复杂电磁环境下基准频率测量的干扰抑制*

乔道鹏，信朝阳，赵红慧

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

频率测量及分析在军用、民用领域中有着重要战略地位和重大需求，并随着通信、雷达、电子对抗中工作频率的不断攀升而面临着前所未有的挑战。被测系统的基准频率是系统中的重要观测量，直接决定着全系统的工作效能和精度，而在狭小的地球空间乃至外太空充斥着越来越多的电磁信号，在复杂的电磁环境下对基准频率信号的参数进行测量与分析难度很大。所以，探索在复杂电磁环境下基准频率测量的干扰抑制具有非常重要的理论意义和实用价值。

对于频率信号测量已有较多研究[1-7]，而针对复杂电磁环境下频率测量的研究相对较少。本文以被测系统的基准频率信号测试结果失真为背景，重点研究在频率测量中的电磁兼容性问题。简要介绍了被测系统产品和测试系统，分析了电磁环境及影响，给出了抑制电磁干扰的设计方法、措施和效果，以达到在复杂磁环境条件下准确测量基准频率信号的目的。

1 系统简介

被测系统产品由多个功能设备组成，其在贮运箱内进行贮存、运输和测试，箱产品通过表面的连接器进行功能测试和使用。连接器传输的信号总数达上百个，高频信号、低频信号，电信号、气路信号在同一连接器传输。其中，产品的基准频率信号测试通路如图1所示。传输电缆由专用同轴线缆和同轴连接器(或同轴接触件)等组成，设备1的基准频率信号经长距离的传输(约20 m)和多次转接，由测试系统的频率计进行测量。

测试系统对被测系统产品进行测试时，要进行基准频率信号的测试，该信号的测量是由测试系统的测试计算机、频率计、测试电缆共同完成，测试系统通过指令使设备1的基准频率测量接口输出测试信号，信号通过传输电缆至频率计进行测量。为完成被测系统产品的全功能测试，测试系统主要包括测试组合设备和测试软件2部分，其中，测试组合设备由测试计算机、测控组合、供电电源、频率计等共二十几种独立的组合设备和系统电缆组成，测试软件安装在测试计算机内，负责控制各测试设备完成对被测产品的维护测试功能。测试系统的测试传递信息包括测试信息、仪器控制信息和供电信息等，其信息传递关系复杂，信号电缆纵横交错，布置于各设备之间，交互信号传输量巨大。

2 电磁环境分析

由于被测系统产品和测试系统均具有体制复杂、设备多、集成密度高、信号类型多且数量巨大等特点，因此，基准频率测量通道处于复杂的电磁环境条件下。该复杂电磁环境主要是以下干扰同时存在的电磁环境，包括：被测系统的自扰，测试系统的互扰，外界电磁环境[8]。

2.1 被测系统的自扰

被测系统产品由控制系统、探测系统、电气系统、遥测系统和动力系统等组成。其系统构成复杂，电子设备种类繁多，信号传输类型多且数量巨大，存在系统内的潜在干扰。其中，基准频率测量信号与其他各型信号在同一束电缆中，多种类型、数量众多的高、低频信号在同一线束中平行、长距离的传输，多处转接连接器处均存在上百根裸露光线，因此，存在可能的线间耦合干扰，低频时主要是导线间的电容耦合，在高频时则是辐射耦合[9]。基准频率通道采用专用的同轴电缆和高频转接头，但是由于信号长距离传输带来的插入损耗，线缆的屏蔽效能、工艺处理差异等方面的因素，使得耦合干扰信号不可避免地会泄露到基准频率测量信号线上，带来系统自扰。

2.2 测试系统的互扰

测试系统由测试计算机、电源、测控组合等共二十几种独立的设备组成，各设备分布于机柜内，设备间的信号传输电缆在机柜后部互联，传递信息包括测试信息、仪器控制信息和供电信息等。其信息传递关系复杂，信号电缆纵横交错，布置于各设备之间，交互信号传输量巨大。测试设备在工作时，不同的测试设备自身，信号传输电缆等，均会不同程度地向空间辐射电磁干扰信号，基准频率测量电缆与测试系统设备和系统信号共存于测试方舱内，测试系统的干扰不可避免地会对基准频率测量信号产生影响。

2.3 外界电磁环境

系统组成中其他的系统设备，在一定的空域、时域、频域上，电磁信号综合交叉、连续交错、密集重叠，功率分布参差不齐，向空间产生电磁辐射信号，电磁环境污染严重[10-12]。

其次，系统外的大功率用电设备的启停、运行和高频设备的使用等，均会产生空间电磁干扰信号及对地线产生不同程度的干扰。

3 电磁环境影响

相对于受影响的对象而言，复杂电磁环境是个相对的概念，有些电磁环境能产生影响，有些电磁环境的影响并不明显。电磁环境影响是指电磁环境对装备、系统和作战平台的影响，主要为电磁兼容和电磁干扰问题，从解决装备环境适应性问题看，电磁环境影响问题就是复杂电磁环境问题。干扰信号是对信息获取、信息传输、信息利用产生不利影响的信号，复杂电磁环境具有不确定性，当干扰信号强度达到一定的阈值时，基准频率测量结果会超出标准。

