車載通信對抗系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)

周豫民

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，通信對抗已經(jīng)成為一種重要的作戰(zhàn)手段。車載通信對抗系統(tǒng)由于具有機(jī)動(dòng)性好、配置靈活等特點(diǎn)，成為通信對抗系統(tǒng)中的重要作戰(zhàn)平臺(tái)。車載通信對抗系統(tǒng)一般由高靈敏度接收機(jī)、大功率干擾機(jī)、指揮控制設(shè)備、電源設(shè)備和站間通信設(shè)備等組成。根據(jù)通信對抗設(shè)備的作戰(zhàn)任務(wù)和應(yīng)用需要，系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)［1］:① 接收靈敏度高?？蓪ξ⑷蹼姶判盘?hào)進(jìn)行偵察、參數(shù)測量和解調(diào)。②工作頻段寬。系統(tǒng)通常覆蓋從短波到微波的全頻段范圍。③干擾功率大。為有效破壞敵方通信，通信對抗裝備都配備有大功率干擾機(jī)。④通信對抗設(shè)備與多種站間通信設(shè)備并存。

由于以上特點(diǎn)，特別是車載通信對抗系統(tǒng)空間有限，集成度高，各種電子、機(jī)電設(shè)備復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)電磁兼容問題非常突出，成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為使通信對抗系統(tǒng)具備良好的電磁兼容特性，必須在多方面采用多種措施做好EMC研究和設(shè)計(jì)工作。

1 系統(tǒng)EMI分析

電磁干擾的產(chǎn)生和影響取決于3個(gè)因素:電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑和電磁干擾敏感設(shè)備。

電磁干擾源是產(chǎn)生電磁干擾的元器件或設(shè)備。功放、脈沖電路、時(shí)鐘源和電機(jī)等是通信對抗系統(tǒng)中主要的干擾源。電磁干擾敏感設(shè)備就是被干擾設(shè)備，電磁干擾源會(huì)對其正常工作產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其性能下降。低噪聲放大器和接收機(jī)等是系統(tǒng)內(nèi)主要的敏感設(shè)備。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮采用屏蔽、濾波和隔離等多種技術(shù)手段，使干擾源降低電磁干擾強(qiáng)度，敏感設(shè)備提高抗電磁干擾能力。

電磁干擾傳播途徑包括輻射耦合和傳導(dǎo)耦合。在通信對抗系統(tǒng)中，分析系統(tǒng)內(nèi)EMI問題的關(guān)鍵是確定由干擾設(shè)備到敏感設(shè)備的耦合路徑，切斷這些耦合路徑或增大耦合路徑上對EMI的衰減，就能有效抑制系統(tǒng)內(nèi)的EMI［2］。一般情況下，在工程實(shí)踐上對耦合路徑采取相應(yīng)的電磁兼容措施，相比對干擾源和敏感設(shè)備采取措施，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)性等方面都具備較大的優(yōu)勢。系統(tǒng)內(nèi)EMI的耦合路徑主要有以下6種:

①不希望的發(fā)射源與敏感設(shè)備之間的共地阻抗產(chǎn)生的共模耦合。

②電磁場與電纜之間的共模耦合。

③電磁場與電纜之間的差模耦合。這是從電磁環(huán)境到電纜的一條直接輻射耦合路徑，該耦合在受擾放大器、數(shù)字電路等接收器輸入端直接形成差模電壓;

④電纜之間的近場耦合，這也是一種直接差模耦合方式，電纜—電纜耦合往往發(fā)生在同一線束、同一電纜槽中的電線和電纜之間，受干擾的電纜一般都是低電平信號(hào)電纜;在通信對抗系統(tǒng)中，有時(shí)網(wǎng)線等數(shù)據(jù)電纜也會(huì)受到大功率干擾機(jī)電纜的干擾。

⑤主電源至設(shè)備電源上的EMI傳導(dǎo)耦合至信號(hào)電路。

⑥系統(tǒng)內(nèi)各天線之間的耦合。

2 接地設(shè)計(jì)

良好的接地設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵措施之一。接地是減少EMI和提高抗干擾能力的重要技術(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般分為安全接地和信號(hào)接地［3］。主要采取以下措施:

①對安全接地和信號(hào)接地進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。采用2根金屬銅帶分別作為安全地和信號(hào)地，在系統(tǒng)接入大地時(shí)采用2根金屬接地棒獨(dú)立接地。

②采用寬度30 mm以上銅帶或鍍銀條等良好導(dǎo)電金屬作為接地匯流條，并將其布設(shè)至每臺(tái)設(shè)備附近，各設(shè)備獨(dú)立連接到匯流條，保證設(shè)備與地之間的低阻抗，同時(shí)降低各設(shè)備之間的共阻抗耦合。

③盡可能降低系統(tǒng)的接地電阻。在車載系統(tǒng)中，一般在車外采用金屬接地棒進(jìn)行接地，對于金屬接地棒，其接大地電阻為:

