的不同產(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)計中引入綜合射頻前端的概念，將多個任務(wù)電子系統(tǒng)的射頻前端盡可能多的共用，實現(xiàn)簡化系統(tǒng)組成、共用系統(tǒng)平臺，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)整天線布局。將相互干擾嚴重的天線擬移至使相互背對，加大物理距離，增加物理隔離度。endprint

（3）通過濾波抑制。濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波器可以顯著減小干擾電平，因為干擾頻譜成份不等于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號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)計中，通過濾波抑制電磁干擾主要體現(xiàn)在如下方面：

①在同頻段天線接收機輸入端加裝雙工器。通過在同頻段天線接收機輸入端加裝雙工器，優(yōu)化雙工器指標，提高同頻段天線接收通道抑制帶外干擾的能力。在設(shè)計雙工器時加裝濾波器，確保抑制度滿足要求。

②在同頻段天線發(fā)射模塊輸出端加裝濾波器?？紤]到天線工作時。按照常規(guī)設(shè)計水平考慮，其二次諧波會影響到其他雷達天線正常接收。本著最小化設(shè)計的原則，通過在該天線發(fā)射模塊輸出端加裝濾波器，對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，光纖傳輸線間的隔離可大于100dB，高于常規(guī)傳輸線纜間60～70dB的隔離度，能夠很好的消除信號間干擾。另一方面，借助波分復用技術(shù)，光纖可以實現(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，為避免大功率信號對數(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)模塊與信號處理、波控系統(tǒng)均采用光纖進行數(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，結(jié)合多方面因素進行優(yōu)選。一方面從方便濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)這一角度進行；另一方面考慮混頻器中參與混頻的兩個信號之間的交調(diào)、干擾信號與本振之間的交調(diào)對射頻和中頻的影響。

此外，采用開關(guān)濾波器對工作頻段進行劃分，規(guī)避寬頻段帶來的頻點組合干擾；通過合理分配收發(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。屏蔽是對兩個空間區(qū)域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應和輻射。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，防止干擾電磁場向外擴散；使用屏蔽體將接收電路、設(shè)備等包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。

（3）合理布局布線。從各電子系統(tǒng)在機載平臺內(nèi)的走線設(shè)計；到收發(fā)組件的安裝位置、結(jié)構(gòu)形式及其信號線、電源線、控制線的走線布線方法；再到組件內(nèi)部各電路模塊的布局、安裝及連線等進行合理布置[4]。

（4）做好數(shù)/模電路隔離。對于數(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”的形式進行抑制。

（5）做好信號地、功率地和安全地的隔離[5]。

4 結(jié)語

造成電磁干擾的原因非常復雜，電磁兼容性分析也是一門綜合和實踐性極強的學科，要求工程技術(shù)人員應較全面地掌握電磁兼容技術(shù)，對上至設(shè)備所在環(huán)境下至電路布線、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，對機載多天線系統(tǒng)進行電磁兼容性總體分析。

參考文獻

[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].宇航計測技術(shù)，2007（s1）：34～38.

[2]郭燕.飛機加載電子裝備時的電磁兼容分析[J].火控雷達技術(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[J]. 光電技術(shù)應用，2011（3）：61～64.

[4]董彥濤.電子設(shè)備電纜布線的電磁兼容設(shè)計[J].聲學與電子工程，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].測控技術(shù)，2012（31）：112～114.endprint