短波天線調(diào)諧器電磁兼容設(shè)計

方毅偉 畢曉龍

1.中國船舶重工集團第七二二研究所； 2.渤海造船廠集團有限公司

一、引言

短波（2～30MHz）通信是遠距離通信的主要手段之一。某平臺的短波發(fā)射機一般是1kW以上的大功率寬頻帶發(fā)射機，而短波天線一般是鞭狀電小天線，天線的阻抗特性與發(fā)射機所需要的50歐姆差異較大，引起的阻抗不匹配會對信號傳輸造成較大損耗，系統(tǒng)輻射效率低，需要采用短波天線調(diào)諧器，改善天線對發(fā)射機的阻抗匹配，配合短波發(fā)射機和窄帶天線進行短波大功率發(fā)信，提高發(fā)信效率。

二、短波天線調(diào)諧器原理

短波天線調(diào)諧器主要是由調(diào)諧參數(shù)檢測模塊、控制模塊和天線阻抗匹配模塊組成。調(diào)諧參數(shù)檢測模塊用于實時檢測對天線調(diào)諧過程中天線匹配網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)參數(shù)如正反向功率、駐波比、相位和阻抗等，并以檢測結(jié)果為控制模塊提供動態(tài)的信息。控制模塊接收來自發(fā)射機的頻率預(yù)置信息和來自調(diào)諧參數(shù)檢測模塊的動態(tài)調(diào)整信息，通過接口和繼電器設(shè)計，控制匹配模塊改變電抗元件值，實現(xiàn)調(diào)諧。同時將測量信息、電路匹配狀態(tài)和匹配電路參數(shù)等通過接口電路送到存儲單元存儲，以備以后存儲調(diào)用調(diào)諧調(diào)用。天線阻抗匹配模塊由一組電抗元件連接而成，通過繼電器進行開關(guān)控制進行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，實現(xiàn)對短波發(fā)射機與天線間的阻抗匹配。短波天線調(diào)諧器需要盡量布置于或靠近天線根部，不僅要具備調(diào)諧速度快、調(diào)諧精度高、適配頻帶寬，還要具備微功率調(diào)諧能力，確保調(diào)諧的隱蔽性。

三、短波天線調(diào)諧器電磁兼容設(shè)計

短波大功率天線調(diào)諧器作為大功率射頻傳輸設(shè)備，設(shè)備本身需要承受大功率射頻信號，需要做好電磁屏蔽，另外對外部是電磁干擾源，工作時會產(chǎn)生電磁干擾，產(chǎn)生的電磁干擾不僅可以通過電纜耦合到敏感設(shè)備上，還可以通過天線調(diào)諧器殼體縫隙、輸入、輸出端口向外輻射，可能對人員和其它設(shè)備帶來不良影響。

根據(jù)能量傳播的途徑，干擾發(fā)射有兩種：傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。其中傳導(dǎo)發(fā)射的途徑是電源線、控制線和天線，輻射發(fā)射的途徑是空間電磁場，解決這些問題的基本方法是由“場”和“路”兩方面提出措施。為提高電磁兼容性，在設(shè)備整體設(shè)計、電路、結(jié)構(gòu)和工藝等方面加強設(shè)計，以降低對外輻射影響，同時也降低設(shè)備對電磁干擾的靈敏度。

短波天線調(diào)諧器由短波發(fā)射機提供24V直流供電，并由短波發(fā)射機進行遙控設(shè)置參數(shù)和結(jié)果顯示，本機沒有顯示界面，機箱可以做較為完整的密封，由于對外接口關(guān)系，仍然需要留有必要的連接器開孔。

（一）短波天線調(diào)諧器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.屏蔽體材料及厚度設(shè)計。在短波天線調(diào)諧器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，屏蔽箱尤為重要，屏蔽箱體的材料選擇和厚度設(shè)計對屏蔽箱的屏蔽效能起決定性作用。屏蔽效能（SE）即對給定輻射干擾源進行屏蔽時，在某一場點上，屏蔽箱盒安裝前后的電場強度或磁場強度之比值。綜合考慮屏蔽材料的相對磁導(dǎo)率和相對電導(dǎo)率，天線調(diào)諧器屏蔽箱選用的材料為鋁(導(dǎo)電氧化處理)，厚度為1.5（mm）厚，其中鋁相對導(dǎo)磁率μr是1，鋁相對導(dǎo)電率σr是0.61。具體計算如下：

