目標(biāo)端空空通信機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳瑞龍，陳 新，黃 波，洪 亮，李林瞳

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

隨著航天器上電子設(shè)備和載荷向小型化、集成化、功能復(fù)雜化方向發(fā)展，且航天器上一般有多個(gè)用于遙控遙測(cè)、通信與導(dǎo)航定位的無(wú)線發(fā)射和接收設(shè)備，使得無(wú)線電頻譜日益擁擠，航天器電子設(shè)備的電磁兼容要求日益增加，電磁兼容技術(shù)日漸成為保障航天任務(wù)成功執(zhí)行的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

本文研究的目標(biāo)端空空通信機(jī)相比追蹤端空空通信機(jī)具有大功率模式下發(fā)射功率大、可數(shù)控發(fā)射功率范圍大的特點(diǎn)，相比有飛行經(jīng)歷的目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射信號(hào)帶外抑制要求更高，新增了收/發(fā)通道可切換空空前置放大器通道等功能。同時(shí)，目標(biāo)端空空通信機(jī)在工作頻段附近用頻設(shè)備較多，工作頻段頻譜高度密集，在設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足自身電磁兼容性，又要滿足互兼容要求，增加了電磁兼容設(shè)計(jì)的難度。本文基于電磁兼容基本理論，采用數(shù)值分析和仿真計(jì)算的方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期指導(dǎo)產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自兼容和互兼容要求，避免了產(chǎn)品在設(shè)計(jì)完成后發(fā)現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題再進(jìn)行整改的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了研制周期，節(jié)約了成本。

1 目標(biāo)端空空通信機(jī)工作原理

目標(biāo)端空空通信機(jī)位于目標(biāo)飛行器中，承擔(dān)交會(huì)對(duì)接段以及撤離段飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)以及控制等數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)[2-3]。目標(biāo)端空空通信機(jī)從空空通信天線或空空前置放大器選擇一路射頻接收信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻和解調(diào)，并將解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)送至空空通信接口；同時(shí)接收空空通信接口送來(lái)的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并將已調(diào)制的信號(hào)選擇由空空通信機(jī)功放組件放大后經(jīng)空空通信天線發(fā)送出去或選擇由空空前置放大器功放組件放大后經(jīng)空空支架天線發(fā)送出去。目標(biāo)端空空通信機(jī)主要由發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字處理模塊、電源模塊及雙工器等組成，原理框圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)端空空通信機(jī)原理Fig.1 Functional block diagram of the space to space communication equipment on the target spacecraft

2 電磁兼容要求分析

目標(biāo)端空空通信機(jī)不僅要實(shí)現(xiàn)防止內(nèi)部信號(hào)串?dāng)_的“自兼容性”，還需要實(shí)現(xiàn)抵抗產(chǎn)品間相互串?dāng)_的“互兼容性”，并能夠按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能，抵御一定程度的電磁干擾[4-5]，最終通過(guò)GJB151B-2013、型號(hào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建造規(guī)范要求的相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目。按照要求，目標(biāo)端空空通信機(jī)需要進(jìn)行RE102，CE102，RS103，CS101，CS114，CS115，CS116，ESD及CE106共9項(xiàng)電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目。含有射頻類收發(fā)信機(jī)的設(shè)備電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目中一般CE102，CE106及RE102等測(cè)試項(xiàng)目容易超差，目標(biāo)端空空通信機(jī)的電源設(shè)計(jì)中采用電源保護(hù)、抗浪涌電流、電源濾波和二次穩(wěn)壓電路，可有效抑制電源線傳導(dǎo)發(fā)射。在電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮目標(biāo)端空空通信機(jī)的內(nèi)部“自兼容性”、電性能指標(biāo)的滿足情況、電磁兼容測(cè)試中RE102和CE106項(xiàng)目。

考慮到目標(biāo)飛行器與追蹤飛行器在進(jìn)行交會(huì)對(duì)接時(shí)，相對(duì)距離由遠(yuǎn)及近變化引起的場(chǎng)強(qiáng)變化非常大，需采取功率控制措施防止2個(gè)飛行器在距離較近時(shí)接收機(jī)飽和而無(wú)法正常解調(diào)。目標(biāo)端空空通信機(jī)在不同通信模式下對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率要求如表1所示。

表1 目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射功率要求

Tab.1 The space to space communication equipment transmission power requirements

目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射功率大，且在發(fā)射頻率附近用頻設(shè)備較多，在限定整機(jī)功耗的情況下對(duì)BPSK調(diào)制的發(fā)射信號(hào)帶外抑制提出了第2旁瓣范圍帶外抑制大于45 dBc，在第3旁瓣范圍帶外抑制大于55 dBc，發(fā)射功率及帶外抑制需要在高低溫和熱真空等環(huán)境下均滿足要求，對(duì)電磁兼容設(shè)計(jì)提出了較高要求。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)方法

