车载通信对抗系统的电磁兼容设计

2013-01-14周豫民

无线电工程 2013年5期

周豫民

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

现代战争中，通信对抗已经成为一种重要的作战手段。车载通信对抗系统由于具有机动性好、配置灵活等特点，成为通信对抗系统中的重要作战平台。车载通信对抗系统一般由高灵敏度接收机、大功率干扰机、指挥控制设备、电源设备和站间通信设备等组成。根据通信对抗设备的作战任务和应用需要，系统主要具有以下特点［1］:① 接收灵敏度高。可对微弱电磁信号进行侦察、参数测量和解调。②工作频段宽。系统通常覆盖从短波到微波的全频段范围。③干扰功率大。为有效破坏敌方通信，通信对抗装备都配备有大功率干扰机。④通信对抗设备与多种站间通信设备并存。

由于以上特点，特别是车载通信对抗系统空间有限，集成度高，各种电子、机电设备复杂，导致系统电磁兼容问题非常突出，成为了系统设计中的难点和关键环节。为使通信对抗系统具备良好的电磁兼容特性，必须在多方面采用多种措施做好EMC研究和设计工作。

1 系统EMI分析

电磁干扰的产生和影响取决于3个因素:电磁干扰源、电磁干扰传播途径和电磁干扰敏感设备。

电磁干扰源是产生电磁干扰的元器件或设备。功放、脉冲电路、时钟源和电机等是通信对抗系统中主要的干扰源。电磁干扰敏感设备就是被干扰设备，电磁干扰源会对其正常工作产生影响，导致其性能下降。低噪声放大器和接收机等是系统内主要的敏感设备。系统在设计时要充分考虑采用屏蔽、滤波和隔离等多种技术手段，使干扰源降低电磁干扰强度，敏感设备提高抗电磁干扰能力。

电磁干扰传播途径包括辐射耦合和传导耦合。在通信对抗系统中，分析系统内EMI问题的关键是确定由干扰设备到敏感设备的耦合路径，切断这些耦合路径或增大耦合路径上对EMI的衰减，就能有效抑制系统内的EMI［2］。一般情况下，在工程实践上对耦合路径采取相应的电磁兼容措施，相比对干扰源和敏感设备采取措施，从技术实现和经济性等方面都具备较大的优势。系统内EMI的耦合路径主要有以下6种:

①不希望的发射源与敏感设备之间的共地阻抗产生的共模耦合。

②电磁场与电缆之间的共模耦合。

③电磁场与电缆之间的差模耦合。这是从电磁环境到电缆的一条直接辐射耦合路径，该耦合在受扰放大器、数字电路等接收器输入端直接形成差模电压;

④电缆之间的近场耦合，这也是一种直接差模耦合方式，电缆—电缆耦合往往发生在同一线束、同一电缆槽中的电线和电缆之间，受干扰的电缆一般都是低电平信号电缆;在通信对抗系统中，有时网线等数据电缆也会受到大功率干扰机电缆的干扰。

⑤主电源至设备电源上的EMI传导耦合至信号电路。

⑥系统内各天线之间的耦合。

2 接地设计

良好的接地设计是保证系统正常工作的关键措施之一。接地是减少EMI和提高抗干扰能力的重要技术，在系统设计中一般分为安全接地和信号接地［3］。主要采取以下措施:

①对安全接地和信号接地进行独立设计。采用2根金属铜带分别作为安全地和信号地，在系统接入大地时采用2根金属接地棒独立接地。

②采用宽度30 mm以上铜带或镀银条等良好导电金属作为接地汇流条，并将其布设至每台设备附近，各设备独立连接到汇流条，保证设备与地之间的低阻抗，同时降低各设备之间的共阻抗耦合。

③尽可能降低系统的接地电阻。在车载系统中，一般在车外采用金属接地棒进行接地，对于金属接地棒，其接大地电阻为:

式中，l为棒长;d为棒直径;ρ为大地电阻率。

从式(1)可以看出，增加接地棒长度和直径都可以降低接地电阻，但由于受系统结构安装尺寸和操作的限制而无法实现，因此，降低接地电阻的最有效措施就是降低大地电阻率，一般采用土壤湿化的方法，30%的湿化就可以达到良好的效果。若有更高要求，可在电极四周土壤中添加可产生电离的化合物以降低接地电阻，优选MgSO4，具有高导电率，成本低，对电极锈蚀效应低等优点。

④系统中的低电平电路的信号地和用于继电器和电机电路的噪声地必须进行隔离。工程上需要特别注意天线伺服电机和低噪声放大器、微波前端开关等设备之间的接地隔离问题。可将2个分离的地仅在远端一点连接在一起。若不进行分离，则电机启动和停止时产生的瞬态干扰脉冲会通过地回路对系统内微波前端设备产生较大的干扰，影响其正常工作。

3 屏蔽设计

在通信对抗系统中，设备与设备之间、设备与电缆之间、电缆与电缆之间的EMI问题非常突出。因此，电缆和任务设备的良好电磁屏蔽设计就成为了系统良好工作的保证。

3.1 电缆的屏蔽设计

对于系统中的射频、电源和控制电缆，最容易受到干扰的是射频同轴电缆［3］。同轴电缆的差模耦合可由式(2)求出:

用dB表示为:

式中，Is/E为同轴电缆外导体感应的表面电流与环境电场强度之比;ZT为同轴电缆转移阻抗，是每米受扰电缆外导体感应的电压与表面电流的比值(Ω/m)，ZT=Vi/Is;k=Vo/Vi，受扰接收器输入端的差模电压Vo与电缆外导体内表面感应电压Vi之比。

系统设计时需要做到以下几点:

