相控陣?yán)走_(dá)陣面通信設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)

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(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，有源相控陣?yán)走_(dá)已經(jīng)成為重點(diǎn)研究對(duì)象[1]。目前，有源相控陣?yán)走_(dá)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(jì)復(fù)雜[2]。在有限的空間內(nèi)，大型相控陣?yán)走_(dá)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(cuò)重疊等特點(diǎn)，其內(nèi)部電磁環(huán)境十分惡劣。因此，對(duì)于雷達(dá)陣面通信設(shè)備來說，在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格考慮電磁兼容問題，從源頭對(duì)電磁兼容性進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，降低和減少電磁干擾對(duì)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(shí)也不會(huì)對(duì)周圍的其他設(shè)備造成干擾。

1 電磁兼容設(shè)計(jì)

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(jì)要求運(yùn)行，對(duì)其運(yùn)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(jì)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(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定工作。

電磁干擾的形成必須同時(shí)具備3個(gè)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(duì)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(duì)設(shè)備造成的影響程度；G(ω)代表電磁干擾的強(qiáng)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(jì)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(jì)中，3種方式要根據(jù)實(shí)際情況組合使用，以實(shí)現(xiàn)電磁干擾最大程度的降低。

雷達(dá)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(jì)需要遵循電磁干擾三要素原則，對(duì)三要素進(jìn)行識(shí)別。依據(jù)電磁兼容性分析三要素，建立此3個(gè)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(cè)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_(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬波導(dǎo)和同軸射頻電纜的特點(diǎn)，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_(dá)陣面通信設(shè)備基本原理如圖1所示。雷達(dá)陣面集成20個(gè)數(shù)字陣列模塊(DAM)，每個(gè)DAM包含16套射頻T/R單元。這些DAM一方面與雷達(dá)天線相連，進(jìn)行射頻信號(hào)的收發(fā)；另一方面利用通信設(shè)備將接收到的I/Q信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后從天線傳輸至電子方艙進(jìn)行下一步處理。DAM輸出中心波長(zhǎng)為850 nm的光信號(hào)，限于光滑環(huán)技術(shù)以及成本，通信設(shè)備設(shè)計(jì)中采用光密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)：將雷達(dá)陣面波長(zhǎng)為850 nm的光信號(hào)分別送入波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(OTU)，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換后的80路光信號(hào)進(jìn)行光波分復(fù)用(OMU)。復(fù)接后的光信號(hào)送入光纖放大器進(jìn)行光功率放大及光色散補(bǔ)償，通過光纖滑環(huán)傳輸?shù)诫娮臃脚?。電子方艙?duì)接收到的合路光信號(hào)進(jìn)行光解復(fù)用(ODU)處理，依次恢復(fù)出80路光信號(hào)，再送入光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成80路850 nm光信號(hào)送出。

圖1 某相控陣?yán)走_(dá)陣面通信設(shè)備基本原理

其次是電磁干擾源。對(duì)于雷達(dá)射頻干擾源來說，可靠接地、信號(hào)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(dá)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(shì)，提供泄流回路，實(shí)現(xiàn)工作接地和安全保護(hù)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(hào)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(jìn)行屏蔽，構(gòu)成一體化屏蔽體。對(duì)于降低電磁敏感度，則從電路PBC設(shè)計(jì)、元器件選擇、功能模塊等逐級(jí)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(hào)電纜和連接器；電源和信號(hào)線合理走線，避免交叉、混繞在一起。

金屬屏蔽機(jī)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(jì)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(jì)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(jī)箱之間的距離。

校正因子B的計(jì)算公式為：

B=20lg[-exp(-2t÷σ)]

(6)

機(jī)箱縫隙和通風(fēng)孔都會(huì)對(duì)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(zhǎng)，則機(jī)箱屏蔽效果和縫隙的傳輸損耗有關(guān)[8]，傳輸損耗經(jīng)驗(yàn)公式如下：

A=20lgeπt/g=27.3t/g

(7)

式中，g為縫隙長(zhǎng)度；t為機(jī)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(zhǎng)度、增加板材厚度和縫隙深度的方法，能夠提高機(jī)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(duì)于給定頻率的電磁波計(jì)算出波長(zhǎng)，當(dāng)孔徑長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，電磁泄漏最大。工程實(shí)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(zhǎng)；L是孔徑長(zhǎng)度；N是孔數(shù)。對(duì)于高頻信號(hào)，還需要考慮其一次和二次諧波，較簡(jiǎn)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?yàn)殡娮悠骷目煽啃耘c其溫度緊密相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)半導(dǎo)體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會(huì)降低50%[9]，所以在電磁兼容設(shè)計(jì)過程中，還要特別關(guān)注設(shè)備的熱設(shè)計(jì)。相控陣?yán)走_(dá)陣面冷卻方式涉及到自然冷卻、強(qiáng)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(shí)利用陣面風(fēng)道進(jìn)行風(fēng)冷散熱。

2 實(shí)際驗(yàn)證

雷達(dá)陣面通信設(shè)備設(shè)計(jì)完成后，按照國軍標(biāo)GJB 151B-2013相關(guān)條款在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。通信設(shè)備加裝雷達(dá)陣面后，進(jìn)行整機(jī)狀態(tài)下的指標(biāo)測(cè)試，在雷達(dá)發(fā)射機(jī)不開機(jī)情況下，通信設(shè)備工作正常；但在發(fā)射機(jī)全開、寬頻段的狀態(tài)下，通信設(shè)備偶爾會(huì)出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。經(jīng)仔細(xì)排查供電、信號(hào)、電纜等因素并確認(rèn)無誤后，最終將故障定位為通信分機(jī)局部受到了外部電磁干擾。原因在于通信分機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了進(jìn)行有效散熱，在機(jī)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(jì)算指標(biāo)要求，但陣面內(nèi)某頻率射頻信號(hào)帶外抑制能力欠佳，泄露出的電磁信號(hào)從這些通風(fēng)小孔進(jìn)入，影響了通信設(shè)備的正常工作。為此，通過對(duì)電磁泄漏模塊黏貼吸波材料，在機(jī)箱通風(fēng)處加裝對(duì)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_(dá)陣面通信設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，需要根據(jù)雷達(dá)運(yùn)行特點(diǎn)設(shè)計(jì)電磁兼容方案，分析雷達(dá)天線方向圖、射頻發(fā)射頻率、功率和天線前后比，大致計(jì)算出雷達(dá)陣面后向主波和諧波的電磁干擾強(qiáng)度和方向圖，并結(jié)合通信設(shè)備自身特點(diǎn)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(jì)階段的分析和計(jì)算十分重要，同時(shí)針對(duì)后期設(shè)備在使用中出現(xiàn)的電磁兼容問題，分析實(shí)際環(huán)境，找出具體原因，并采取合理有效的補(bǔ)救措施，確保設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行。