目標(biāo)端空空通信機(jī)內(nèi)部包含了多個(gè)功能模塊，高頻與低頻、大信號(hào)與小信號(hào)、數(shù)字電路與模擬電路共存于一個(gè)單機(jī)中，內(nèi)部存在嚴(yán)重的電磁干擾，因此需要對(duì)各功能模塊及器件合理布局，通過(guò)接地、屏蔽和濾波技術(shù)來(lái)提高抗干擾門限并降低對(duì)其他產(chǎn)品的干擾[6-7]。根據(jù)目標(biāo)端空空通信機(jī)的特點(diǎn)，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腔體效應(yīng)、布局布線及帶外抑制等方面分析電磁兼容設(shè)計(jì)方法和具體措施。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目標(biāo)端空空通信機(jī)內(nèi)部信號(hào)類型多且特性復(fù)雜，包括數(shù)字、射頻、遙測(cè)、遙控及供電等信號(hào)。為了防止各模塊及信號(hào)間的干擾，目標(biāo)端空空通信機(jī)采用如圖2所示的模塊式疊層結(jié)構(gòu)。在保證射頻模塊正常工作的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮收發(fā)通道的隔離度和模塊間電磁兼容問(wèn)題，射頻模塊在結(jié)構(gòu)上各單元獨(dú)立處理，接收通道和發(fā)射通道都設(shè)計(jì)有單獨(dú)的本振單元以防止信號(hào)間的串?dāng)_，收發(fā)通道的射頻信號(hào)進(jìn)行了帶外濾波設(shè)計(jì)。射頻模塊在結(jié)構(gòu)上發(fā)射通道和接收通道布于不同盒體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)通道間的物理隔離[8-9]。

圖2 目標(biāo)端空空通信機(jī)構(gòu)型Fig.2 Diagram of the space to space communication equipment structure

電磁場(chǎng)能夠從結(jié)構(gòu)件的縫隙中泄漏出去，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減少屏蔽體的縫隙數(shù)量，減小縫隙的寬度和長(zhǎng)度。在蓋板與結(jié)構(gòu)殼體貼合處加縫隙臺(tái)階，殼體與蓋板通過(guò)螺釘緊固。當(dāng)結(jié)構(gòu)的孔縫尺寸等于半波長(zhǎng)整數(shù)倍的情況下電磁泄露最大，在設(shè)計(jì)螺釘?shù)拈g距時(shí)要避開這一尺寸。目標(biāo)端空空通信機(jī)對(duì)射頻電路采用分蓋結(jié)構(gòu)使各單元獨(dú)立屏蔽，每一功能單元在一個(gè)屏蔽盒內(nèi)，對(duì)于大功率模塊功放組件采用雙層蓋板屏蔽來(lái)減小縫隙輻射。一些控制和電源線腔體之間的連接通過(guò)穿心電容來(lái)完成，以抑制電磁干擾。

3.2 腔體效應(yīng)

3.2.1 腔體效應(yīng)分析

射頻功率的傳輸通過(guò)腔體濾波器和微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)，微帶電路封裝在金屬腔體內(nèi)以保護(hù)電路性能并實(shí)現(xiàn)電路穩(wěn)定性。當(dāng)腔體的長(zhǎng)、寬和高滿足腔體諧振對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)影響信號(hào)的正常傳輸，發(fā)生腔體效應(yīng)[10]。因此，在設(shè)計(jì)目標(biāo)端空空通信機(jī)腔體時(shí)要避免腔體在工作頻率范圍內(nèi)諧振而出現(xiàn)放大器自激或衰減尖峰的情況。

如果有一個(gè)理想矩形腔體的長(zhǎng)、寬、高分別為d，a，b，并且滿足d>a>b，則腔體的諧振頻率可表示為：

(1)

