復(fù)雜電磁環(huán)境下基準(zhǔn)頻率測量的干擾抑制*

喬道鵬，信朝陽，趙紅慧

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

頻率測量及分析在軍用、民用領(lǐng)域中有著重要戰(zhàn)略地位和重大需求，并隨著通信、雷達(dá)、電子對抗中工作頻率的不斷攀升而面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。被測系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率是系統(tǒng)中的重要觀測量，直接決定著全系統(tǒng)的工作效能和精度，而在狹小的地球空間乃至外太空充斥著越來越多的電磁信號，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下對基準(zhǔn)頻率信號的參數(shù)進(jìn)行測量與分析難度很大。所以，探索在復(fù)雜電磁環(huán)境下基準(zhǔn)頻率測量的干擾抑制具有非常重要的理論意義和實用價值。

對于頻率信號測量已有較多研究[1-7]，而針對復(fù)雜電磁環(huán)境下頻率測量的研究相對較少。本文以被測系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率信號測試結(jié)果失真為背景，重點研究在頻率測量中的電磁兼容性問題。簡要介紹了被測系統(tǒng)產(chǎn)品和測試系統(tǒng)，分析了電磁環(huán)境及影響，給出了抑制電磁干擾的設(shè)計方法、措施和效果，以達(dá)到在復(fù)雜磁環(huán)境條件下準(zhǔn)確測量基準(zhǔn)頻率信號的目的。

1 系統(tǒng)簡介

被測系統(tǒng)產(chǎn)品由多個功能設(shè)備組成，其在貯運箱內(nèi)進(jìn)行貯存、運輸和測試，箱產(chǎn)品通過表面的連接器進(jìn)行功能測試和使用。連接器傳輸?shù)男盘柨倲?shù)達(dá)上百個，高頻信號、低頻信號，電信號、氣路信號在同一連接器傳輸。其中，產(chǎn)品的基準(zhǔn)頻率信號測試通路如圖1所示。傳輸電纜由專用同軸線纜和同軸連接器(或同軸接觸件)等組成，設(shè)備1的基準(zhǔn)頻率信號經(jīng)長距離的傳輸(約20 m)和多次轉(zhuǎn)接，由測試系統(tǒng)的頻率計進(jìn)行測量。

測試系統(tǒng)對被測系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行測試時，要進(jìn)行基準(zhǔn)頻率信號的測試，該信號的測量是由測試系統(tǒng)的測試計算機(jī)、頻率計、測試電纜共同完成，測試系統(tǒng)通過指令使設(shè)備1的基準(zhǔn)頻率測量接口輸出測試信號，信號通過傳輸電纜至頻率計進(jìn)行測量。為完成被測系統(tǒng)產(chǎn)品的全功能測試，測試系統(tǒng)主要包括測試組合設(shè)備和測試軟件2部分，其中，測試組合設(shè)備由測試計算機(jī)、測控組合、供電電源、頻率計等共二十幾種獨立的組合設(shè)備和系統(tǒng)電纜組成，測試軟件安裝在測試計算機(jī)內(nèi)，負(fù)責(zé)控制各測試設(shè)備完成對被測產(chǎn)品的維護(hù)測試功能。測試系統(tǒng)的測試傳遞信息包括測試信息、儀器控制信息和供電信息等，其信息傳遞關(guān)系復(fù)雜，信號電纜縱橫交錯，布置于各設(shè)備之間，交互信號傳輸量巨大。

2 電磁環(huán)境分析

由于被測系統(tǒng)產(chǎn)品和測試系統(tǒng)均具有體制復(fù)雜、設(shè)備多、集成密度高、信號類型多且數(shù)量巨大等特點，因此，基準(zhǔn)頻率測量通道處于復(fù)雜的電磁環(huán)境條件下。該復(fù)雜電磁環(huán)境主要是以下干擾同時存在的電磁環(huán)境，包括：被測系統(tǒng)的自擾，測試系統(tǒng)的互擾，外界電磁環(huán)境[8]。

2.1 被測系統(tǒng)的自擾

被測系統(tǒng)產(chǎn)品由控制系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等組成。其系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，電子設(shè)備種類繁多，信號傳輸類型多且數(shù)量巨大，存在系統(tǒng)內(nèi)的潛在干擾。其中，基準(zhǔn)頻率測量信號與其他各型信號在同一束電纜中，多種類型、數(shù)量眾多的高、低頻信號在同一線束中平行、長距離的傳輸，多處轉(zhuǎn)接連接器處均存在上百根裸露光線，因此，存在可能的線間耦合干擾，低頻時主要是導(dǎo)線間的電容耦合，在高頻時則是輻射耦合[9]?；鶞?zhǔn)頻率通道采用專用的同軸電纜和高頻轉(zhuǎn)接頭，但是由于信號長距離傳輸帶來的插入損耗，線纜的屏蔽效能、工藝處理差異等方面的因素，使得耦合干擾信號不可避免地會泄露到基準(zhǔn)頻率測量信號線上，帶來系統(tǒng)自擾。