式中，l為棒長;d為棒直徑;ρ為大地電阻率。

從式(1)可以看出，增加接地棒長度和直徑都可以降低接地電阻，但由于受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝尺寸和操作的限制而無法實(shí)現(xiàn)，因此，降低接地電阻的最有效措施就是降低大地電阻率，一般采用土壤濕化的方法，30%的濕化就可以達(dá)到良好的效果。若有更高要求，可在電極四周土壤中添加可產(chǎn)生電離的化合物以降低接地電阻，優(yōu)選MgSO4，具有高導(dǎo)電率，成本低，對電極銹蝕效應(yīng)低等優(yōu)點(diǎn)。

④系統(tǒng)中的低電平電路的信號(hào)地和用于繼電器和電機(jī)電路的噪聲地必須進(jìn)行隔離。工程上需要特別注意天線伺服電機(jī)和低噪聲放大器、微波前端開關(guān)等設(shè)備之間的接地隔離問題?？蓪?個(gè)分離的地僅在遠(yuǎn)端一點(diǎn)連接在一起。若不進(jìn)行分離，則電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾脈沖會(huì)通過地回路對系統(tǒng)內(nèi)微波前端設(shè)備產(chǎn)生較大的干擾，影響其正常工作。

3 屏蔽設(shè)計(jì)

在通信對抗系統(tǒng)中，設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與電纜之間、電纜與電纜之間的EMI問題非常突出。因此，電纜和任務(wù)設(shè)備的良好電磁屏蔽設(shè)計(jì)就成為了系統(tǒng)良好工作的保證。

3.1 電纜的屏蔽設(shè)計(jì)

對于系統(tǒng)中的射頻、電源和控制電纜，最容易受到干擾的是射頻同軸電纜［3］。同軸電纜的差模耦合可由式(2)求出:

用dB表示為:

式中，Is/E為同軸電纜外導(dǎo)體感應(yīng)的表面電流與環(huán)境電場強(qiáng)度之比;ZT為同軸電纜轉(zhuǎn)移阻抗，是每米受擾電纜外導(dǎo)體感應(yīng)的電壓與表面電流的比值(Ω/m)，ZT=Vi/Is;k=Vo/Vi，受擾接收器輸入端的差模電壓Vo與電纜外導(dǎo)體內(nèi)表面感應(yīng)電壓Vi之比。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要做到以下幾點(diǎn):

①優(yōu)化電纜走線空間布局。工程實(shí)踐中，大功率射頻、電源電纜與低電平信號(hào)電纜在機(jī)柜走線槽內(nèi)綁扎時(shí)應(yīng)分別獨(dú)立綁扎，線束之間距離不小于30 mm，以增加空間隔離度，降低電纜之間的耦合和干擾;同時(shí)避免長距離平行走線，必要時(shí)選擇雙層屏蔽電纜。

②工程實(shí)踐表明，在重視射頻電纜屏蔽的同時(shí)，對電源和控制電纜也不能忽視。可選擇有屏蔽層的電源電纜和控制電纜，對于特殊應(yīng)用，可在電纜外部纏繞金屬絲網(wǎng)屏蔽層，增加隔離度。

③選擇轉(zhuǎn)移阻抗ZT小的電纜。

④電源和控制電纜接插件選擇航空插頭，電纜屏蔽層與接插件采用360°壓接或紡錘形連接。

實(shí)踐表明，優(yōu)化電纜屏蔽設(shè)計(jì)和布線設(shè)計(jì)，既可有效提高系統(tǒng)EMC特性，又能大大降低成本。

3.2 整機(jī)設(shè)備屏蔽設(shè)計(jì)

整機(jī)設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循以下設(shè)計(jì)原則:

①整機(jī)機(jī)箱設(shè)計(jì)采用金屬密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加導(dǎo)電連續(xù)性，一般采用鋁合金材料［4］。為增加機(jī)箱的屏蔽，在機(jī)箱蓋板等縫隙處填充導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電泡棉等材料;在細(xì)小縫隙處噴涂導(dǎo)電漆或涂抹導(dǎo)電膠。

②接插件選擇航空插座，采用化學(xué)鍍鎳材料或不銹鋼材料，在與機(jī)箱面板接觸的法蘭底座處安裝導(dǎo)電襯墊。

③風(fēng)扇處選擇安裝截止波導(dǎo)通風(fēng)窗。若機(jī)箱面板較厚，也可以直接在面板開孔，代替截止波導(dǎo)通風(fēng)窗，可節(jié)省機(jī)箱內(nèi)的空間。截止波導(dǎo)的衰減計(jì)算公式為［5］:

式中，λc為波導(dǎo)的截止波長;d為波導(dǎo)長度。根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，采用孔徑4 mm、長度20 mm的蜂窩式截止波導(dǎo)，在頻率10 GHz以下，可產(chǎn)生130 dB以上的屏蔽效果。

④在顯示屏處采擇金屬鍍膜玻璃或金屬絲網(wǎng)進(jìn)行屏蔽。

⑤電源開關(guān)等處選擇密封金屬襯墊和穿心電容。

4 電源EMC設(shè)計(jì)