對(duì)于TEmnl模(m，n為0，1，2，…；l=1，2，3，…)，TMmnl模(m，n為1，2，…；l=0，1，2，3，…)。一個(gè)給定的腔體根據(jù)式(1)可得到多個(gè)諧振頻率，在設(shè)計(jì)腔體時(shí)應(yīng)使腔體的諧振頻率遠(yuǎn)離產(chǎn)品的工作頻率。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，腔體通常為不規(guī)則形狀，而且腔體中還有介質(zhì)基板以及各種元器件，這些都將使腔體的場(chǎng)分布與理想腔體不同。在設(shè)計(jì)時(shí)先用根據(jù)公式估算的諧振頻率，如果諧振頻率接近工作頻率，利用電磁仿真軟件對(duì)腔體的諧振頻率進(jìn)行仿真計(jì)算，預(yù)測(cè)腔體的諧振頻率。如果在工作頻率附近可能發(fā)生腔體效應(yīng)時(shí)，可采取改變腔體的尺寸或增加“隔墻”等方法。當(dāng)不適合改變腔體結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)避免工作頻率附近出現(xiàn)腔體效應(yīng)時(shí)，可通過(guò)貼吸收材料改變電磁場(chǎng)分布來(lái)避免腔體效應(yīng)。

3.2.2 腔體設(shè)計(jì)仿真

目標(biāo)端空空通信機(jī)的腔體設(shè)計(jì)大部分可根據(jù)式(1)進(jìn)行分析，但發(fā)射模塊中的數(shù)控衰減電路是控制功放組件輸入激勵(lì)信號(hào)大小的模塊，發(fā)射功率動(dòng)態(tài)要求為35 dB，如果存在腔體效應(yīng)或信號(hào)串?dāng)_都將影響表1中不同模式下的發(fā)射功率大小指標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)使用基于頻域有限元算法的電磁場(chǎng)求解軟件對(duì)發(fā)射數(shù)控模塊進(jìn)行建模仿真[11]。發(fā)射數(shù)控模塊主要由放大器、數(shù)控衰減器和隔離器組成，對(duì)電路及腔體建模如圖3所示。

圖3 發(fā)射數(shù)控模塊仿真模型Fig.3 Simulation model of the transmitter control module

通過(guò)仿真計(jì)算優(yōu)化腔體隔腔及印制板布線，使發(fā)射數(shù)控模塊腔體在電路工作頻率附近無(wú)諧振點(diǎn)，信號(hào)線間無(wú)串?dāng)_。

3.3 布線布局

3.3.1 布線布局設(shè)計(jì)分析

目標(biāo)端空空通信機(jī)中在設(shè)計(jì)時(shí)射頻電路與數(shù)字電路分開，一些敏感射頻電路設(shè)計(jì)在獨(dú)立的腔體內(nèi)，同時(shí)將數(shù)字電路及射頻電路設(shè)計(jì)在不同分層模塊中，以降低各模塊間的影響。在布線時(shí)模擬電路大信號(hào)與小信號(hào)分開，前后不形成回路，選用合適的濾波器抑制電磁干擾，從而提高電路承受電磁干擾的門限。

射頻模塊中，傳輸線在腔體或器件互聯(lián)等位置不可避免地會(huì)出現(xiàn)拐角、寬度突變和過(guò)孔等阻抗不連續(xù)現(xiàn)象。傳輸線的阻抗不連續(xù)性不僅能引起信號(hào)的反射，還能激勵(lì)信號(hào)的高次模，產(chǎn)生電磁輻射問(wèn)題，影響電路的正常工作。為了消除射頻電路中傳輸線阻抗的不連續(xù)性，通常在傳輸線拐角處采用切角或圓角走線的方法進(jìn)行走線。對(duì)于走線由于器件封裝引起的不連續(xù)，可用漸變線等方式來(lái)減小阻抗不連續(xù)的影響[12-13]。

3.3.2 布局布線設(shè)計(jì)仿真

目標(biāo)端空空通信機(jī)的發(fā)射本振模塊為調(diào)制模塊提供本振信號(hào)，發(fā)射本振模塊輸出信號(hào)需與下級(jí)電路良好匹配，以減少輸出端信號(hào)反射造成的發(fā)射相位不平衡指標(biāo)的惡化，發(fā)射本振模塊主要由晶振、鎖相環(huán)電路及CRO組成[14-15]。根據(jù)電路仿真優(yōu)化傳輸線線寬和器件布局，使發(fā)射本振模塊能夠在輸出端形成良好匹配，仿真模型如圖4所示。

圖4 發(fā)射本振模塊仿真模型Fig.4 Simulation model of the transmitter local oscillator module

3.4 帶外抑制

為了使目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射的帶外信號(hào)、諧波信號(hào)和雜波信號(hào)不對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，不但要滿足電性能指標(biāo)中對(duì)帶外抑制提出的要求，還要滿足電磁兼容測(cè)試中CE106項(xiàng)目的要求。因此，目標(biāo)端空空通信機(jī)的帶外抑制主要有旁瓣抑制、諧波抑制及雜波抑制。