2.2 測試系統(tǒng)的互擾

測試系統(tǒng)由測試計算機(jī)、電源、測控組合等共二十幾種獨立的設(shè)備組成，各設(shè)備分布于機(jī)柜內(nèi)，設(shè)備間的信號傳輸電纜在機(jī)柜后部互聯(lián)，傳遞信息包括測試信息、儀器控制信息和供電信息等。其信息傳遞關(guān)系復(fù)雜，信號電纜縱橫交錯，布置于各設(shè)備之間，交互信號傳輸量巨大。測試設(shè)備在工作時，不同的測試設(shè)備自身，信號傳輸電纜等，均會不同程度地向空間輻射電磁干擾信號，基準(zhǔn)頻率測量電纜與測試系統(tǒng)設(shè)備和系統(tǒng)信號共存于測試方艙內(nèi)，測試系統(tǒng)的干擾不可避免地會對基準(zhǔn)頻率測量信號產(chǎn)生影響。

2.3 外界電磁環(huán)境

系統(tǒng)組成中其他的系統(tǒng)設(shè)備，在一定的空域、時域、頻域上，電磁信號綜合交叉、連續(xù)交錯、密集重疊，功率分布參差不齊，向空間產(chǎn)生電磁輻射信號，電磁環(huán)境污染嚴(yán)重[10-12]。

其次，系統(tǒng)外的大功率用電設(shè)備的啟停、運行和高頻設(shè)備的使用等，均會產(chǎn)生空間電磁干擾信號及對地線產(chǎn)生不同程度的干擾。

3 電磁環(huán)境影響

相對于受影響的對象而言，復(fù)雜電磁環(huán)境是個相對的概念，有些電磁環(huán)境能產(chǎn)生影響，有些電磁環(huán)境的影響并不明顯。電磁環(huán)境影響是指電磁環(huán)境對裝備、系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺的影響，主要為電磁兼容和電磁干擾問題，從解決裝備環(huán)境適應(yīng)性問題看，電磁環(huán)境影響問題就是復(fù)雜電磁環(huán)境問題。干擾信號是對信息獲取、信息傳輸、信息利用產(chǎn)生不利影響的信號，復(fù)雜電磁環(huán)境具有不確定性，當(dāng)干擾信號強(qiáng)度達(dá)到一定的閾值時，基準(zhǔn)頻率測量結(jié)果會超出標(biāo)準(zhǔn)。

圖2給出了某一時段，基準(zhǔn)頻率測量通道0～160 MHz頻譜信號曲線。此時，在測量通道的低頻段存在與被測頻率信號增益相當(dāng)?shù)母蓴_信號。圖3給出了此時頻率計的測試結(jié)果為79.947 552 MHz(標(biāo)準(zhǔn)解為80 MHz±200 Hz)，復(fù)雜電磁環(huán)境產(chǎn)生的影響為測試結(jié)果失真。

圖2 復(fù)雜電磁環(huán)境條件基準(zhǔn)頻率測量通道頻譜圖Fig.2 Spectrogram of reference frequency measurement channel in complex electromagnetic environment

圖3 復(fù)雜電磁環(huán)境條件下頻率計測試圖Fig.3 Test chart of frequency counters in complex electromagnetic environment

4 干擾抑制方法

基于以上對復(fù)雜電磁環(huán)境和影響的分析，從被測系統(tǒng)的自擾、測試系統(tǒng)的互擾、敏感對象和外界電磁環(huán)境等方面進(jìn)行分析，給出干擾抑制方法[13-14]、措施和效果。

(1) 對被測系統(tǒng)的自擾，可采取的措施為：對易產(chǎn)生電磁干擾的高頻信號，選用屏蔽性能良好的雙絞屏蔽線，雙絞與屏蔽相結(jié)合，在傳輸高速率的數(shù)據(jù)信號時表現(xiàn)非常穩(wěn)定，可將輻射噪聲和感應(yīng)干擾降到最小值。為保持雙絞的連續(xù)性，可采用雙絞形式入焊杯的工藝方式；為保證屏蔽層的連續(xù)，可選用差分連接器，使導(dǎo)線屏蔽層與接觸件屏蔽層在360°內(nèi)搭接。導(dǎo)線的外面可包一層金屬防波套，制作成屏蔽電纜[15]。針對高頻電磁場的影響，在屏蔽線和金屬防波套的兩端都進(jìn)行接地。這些措施對減少干擾能起到很好的效果，提高了系統(tǒng)的電磁兼容性。

