電磁兼容性設計方法及其在多天線系統設計中的應用

陳林輝

摘要：機載任務電子系統中，往往在狹小空間中集成大量電子設備，且天線林立，因此電磁兼容性問題異常突出。相比以往設計后期的電磁兼容整改，在總體方案初期進行電磁兼容設計具有經濟高效的優點。本文介紹了機載電子設備中電磁兼容性分析方法，運用自頂向下電磁兼容預測方法，對機載多天線系統進行電磁兼容性分析，提出總體設計方案。

關鍵詞：電磁兼容性分析 總體設計方法 電磁干擾 隔離度

中圖分類號：TN820；TN820 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0150-02

在機載任務電子系統中往往在狹小空間里面集成大量電子信息設備，其中不乏各種探測、偵察、干擾、通信及導航等功能的電子設備，不僅天線眾多且工作頻率相互交迭、發射功率大且接收機靈敏度高，使得電磁兼容問題異常棘手，各種內外電磁干擾引起的設備失效故障常有發生。在設備設計初期及早鑒別電磁干擾隱患，采取電磁兼容性設計措施規避電磁兼容風險，可以大大節省全周期開發成本。關于電磁兼容性理論和方法探討的文章很多，但多數是一些準則或者理論討論方面的文章，本文嘗試在實踐中運用“自頂而下”的思想，基于電磁兼容性預評估，提出了行之有效的機載多天線系統電磁兼容性總體設計方案。

1 電磁兼容性分析方法

在進行電子設備電磁兼容分析時首先需對電磁兼容問題進行一定的預測，即依據產品中各設備布局、數量、功能設計建立干擾源模型、傳輸模型和易感器件模型，通過數值計算等手段對產品的電磁兼容性進行預評估，根據評估結果對產品的功能指標、布局等進行重新量化和分配，多次調整后得到良好的電磁兼容狀態，解決電子設備之間的收發隔離問題，并最終解決各電子設備之間的相互干擾問題[1]。

在分析設備間電磁干擾時，首先要考慮設備所在空域有無外來輻射干擾；其次再分析設備之間的相互干擾，在機載多天線系統中最大的相互干擾來自于天線發射時電磁波輻射，另外在設備間有無公用電源、有無公共接地平面及是否通過設備殼體構成接地環路也是要考量的因素；最后再進一步考慮設備內部的干擾，即分析內部電路的輻射源、傳導路徑及易感電路。

在電子設備電磁兼容性設計實踐中采用的電磁干擾控制技術有： 濾波、吸收與旁路、屏蔽、接地、布局布線、工藝控制、天線配置、頻率管理等，其中屏蔽、接地、濾波、布局布線是最為常用的干擾抑制手段[2]。完整的電磁兼容設計流程閉環圖如圖1所示，對于復雜的電磁兼容問題可能還需要多次這樣反復的過程[1]。

2 機載多天線系統電磁兼容影響分析

機載任務電子系統往往天線眾多，且相互間空間隔離有限。電磁環境的復雜性體現在：在空域上縱橫交錯、在時域上持續不斷、在頻域上密集交疊、在效能上隨機多變。這些可能存在的電磁干擾，輕則可能影響到任務電子系統性能參數；重則可能產生誤動作或功能失效，造成裝備毀傷。有效控制和消除電磁干擾，可將各設備本身產生的電磁噪聲限制在一定的水平，使各試驗設備或任務電子系統能夠在共存的環境中互不發生干涉，充分發揮各自的最大效能。

2.1 外部干擾

電磁干擾按傳播途徑可以分為傳導干擾和輻射干擾兩大類。傳導干擾沿著導體傳播，包括傳輸線間的相互耦合、接地傳導干擾和電源傳導干擾等。輻射干擾是通過電子設備發射天線的輻射外場和其他設備的天線、電纜及機箱孔縫之間的耦合等造成的干擾。預測分析方程是電磁兼容度預測定量預測的理論基礎，電磁干擾裕度（M）表征了接收機接收到來自外部干擾信號功率PR后能否正常工作，其大小反應外界電磁輻射干擾影響大小[3]，其中：

M=PR-SR

PR=PT+TRS-SF-C

其中，PT為外部干擾發射機功率，SR為易感器件敏感度閾值，TRS為由干擾發射機到受干擾接受機之間的電磁波傳播因子，SF為非照明區的陰影系數，C為發射及接收設備內部的損耗總和。

機載任務電子系統在有限的裝載空間內集中搭載了諸如雷達、通信、電子偵察等多種設備，在特定時間段內分時、同時或集中使用。從頻段劃分和工作時段兩個方面，根據電子任務系統的功能和工作模式，對這些設備構成的系統復雜的電磁環境空間進行分析如圖2、表1所示。

具體來說，機載多天線任務系統本系統存在的外界輻射干擾主要來自同頻段同時工作的天線之間耦合干擾，以及發射天線對同時工作接收天線的諧波干擾。例如，不僅是工作頻段有重疊的天線2和天線1、天線3、天線5之間存在干擾，天線4的諧波也會對天線2、天線5產生影響。運用FECO軟件建立天線模型，對天線之間的電磁干擾裕度進行分析，則天線外界輻射功率如表2所示。

