电磁兼容性设计方法及其在多天线系统设计中的应用

2015-05-04陈林辉

数字技术与应用 2014年12期

陈林辉

摘要：机载任务电子系统中，往往在狭小空间中集成大量电子设备，且天线林立，因此电磁兼容性问题异常突出。相比以往设计后期的电磁兼容整改，在总体方案初期进行电磁兼容设计具有经济高效的优点。本文介绍了机载电子设备中电磁兼容性分析方法，运用自顶向下电磁兼容预测方法，对机载多天线系统进行电磁兼容性分析，提出总体设计方案。

关键词：电磁兼容性分析总体设计方法电磁干扰隔离度

中图分类号：TN820；TN820 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0150-02

在机载任务电子系统中往往在狭小空间里面集成大量电子信息设备，其中不乏各种探测、侦察、干扰、通信及导航等功能的电子设备，不仅天线众多且工作频率相互交迭、发射功率大且接收机灵敏度高，使得电磁兼容问题异常棘手，各种内外电磁干扰引起的设备失效故障常有发生。在设备设计初期及早鉴别电磁干扰隐患，采取电磁兼容性设计措施规避电磁兼容风险，可以大大节省全周期开发成本。关于电磁兼容性理论和方法探讨的文章很多，但多数是一些准则或者理论讨论方面的文章，本文尝试在实践中运用“自顶而下”的思想，基于电磁兼容性预评估，提出了行之有效的机载多天线系统电磁兼容性总体设计方案。

1 电磁兼容性分析方法

在进行电子设备电磁兼容分析时首先需对电磁兼容问题进行一定的预测，即依据产品中各设备布局、数量、功能设计建立干扰源模型、传输模型和易感器件模型，通过数值计算等手段对产品的电磁兼容性进行预评估，根据评估结果对产品的功能指标、布局等进行重新量化和分配，多次调整后得到良好的电磁兼容状态，解决电子设备之间的收发隔离问题，并最终解决各电子设备之间的相互干扰问题[1]。

在分析设备间电磁干扰时，首先要考虑设备所在空域有无外来辐射干扰；其次再分析设备之间的相互干扰，在机载多天线系统中最大的相互干扰来自于天线发射时电磁波辐射，另外在设备间有无公用电源、有无公共接地平面及是否通过设备壳体构成接地环路也是要考量的因素；最后再进一步考虑设备内部的干扰，即分析内部电路的辐射源、传导路径及易感电路。

在电子设备电磁兼容性设计实践中采用的电磁干扰控制技术有：滤波、吸收与旁路、屏蔽、接地、布局布线、工艺控制、天线配置、频率管理等，其中屏蔽、接地、滤波、布局布线是最为常用的干扰抑制手段[2]。完整的电磁兼容设计流程闭环图如图1所示，对于复杂的电磁兼容问题可能还需要多次这样反复的过程[1]。

2 机载多天线系统电磁兼容影响分析

机载任务电子系统往往天线众多，且相互间空间隔离有限。电磁环境的复杂性体现在：在空域上纵横交错、在时域上持续不断、在频域上密集交叠、在效能上随机多变。这些可能存在的电磁干扰，轻则可能影响到任务电子系统性能参数；重则可能产生误动作或功能失效，造成装备毁伤。有效控制和消除电磁干扰，可将各设备本身产生的电磁噪声限制在一定的水平，使各试验设备或任务电子系统能够在共存的环境中互不发生干涉，充分发挥各自的最大效能。

2.1 外部干扰

电磁干扰按传播途径可以分为传导干扰和辐射干扰两大类。传导干扰沿着导体传播，包括传输线间的相互耦合、接地传导干扰和电源传导干扰等。辐射干扰是通过电子设备发射天线的辐射外场和其他设备的天线、电缆及机箱孔缝之间的耦合等造成的干扰。预测分析方程是电磁兼容度预测定量预测的理论基础，电磁干扰裕度（M）表征了接收机接收到来自外部干扰信号功率PR后能否正常工作，其大小反应外界电磁辐射干扰影响大小[3]，其中：

M=PR-SR

PR=PT+TRS-SF-C

其中，PT为外部干扰发射机功率，SR为易感器件敏感度阈值，TRS为由干扰发射机到受干扰接受机之间的电磁波传播因子，SF为非照明区的阴影系数，C为发射及接收设备内部的损耗总和。

机载任务电子系统在有限的装载空间内集中搭载了诸如雷达、通信、电子侦察等多种设备，在特定时间段内分时、同时或集中使用。从频段划分和工作时段两个方面，根据电子任务系统的功能和工作模式，对这些设备构成的系统复杂的电磁环境空间进行分析如图2、表1所示。