(2) 對測試系統(tǒng)的互擾，可采取的措施為：針對設(shè)備和電纜屏蔽不連續(xù)點采取措施，如各種孔洞和縫隙，孔洞包括通風(fēng)口、顯示口、觀察口、調(diào)節(jié)器件的開口，縫隙主要指構(gòu)成屏蔽體不同部分間的接縫。采用對外屏蔽的機(jī)箱防止組合設(shè)備內(nèi)部的電子元器件和信號產(chǎn)生的輻射，結(jié)構(gòu)邊縫全部帶有導(dǎo)電密封條，在液晶顯示屏表面裝屏蔽膜，并嚴(yán)格控制開孔和縫隙數(shù)目和尺寸。為防止屏蔽層產(chǎn)生孔縫泄露，在導(dǎo)線與圓形連接器的焊接處用尾部附件包裹起來，防波套均勻包裹住尾部附件，因為尾部附件是一個圓柱形的金屬殼體，其作用就相當(dāng)于是一個導(dǎo)體防護(hù)罩，再與金屬防波套連接起來，為感應(yīng)電流提供返回路徑，防止耦合到信號中，同時也限制信號中的輻射電流，防止產(chǎn)生外部電磁場。圓形連接器通過設(shè)備機(jī)箱的外殼與地連接，這樣屏蔽電纜的屏蔽層就實現(xiàn)了接地，起到了屏蔽作用。對測試系統(tǒng)而言，還采取了其他有效方法，如：每個組合設(shè)備的外殼都采取接地處理；布置電纜時，將電源電纜與信號電纜分開布置等，這些措施對減少互擾起到了很好的效果，提高了系統(tǒng)的電磁兼容性[16]。

(3) 對敏感對象和干擾耦合途徑分析，可采取的措施為：在條件允許時，易受干擾的敏感對象要盡可能遠(yuǎn)離其他信號，盡可能得到最大的空間隔離度。優(yōu)先選用阻抗特性穩(wěn)定，屏蔽性能良好，插入損耗小的同軸連接器和同軸線纜，減少信號在材料和器件上傳輸時的能量損耗和提高抗干擾能力。在同軸電纜的制作時，尤其要保證同軸線纜與同軸連接器外殼壓接處理時的360°內(nèi)搭接，保證屏蔽層的連續(xù)，防止屏蔽層孔縫導(dǎo)致的電磁泄露。

(4) 對外界的電磁環(huán)境和地線干擾，可采取的措施為：保證廠房的接地電阻良好，系統(tǒng)和各組合設(shè)備可靠接地，禁止無關(guān)的大功率和高頻設(shè)備工作等。

5 干擾抑制效果驗證

在復(fù)雜電磁環(huán)境條件下，對上述的干擾抑制方法和保證措施進(jìn)行落實和確認(rèn)后，基準(zhǔn)頻率測量線上的頻譜如圖4所示。雖然干擾信號未完全消除，但是干擾強(qiáng)度大大降低，不會對基準(zhǔn)頻率信號的準(zhǔn)確測量產(chǎn)生影響。圖5給出了此時頻率計的測試結(jié)果為79.999 962 MHz(標(biāo)準(zhǔn)解為80 MHz±200 Hz)，頻率計測試結(jié)果正常?？芍?，采用上述的干擾抑制方法及措施，保證了復(fù)雜電磁環(huán)境條件下基準(zhǔn)頻率信號的準(zhǔn)確測量。

圖4 采取干擾抑制措施后的頻譜圖Fig.4 Spectrogram after taking interference suppression measures

圖5 采取干擾抑制措施后的頻率計測試圖Fig.5 Test chart of frequency counters after taking interference suppression measures

6 結(jié)束語

復(fù)雜電磁環(huán)境條件下基準(zhǔn)頻率信號測量的干擾抑制問題，是在工程實踐中遇到的實際問題。本文以被測系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率信號測試結(jié)果失真為背景，以抑制測量通道外的干擾為目的，對系統(tǒng)的復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行分析，給出了不同的干擾類型，通過在設(shè)計、接地、工藝和空間隔離等方面采取措施，實現(xiàn)了基準(zhǔn)頻率信號的準(zhǔn)確測量。在工程實踐中，可根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的方法和措施，即可在不同程度上對干擾進(jìn)行抑制。本文提出的設(shè)計思想也為解決其他電磁干擾問題提供了借鑒。