①优化电缆走线空间布局。工程实践中，大功率射频、电源电缆与低电平信号电缆在机柜走线槽内绑扎时应分别独立绑扎，线束之间距离不小于30 mm，以增加空间隔离度，降低电缆之间的耦合和干扰;同时避免长距离平行走线，必要时选择双层屏蔽电缆。

②工程实践表明，在重视射频电缆屏蔽的同时，对电源和控制电缆也不能忽视。可选择有屏蔽层的电源电缆和控制电缆，对于特殊应用，可在电缆外部缠绕金属丝网屏蔽层，增加隔离度。

③选择转移阻抗ZT小的电缆。

④电源和控制电缆接插件选择航空插头，电缆屏蔽层与接插件采用360°压接或纺锤形连接。

实践表明，优化电缆屏蔽设计和布线设计，既可有效提高系统EMC特性，又能大大降低成本。

3.2 整机设备屏蔽设计

整机设备的电磁屏蔽设计，设计时主要遵循以下设计原则:

①整机机箱设计采用金属密闭结构设计，增加导电连续性，一般采用铝合金材料［4］。为增加机箱的屏蔽，在机箱盖板等缝隙处填充导电橡胶、导电泡棉等材料;在细小缝隙处喷涂导电漆或涂抹导电胶。

②接插件选择航空插座，采用化学镀镍材料或不锈钢材料，在与机箱面板接触的法兰底座处安装导电衬垫。

③风扇处选择安装截止波导通风窗。若机箱面板较厚，也可以直接在面板开孔，代替截止波导通风窗，可节省机箱内的空间。截止波导的衰减计算公式为［5］:

式中，λc为波导的截止波长;d为波导长度。根据公式进行计算，采用孔径4 mm、长度20 mm的蜂窝式截止波导，在频率10 GHz以下，可产生130 dB以上的屏蔽效果。

④在显示屏处采择金属镀膜玻璃或金属丝网进行屏蔽。

⑤电源开关等处选择密封金属衬垫和穿心电容。

4 电源EMC设计

电源是通信对抗系统重要的组成部分，也是电磁兼容设计关注的重点之一。系统中电源EMC的主要作用一方面是抑制来自电网的各种电磁干扰，包括电压不稳、尖峰脉冲、浪涌和线路噪声等，其中主要是尖峰脉冲。系统在负载切换、电机启动或停止时，都会发生瞬变过程而产生尖峰脉冲，这些瞬变噪声会在电子设备的感性负载电路内产生瞬态过程和辐射噪声干扰。特别是在感性负载(例如系统内的伺服驱动电机)断开时，其产生的快速瞬变群脉冲，脉冲噪声前沿最陡，电压最高，危害也最大;另一方面，在系统中由于设备小型化的趋势，开关电源已经取代了线性电源被普遍使用。开关电源本身在体积、重量和效率3个方面具有传统线性电源无法比拟的优势，但同时由于大功率开关管工作在高压大电流的切换状态，导致其本身也是一个强电磁干扰源，会对周边设备产生电磁干扰，从而使其性能下降。

对于电源部分的EMC设计，在工程实际中主要采用以下方法:

①整机设计时选择具有良好差模和共模抑制的EMI电源滤波器，这是最为有效的方法。目前EMI电源滤波器的设计和生产都已经非常成熟，选择合适的滤波器可使设备较好地满足GJB151A中关于电源电磁兼容的相关要求。

②在系统的电源输入端配置相应功率容量的UPS，降低电网和发电机的电磁干扰和电压波动影响;由于电网和发电机的输出特性存在差异，因此在选择UPS时要考虑对电网和发电机的适应性。

③做好电源系统的瞬态保护。对于瞬态高能量骚扰，采用气体放电管做一次保护，具有良好的浪涌电流吸收能力，采用硅瞬变电压吸收二极管(TVS)或压敏电阻做二次保护［6］，其具有响应速度快等优点。

④做好系统的统一设计，特别对于系统内大的干扰源，要认真考虑其对周围相关设备的影响。在电源系统的接地设计等方面全面考虑，避免电磁干扰通过接地等途径进行串扰。

5 电磁频谱规划与天线隔离

在通信对抗系统中，各站之间由于指挥控制和信息传输等功能需要，同样装备着大量的通信设备。通信设备与对抗设备二者之间的电磁兼容特性直接关系到系统作战效能。为保持良好的EMC特性，主要采用以下措施:

①系统设计时，若能够采用有线通信设备，优先选用有线通信设备;若必须选用无线通信设备，则需要在通信频段规划上与对抗设备工作频段错开，一般将通信频率设置在对抗设备工作频率的2倍以上，避免相互之间的干扰。特别需要考虑到的是，由于对抗设备都是宽带大功率功放，因此必须考虑对抗设备的谐波对通信设备的影响。一般在功放输出端增加谐波滤波器，谐波滤波器采用腔体滤波器，其具有截止特性好、插入损耗小、功率容量大等突出优点。必要时可考虑采用滤波器组的设计方案，但其重量、体积偏大，成本偏高。

②随着通信技术的不断发展，通信设备的抗干扰能力也在不断提升。在系统设计时，优先选择具备良好抗干扰能力的跳频、扩频通信体制，优先选择自适应能力和纠错能力强的先进数字通信系统，不仅可以提高系统的EMC特性，也可以大大降低敌方对我系统通信的截获概率。

③天线隔离设计。系统通信天线选择方向性较强的天线，降低天线旁瓣，增加天线的前后比，一方面可以增加通信距离，另一方面可以有效降低干扰设备对通信设备的影响。在作战部署时优化系统配备关系，工作时对抗设备天线与通信天线方向错开，增加天线之间的隔离度。

④在系统工作流程上进行优化设计，必要时采取分时工作。对数据进行缓存压缩后猝发传输。