電源是通信對抗系統(tǒng)重要的組成部分，也是電磁兼容設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)之一。系統(tǒng)中電源EMC的主要作用一方面是抑制來自電網(wǎng)的各種電磁干擾，包括電壓不穩(wěn)、尖峰脈沖、浪涌和線路噪聲等，其中主要是尖峰脈沖。系統(tǒng)在負(fù)載切換、電機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)，都會(huì)發(fā)生瞬變過程而產(chǎn)生尖峰脈沖，這些瞬變噪聲會(huì)在電子設(shè)備的感性負(fù)載電路內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)過程和輻射噪聲干擾。特別是在感性負(fù)載(例如系統(tǒng)內(nèi)的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī))斷開時(shí)，其產(chǎn)生的快速瞬變?nèi)好}沖，脈沖噪聲前沿最陡，電壓最高，危害也最大;另一方面，在系統(tǒng)中由于設(shè)備小型化的趨勢，開關(guān)電源已經(jīng)取代了線性電源被普遍使用。開關(guān)電源本身在體積、重量和效率3個(gè)方面具有傳統(tǒng)線性電源無法比擬的優(yōu)勢，但同時(shí)由于大功率開關(guān)管工作在高壓大電流的切換狀態(tài)，導(dǎo)致其本身也是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾源，會(huì)對周邊設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，從而使其性能下降。

對于電源部分的EMC設(shè)計(jì)，在工程實(shí)際中主要采用以下方法:

①整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)選擇具有良好差模和共模抑制的EMI電源濾波器，這是最為有效的方法。目前EMI電源濾波器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)都已經(jīng)非常成熟，選擇合適的濾波器可使設(shè)備較好地滿足GJB151A中關(guān)于電源電磁兼容的相關(guān)要求。

②在系統(tǒng)的電源輸入端配置相應(yīng)功率容量的UPS，降低電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電磁干擾和電壓波動(dòng)影響;由于電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的輸出特性存在差異，因此在選擇UPS時(shí)要考慮對電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的適應(yīng)性。

③做好電源系統(tǒng)的瞬態(tài)保護(hù)。對于瞬態(tài)高能量騷擾，采用氣體放電管做一次保護(hù)，具有良好的浪涌電流吸收能力，采用硅瞬變電壓吸收二極管(TVS)或壓敏電阻做二次保護(hù)［6］，其具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

④做好系統(tǒng)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，特別對于系統(tǒng)內(nèi)大的干擾源，要認(rèn)真考慮其對周圍相關(guān)設(shè)備的影響。在電源系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)等方面全面考慮，避免電磁干擾通過接地等途徑進(jìn)行串?dāng)_。

5 電磁頻譜規(guī)劃與天線隔離

在通信對抗系統(tǒng)中，各站之間由于指揮控制和信息傳輸?shù)裙δ苄枰瑯友b備著大量的通信設(shè)備。通信設(shè)備與對抗設(shè)備二者之間的電磁兼容特性直接關(guān)系到系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。為保持良好的EMC特性，主要采用以下措施:

①系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，若能夠采用有線通信設(shè)備，優(yōu)先選用有線通信設(shè)備;若必須選用無線通信設(shè)備，則需要在通信頻段規(guī)劃上與對抗設(shè)備工作頻段錯(cuò)開，一般將通信頻率設(shè)置在對抗設(shè)備工作頻率的2倍以上，避免相互之間的干擾。特別需要考慮到的是，由于對抗設(shè)備都是寬帶大功率功放，因此必須考慮對抗設(shè)備的諧波對通信設(shè)備的影響。一般在功放輸出端增加諧波濾波器，諧波濾波器采用腔體濾波器，其具有截止特性好、插入損耗小、功率容量大等突出優(yōu)點(diǎn)。必要時(shí)可考慮采用濾波器組的設(shè)計(jì)方案，但其重量、體積偏大，成本偏高。

②隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信設(shè)備的抗干擾能力也在不斷提升。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先選擇具備良好抗干擾能力的跳頻、擴(kuò)頻通信體制，優(yōu)先選擇自適應(yīng)能力和糾錯(cuò)能力強(qiáng)的先進(jìn)數(shù)字通信系統(tǒng)，不僅可以提高系統(tǒng)的EMC特性，也可以大大降低敵方對我系統(tǒng)通信的截獲概率。

③天線隔離設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通信天線選擇方向性較強(qiáng)的天線，降低天線旁瓣，增加天線的前后比，一方面可以增加通信距離，另一方面可以有效降低干擾設(shè)備對通信設(shè)備的影響。在作戰(zhàn)部署時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)配備關(guān)系，工作時(shí)對抗設(shè)備天線與通信天線方向錯(cuò)開，增加天線之間的隔離度。

④在系統(tǒng)工作流程上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必要時(shí)采取分時(shí)工作。對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存壓縮后猝發(fā)傳輸。

6 結(jié)束語

在通信對抗系統(tǒng)中，由于大量通信對抗設(shè)備和通信設(shè)備的集成，導(dǎo)致系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)非常重要，特別需要在前期系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)予以重視，進(jìn)行詳細(xì)的電磁兼容特性分析，結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采取適當(dāng)?shù)碾姶偶嫒荽胧?，兼顧效果和成本，以取得事半功倍的效果?/p>

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