具体来说，机载多天线任务系统本系统存在的外界辐射干扰主要来自同频段同时工作的天线之间耦合干扰，以及发射天线对同时工作接收天线的谐波干扰。例如，不仅是工作频段有重叠的天线2和天线1、天线3、天线5之间存在干扰，天线4的谐波也会对天线2、天线5产生影响。运用FECO软件建立天线模型，对天线之间的电磁干扰裕度进行分析，则天线外界辐射功率如表2所示。

2.2 内部干扰

各任务子系统内部的干扰主要包括内部频点组合干扰、高低功率共存干扰及数模混合干扰等方面。

3 电磁兼容性设计

3.1 辐射干扰的抑制

由上述分析可知，上述外界辐射干扰可能对周边处于接收状态的其他子系统接收通道造成影响：即其他子系统的多个通道接收到干扰信号功率。如果干扰的信号足够大，那么首先造成的就是每个接收通道限幅低噪放的烧毁，造成接收通道永久性失效，也就是目标系统的失效；如果能量只是达到接收机线性动态的饱和状态，那么会造成接收机的暂时性制盲，子系统就不能进行正常的检测工作；如果干扰信号的量级更小，但仍在接收机的线性动态检测区间，则会造成接收通道的噪声系数变大，影响到目标的检测效果，这时对相邻系统会因为波束形成情况的不同产生不同的影响效果。

（1）采用综合射频前端。该任务电子系统由各个任务电子子系统组成，为控制和消除电磁干扰，在收发模块设计中引入综合射频前端的概念，将多个任务电子系统的射频前端尽可能多的共用，实现简化系统组成、共用系统平台，减少向外发送干扰噪声源，减少传播电磁干扰途径。

（2）调整天线布局。将相互干扰严重的天线拟移至使相互背对，加大物理距离，增加物理隔离度。endprint

（3）通过滤波抑制。滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器可以显著减小干扰电平，因为干扰频谱成份不等于有用信号的频率，滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力，从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。

在本系统设计中，通过滤波抑制电磁干扰主要体现在如下方面：

①在同频段天线接收机输入端加装双工器。通过在同频段天线接收机输入端加装双工器，优化双工器指标，提高同频段天线接收通道抑制带外干扰的能力。在设计双工器时加装滤波器，确保抑制度满足要求。

②在同频段天线发射模块输出端加装滤波器。考虑到天线工作时。按照常规设计水平考虑，其二次谐波会影响到其他雷达天线正常接收。本着最小化设计的原则，通过在该天线发射模块输出端加装滤波器，对其功放模块二次谐波等带外杂散予以抑制。

（4）采用光纤传输。一方面，光纤传输线间的隔离可大于100dB，高于常规传输线缆间60～70dB的隔离度，能够很好的消除信号间干扰。另一方面，借助波分复用技术，光纤可以实现单根光纤数十到数百Gbit/s的超大容量传输。本系统中，为避免大功率信号对数据传输链路的干扰、解决多路高速数据传输存在的瓶颈，收/发模块与信号处理、波控系统均采用光纤进行数据交互传输。

3.2 内部干扰

（1）优选频率窗口。在选择任务电子子系统工作频率窗口时，结合多方面因素进行优选。一方面从方便滤波器的设计和实现这一角度进行；另一方面考虑混频器中参与混频的两个信号之间的交调、干扰信号与本振之间的交调对射频和中频的影响。

此外，采用开关滤波器对工作频段进行划分，规避宽频段带来的频点组合干扰；通过合理分配收发链路增益，减少谐波或交调等干扰分量的产生。

（2）设置电磁屏蔽。屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。本系统使用屏蔽体将元件、电路、组合件、电缆等干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；使用屏蔽体将接收电路、设备等包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。

（3）合理布局布线。从各电子系统在机载平台内的走线设计；到收发组件的安装位置、结构形式及其信号线、电源线、控制线的走线布线方法；再到组件内部各电路模块的布局、安装及连线等进行合理布置[4]。

（4）做好数/模电路隔离。对于数字收发板自身的数字/模拟电路干扰，采用“组合电路板”的形式进行抑制。

（5）做好信号地、功率地和安全地的隔离[5]。

4 结语

造成电磁干扰的原因非常复杂，电磁兼容性分析也是一门综合和实践性极强的学科，要求工程技术人员应较全面地掌握电磁兼容技术，对上至设备所在环境下至电路布线、元件性能有充分的了解。本文尝试着采用自顶向下的电磁兼容分析方法，对机载多天线系统进行电磁兼容性总体分析。

参考文献

[1]苏东林，雷军，王冰切.系统电磁兼容技术综述与展望[J].宇航计测技术，2007（s1）：34～38.

[2]郭燕.飞机加载电子装备时的电磁兼容分析[J].火控雷达技术，2005（34）：84～90.