图2给出了某一时段，基准频率测量通道0～160 MHz频谱信号曲线。此时，在测量通道的低频段存在与被测频率信号增益相当的干扰信号。图3给出了此时频率计的测试结果为79.947 552 MHz(标准解为80 MHz±200 Hz)，复杂电磁环境产生的影响为测试结果失真。

图2 复杂电磁环境条件基准频率测量通道频谱图Fig.2 Spectrogram of reference frequency measurement channel in complex electromagnetic environment

图3 复杂电磁环境条件下频率计测试图Fig.3 Test chart of frequency counters in complex electromagnetic environment

4 干扰抑制方法

基于以上对复杂电磁环境和影响的分析，从被测系统的自扰、测试系统的互扰、敏感对象和外界电磁环境等方面进行分析，给出干扰抑制方法[13-14]、措施和效果。

(1) 对被测系统的自扰，可采取的措施为：对易产生电磁干扰的高频信号，选用屏蔽性能良好的双绞屏蔽线，双绞与屏蔽相结合，在传输高速率的数据信号时表现非常稳定，可将辐射噪声和感应干扰降到最小值。为保持双绞的连续性，可采用双绞形式入焊杯的工艺方式；为保证屏蔽层的连续，可选用差分连接器，使导线屏蔽层与接触件屏蔽层在360°内搭接。导线的外面可包一层金属防波套，制作成屏蔽电缆[15]。针对高频电磁场的影响，在屏蔽线和金属防波套的两端都进行接地。这些措施对减少干扰能起到很好的效果，提高了系统的电磁兼容性。

(2) 对测试系统的互扰，可采取的措施为：针对设备和电缆屏蔽不连续点采取措施，如各种孔洞和缝隙，孔洞包括通风口、显示口、观察口、调节器件的开口，缝隙主要指构成屏蔽体不同部分间的接缝。采用对外屏蔽的机箱防止组合设备内部的电子元器件和信号产生的辐射，结构边缝全部带有导电密封条，在液晶显示屏表面装屏蔽膜，并严格控制开孔和缝隙数目和尺寸。为防止屏蔽层产生孔缝泄露，在导线与圆形连接器的焊接处用尾部附件包裹起来，防波套均匀包裹住尾部附件，因为尾部附件是一个圆柱形的金属壳体，其作用就相当于是一个导体防护罩，再与金属防波套连接起来，为感应电流提供返回路径，防止耦合到信号中，同时也限制信号中的辐射电流，防止产生外部电磁场。圆形连接器通过设备机箱的外壳与地连接，这样屏蔽电缆的屏蔽层就实现了接地，起到了屏蔽作用。对测试系统而言，还采取了其他有效方法，如：每个组合设备的外壳都采取接地处理；布置电缆时，将电源电缆与信号电缆分开布置等，这些措施对减少互扰起到了很好的效果，提高了系统的电磁兼容性[16]。

(3) 对敏感对象和干扰耦合途径分析，可采取的措施为：在条件允许时，易受干扰的敏感对象要尽可能远离其他信号，尽可能得到最大的空间隔离度。优先选用阻抗特性稳定，屏蔽性能良好，插入损耗小的同轴连接器和同轴线缆，减少信号在材料和器件上传输时的能量损耗和提高抗干扰能力。在同轴电缆的制作时，尤其要保证同轴线缆与同轴连接器外壳压接处理时的360°内搭接，保证屏蔽层的连续，防止屏蔽层孔缝导致的电磁泄露。

(4) 对外界的电磁环境和地线干扰，可采取的措施为：保证厂房的接地电阻良好，系统和各组合设备可靠接地，禁止无关的大功率和高频设备工作等。

5 干扰抑制效果验证

在复杂电磁环境条件下，对上述的干扰抑制方法和保证措施进行落实和确认后，基准频率测量线上的频谱如图4所示。虽然干扰信号未完全消除，但是干扰强度大大降低，不会对基准频率信号的准确测量产生影响。图5给出了此时频率计的测试结果为79.999 962 MHz(标准解为80 MHz±200 Hz)，频率计测试结果正常。可知，采用上述的干扰抑制方法及措施，保证了复杂电磁环境条件下基准频率信号的准确测量。

图4 采取干扰抑制措施后的频谱图Fig.4 Spectrogram after taking interference suppression measures

图5 采取干扰抑制措施后的频率计测试图Fig.5 Test chart of frequency counters after taking interference suppression measures

6 结束语

复杂电磁环境条件下基准频率信号测量的干扰抑制问题，是在工程实践中遇到的实际问题。本文以被测系统的基准频率信号测试结果失真为背景，以抑制测量通道外的干扰为目的，对系统的复杂电磁环境进行分析，给出了不同的干扰类型，通过在设计、接地、工艺和空间隔离等方面采取措施，实现了基准频率信号的准确测量。在工程实践中，可根据实际情况采取相应的方法和措施，即可在不同程度上对干扰进行抑制。本文提出的设计思想也为解决其他电磁干扰问题提供了借鉴。