2.2 內部干擾

各任務子系統內部的干擾主要包括內部頻點組合干擾、高低功率共存干擾及數?；旌细蓴_等方面。

3 電磁兼容性設計

3.1 輻射干擾的抑制

由上述分析可知，上述外界輻射干擾可能對周邊處于接收狀態的其他子系統接收通道造成影響：即其他子系統的多個通道接收到干擾信號功率。如果干擾的信號足夠大，那么首先造成的就是每個接收通道限幅低噪放的燒毀，造成接收通道永久性失效，也就是目標系統的失效；如果能量只是達到接收機線性動態的飽和狀態，那么會造成接收機的暫時性制盲，子系統就不能進行正常的檢測工作；如果干擾信號的量級更小，但仍在接收機的線性動態檢測區間，則會造成接收通道的噪聲系數變大，影響到目標的檢測效果，這時對相鄰系統會因為波束形成情況的不同產生不同的影響效果。

（1）采用綜合射頻前端。該任務電子系統由各個任務電子子系統組成，為控制和消除電磁干擾，在收發模塊設計中引入綜合射頻前端的概念，將多個任務電子系統的射頻前端盡可能多的共用，實現簡化系統組成、共用系統平臺，減少向外發送干擾噪聲源，減少傳播電磁干擾途徑。

（2）調整天線布局。將相互干擾嚴重的天線擬移至使相互背對，加大物理距離，增加物理隔離度。endprint

（3）通過濾波抑制。濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波器可以顯著減小干擾電平，因為干擾頻譜成份不等于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。

在本系統設計中，通過濾波抑制電磁干擾主要體現在如下方面：

①在同頻段天線接收機輸入端加裝雙工器。通過在同頻段天線接收機輸入端加裝雙工器，優化雙工器指標，提高同頻段天線接收通道抑制帶外干擾的能力。在設計雙工器時加裝濾波器，確保抑制度滿足要求。

②在同頻段天線發射模塊輸出端加裝濾波器?？紤]到天線工作時。按照常規設計水平考慮，其二次諧波會影響到其他雷達天線正常接收。本著最小化設計的原則，通過在該天線發射模塊輸出端加裝濾波器，對其功放模塊二次諧波等帶外雜散予以抑制。

（4）采用光纖傳輸。一方面，光纖傳輸線間的隔離可大于100dB，高于常規傳輸線纜間60～70dB的隔離度，能夠很好的消除信號間干擾。另一方面，借助波分復用技術，光纖可以實現單根光纖數十到數百Gbit/s的超大容量傳輸。本系統中，為避免大功率信號對數據傳輸鏈路的干擾、解決多路高速數據傳輸存在的瓶頸，收/發模塊與信號處理、波控系統均采用光纖進行數據交互傳輸。

3.2 內部干擾

（1）優選頻率窗口。在選擇任務電子子系統工作頻率窗口時，結合多方面因素進行優選。一方面從方便濾波器的設計和實現這一角度進行；另一方面考慮混頻器中參與混頻的兩個信號之間的交調、干擾信號與本振之間的交調對射頻和中頻的影響。

此外，采用開關濾波器對工作頻段進行劃分，規避寬頻段帶來的頻點組合干擾；通過合理分配收發鏈路增益，減少諧波或交調等干擾分量的產生。

（2）設置電磁屏蔽。屏蔽是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。本系統使用屏蔽體將元件、電路、組合件、電纜等干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；使用屏蔽體將接收電路、設備等包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。

（3）合理布局布線。從各電子系統在機載平臺內的走線設計；到收發組件的安裝位置、結構形式及其信號線、電源線、控制線的走線布線方法；再到組件內部各電路模塊的布局、安裝及連線等進行合理布置[4]。

（4）做好數/模電路隔離。對于數字收發板自身的數字/模擬電路干擾，采用“組合電路板”的形式進行抑制。

（5）做好信號地、功率地和安全地的隔離[5]。

4 結語

造成電磁干擾的原因非常復雜，電磁兼容性分析也是一門綜合和實踐性極強的學科，要求工程技術人員應較全面地掌握電磁兼容技術，對上至設備所在環境下至電路布線、元件性能有充分的了解。本文嘗試著采用自頂向下的電磁兼容分析方法，對機載多天線系統進行電磁兼容性總體分析。

參考文獻

[1]蘇東林，雷軍，王冰切.系統電磁兼容技術綜述與展望[J].宇航計測技術，2007（s1）：34～38.

[2]郭燕.飛機加載電子裝備時的電磁兼容分析[J].火控雷達技術，2005（34）：84～90.

[3]張秋菊，杜江.電子設備電磁兼容性分析與設計[J]. 光電技術應用，2011（3）：61～64.

[4]董彥濤.電子設備電纜布線的電磁兼容設計[J].聲學與電子工程，2010（98）：31～37.

[5]戴炎炎，詹志娟.航空電子系統接地技術研究[J].測控技術，2012（31）：112～114.endprint