根據(jù)分析，天線調(diào)諧器工作在3～30MHz為近區(qū)電場屏蔽，其理論屏蔽效能可表示為：

電場屏蔽效能：SE=A+R1（dB）；

磁場屏蔽效能：SE=A+R2（dB）；

R1=322+10lg(σr/μrf3r2)（dB）（屏蔽電場的反射損耗）；

R2=14.6+10lg(fσrr2/μr)（dB）（屏蔽磁場的反射損耗）；

其中：f為頻率（Hz），t為金屬板厚度（mm），r為輻射源至壁距離(cm)，μr金屬板相對導(dǎo)磁率，σr金屬板相對導(dǎo)電率。

將相關(guān)參數(shù)值代入公式計算可得：

電場屏蔽效能為377.38dB，磁場屏蔽效能為357.02dB。這樣；1.5mm厚的鋁板完全能夠起到電磁屏蔽作用。另外，天線調(diào)諧器殼體采用機箱形式，為了增加屏蔽效能，設(shè)計中采用雙層屏蔽作用，材料采用鋁板和不銹鋼板。

2.縫隙、孔洞的處理。一般電子設(shè)備因通風(fēng)、散熱及連接電纜等設(shè)計要求，必須開制小孔，采用連接處采用永久性接縫，采用焊接技術(shù)作永久性封閉。在配合面形成的接縫，加導(dǎo)電襯墊（橡膠芯金屬絲屏蔽條）的設(shè)計方法。但是仍有部分電磁能量會經(jīng)由孔、縫泄露，當(dāng)孔、縫尺寸等于半波長的整數(shù)倍時，電磁泄漏最大，一般要求縫長或孔徑小于λ/10～λ/100。

短波天線調(diào)諧器機箱面板上不開孔，為了通風(fēng)需要只在側(cè)板或后板和上板開φ3mm（遠小于λ/100）的孔。前面板及其他側(cè)面與骨架之間縫隙用導(dǎo)電橡膠（SE=120dB）屏蔽條屏蔽，并用排列緊密的螺釘固定（兩螺釘距離為10cm）。這樣，整個機體就成為一個屏蔽體，避免電磁波向外輻射。

（二）線路設(shè)計

在對電子設(shè)備進行整機電路設(shè)計時，通過合理走線可以減少導(dǎo)線上相互之間的電磁場感應(yīng)。

在對短波天線調(diào)諧器進行線路設(shè)計時，低頻信號線、控制線用帶隔離皮的屏蔽線，以免長線感應(yīng)高頻在導(dǎo)線上產(chǎn)生干擾，破壞控制的正常邏輯狀態(tài)，產(chǎn)生誤動作。電路上必要的地方加了電容以鈍化尖峰脈沖。所有的控制信號通過光電隔離器、濾波器后進入印制板，并將弱信號地與射頻地分開。

高頻線全部采用雙層高頻電纜，特性阻抗為50Ω，線的兩頭焊接牢固，并保證了外皮與電纜頭的外殼接觸良好，高頻連接器采用同軸方式，用螺釘安裝，360°與機殼接觸良好，并通過獨立測試挑選。

24V直流電源線通過選用電磁兼容符合要求的濾波器給被供單元供電，在給風(fēng)機供電的傳輸線上加鐵氧體材料。

（三）接地設(shè)計

電子產(chǎn)品的地線分為安全地和信號地，前者是保證設(shè)備電氣安全的，后者是保證電路能夠正常工作的。天線調(diào)諧器設(shè)計信號地和安全地，其中信號地接入平臺內(nèi)部專門的信號地線路，安全地通過銅棒或銅皮方式接于平臺內(nèi)的地線銅板上，盡量減少接地電阻。實際施工中，機箱接地點在去除氧化層后短時間內(nèi)完成連接并馬上用漆涂抹，保證較低的接觸電阻。經(jīng)實際測量，接地電阻小于10毫歐。

結(jié)束語：根據(jù)GJB151B－2013中對電場輻射和磁場輻射測試方法，對所設(shè)計的短波天線調(diào)諧器進行了電磁兼容試驗，測試結(jié)果電場輻射不大于50dBV/m,磁場輻射不大于76dBTP，符合標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)要求。