目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射功率可切換，根據(jù)電磁兼容CE106測(cè)試項(xiàng)目要求，應(yīng)選擇產(chǎn)生最惡劣發(fā)射頻譜的參數(shù)。因此，在大功率發(fā)射狀態(tài)下應(yīng)滿足二次和三次諧波應(yīng)抑制50+10lgP(P為基波峰值輸出功率)，即60 dB。二次和三次諧波以外的所有諧波和雜波均應(yīng)抑制大于80 dB。

旁瓣抑制及諧波抑制指標(biāo)與功放的線性度及功放輸入信號(hào)質(zhì)量有很大關(guān)系，功放工作時(shí)要求放大器盡量處于線性工作狀態(tài)。功放組件的諧波抑制能夠大于45 dB，發(fā)射輸出的雙工器對(duì)諧波也有抑制，綜合計(jì)算能夠滿足對(duì)二次和三次諧波抑制大于62 dB。功放輸入級(jí)有旁瓣抑制濾波器，能夠?qū)斎胄盘?hào)約7 MHz的射頻信號(hào)帶寬進(jìn)行旁瓣抑制。為了使旁瓣抑制濾波器性能在高低溫下具有較好的一致性，本設(shè)計(jì)采用低膨脹合金材料加工腔體濾波器，濾波器的幅頻特性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示，能夠?qū)斎胄盘?hào)的旁瓣有較好的抑制。

圖5 濾波器幅頻特性實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 The measured results of amplitude-frequency characteristic of the filer

目標(biāo)端空空通信機(jī)在雜波抑制設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下4個(gè)方面：① 由電源部分的DC-DC變換開關(guān)頻率產(chǎn)生的雜波，目標(biāo)端空空通信機(jī)對(duì)二次電源輸出設(shè)計(jì)有EMI濾波電路，敏感電路的供電經(jīng)穩(wěn)壓器進(jìn)行隔離，能夠有效抑制電源產(chǎn)生的雜波進(jìn)入發(fā)射模塊輸出；② 放大器如果自激將產(chǎn)生雜波，在功率放大器的輸入、輸出端均有隔離器，能夠有效防止增益過(guò)高而引起的自激，對(duì)電路進(jìn)行合理的隔腔和阻抗匹配，使電路的穩(wěn)定系數(shù)K>1，從而保證射頻鏈路無(wú)條件穩(wěn)定；③ 發(fā)射鏈路頻率流程中的諧波及互調(diào)分量產(chǎn)生的雜波，目標(biāo)端空空通信機(jī)對(duì)可能影響發(fā)射雜波的電路均設(shè)計(jì)了濾波器電路，能有效抑制此部分雜波；④ 時(shí)鐘電路產(chǎn)生的各種頻率分量，對(duì)其進(jìn)行隔離及濾波[16-18]。最終目標(biāo)端空空通信機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)雜波抑制大于80 dB的指標(biāo)要求。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證分析

目標(biāo)端空空通信機(jī)通過(guò)了產(chǎn)品要求的所有相關(guān)鑒定級(jí)試驗(yàn)及電磁兼容試驗(yàn)。產(chǎn)品在試驗(yàn)過(guò)程中性能指標(biāo)滿足要求，試驗(yàn)前及試驗(yàn)后全部功能性能均正常。目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射狀態(tài)CE106測(cè)試結(jié)果中二次諧波抑制比規(guī)定限值有40 dB的余量，3次諧波抑制比規(guī)定限值僅有7 dB的余量，三次諧波抑制余量較小是由于在雙工器中存在寄生通帶的影響，如需對(duì)三次諧波進(jìn)一步抑制可在設(shè)計(jì)時(shí)增大雙工器對(duì)三次諧波的抑制。

5 結(jié)束語(yǔ)

目標(biāo)端空空通信機(jī)包含大功率發(fā)射機(jī)和高靈敏度接收機(jī)，且所處的電磁環(huán)境異常復(fù)雜，單機(jī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)非常重要。本文在分析了目標(biāo)端空空通信機(jī)的電磁兼容試驗(yàn)要求、單機(jī)原理和電磁兼容設(shè)計(jì)相關(guān)電性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)端空空通信機(jī)的特點(diǎn)，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腔體效應(yīng)、布線布局和帶外抑制等方面進(jìn)行了理論分析及數(shù)值仿真計(jì)算，利用分析結(jié)果指導(dǎo)了相關(guān)電磁兼容性設(shè)計(jì)。最終目標(biāo)端空空通信機(jī)的電性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)了電磁兼容試驗(yàn)及型號(hào)鑒定級(jí)試驗(yàn)，驗(yàn)證了電磁兼容設(shè)計(jì)方法可靠有效。本文采用的設(shè)計(jì)方法對(duì)通信機(jī)類產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)有一定的參考作用。