目標(biāo)端空空通信機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要:空空通信機(jī)裝置于目標(biāo)飛行器與追蹤飛行器上，用來建立2個(gè)飛行器之間的雙向通信鏈路。簡要介紹了目標(biāo)端空空通信機(jī)的基本工作原理及組成，分析了目標(biāo)端空空通信機(jī)的電磁兼容試驗(yàn)要求及與電磁兼容設(shè)計(jì)相關(guān)的電性能指標(biāo)要求。針對目標(biāo)端空空通信機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腔體效應(yīng)、布線布局及帶外抑制等方面，進(jìn)行了理論分析和仿真計(jì)算。在目標(biāo)端空空通信機(jī)設(shè)計(jì)初期，利用電磁兼容分析和仿真計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)電磁兼容設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)端空空通信機(jī)的自兼容和互兼容。

　　關(guān)鍵詞:空空通信;電磁兼容;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);腔體效應(yīng);仿真計(jì)算

　　0引言

　　隨著航天器上電子設(shè)備和載荷向小型化、集成化、功能復(fù)雜化方向發(fā)展，且航天器上一般有多個(gè)用于遙控遙測、通信與導(dǎo)航定位的無線發(fā)射和接收設(shè)備，使得無線電頻譜日益擁擠，航天器電子設(shè)備的電磁兼容要求日益增加，電磁兼容技術(shù)日漸成為保障航天任務(wù)成功執(zhí)行的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。本文研究的目標(biāo)端空空通信機(jī)相比追蹤端空空通信機(jī)具有大功率模式下發(fā)射功率大、可數(shù)控發(fā)射功率范圍大的特點(diǎn)，相比有飛行經(jīng)歷的目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射信號帶外抑制要求更高，新增了收/發(fā)通道可切換空空前置放大器通道等功能。

　　同時(shí)，目標(biāo)端空空通信機(jī)在工作頻段附近用頻設(shè)備較多，工作頻段頻譜高度密集，在設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足自身電磁兼容性，又要滿足互兼容要求，增加了電磁兼容設(shè)計(jì)的難度。本文基于電磁兼容基本理論，采用數(shù)值分析和仿真計(jì)算的方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期指導(dǎo)產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自兼容和互兼容要求，避免了產(chǎn)品在設(shè)計(jì)完成后發(fā)現(xiàn)電磁兼容問題再進(jìn)行整改的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了研制周期，節(jié)約了成本。

　　1目標(biāo)端空空通信機(jī)工作原理

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)位于目標(biāo)飛行器中，承擔(dān)交會對接段以及撤離段飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)以及控制等數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)[2-3]。目標(biāo)端空空通信機(jī)從空空通信天線或空空前置放大器選擇一路射頻接收信號進(jìn)行放大、下變頻和解調(diào)，并將解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)送至空空通信接口;同時(shí)接收空空通信接口送來的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并將已調(diào)制的信號選擇由空空通信機(jī)功放組件放大后經(jīng)空空通信天線發(fā)送出去或選擇由空空前置放大器功放組件放大后經(jīng)空空支架天線發(fā)送出去。目標(biāo)端空空通信機(jī)主要由發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字處理模塊、電源模塊及雙工器等組成。

　　2電磁兼容要求分析

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)不僅要實(shí)現(xiàn)防止內(nèi)部信號串?dāng)_的“自兼容性”，還需要實(shí)現(xiàn)抵抗產(chǎn)品間相互串?dāng)_的“互兼容性”，并能夠按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能，抵御一定程度的電磁干擾[4-5]，最終通過GJB151B-2013、型號產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建造規(guī)范要求的相關(guān)測試項(xiàng)目。按照要求，目標(biāo)端空空通信機(jī)需要進(jìn)行RE102，CE102，RS103，CS101，CS114，CS115，CS116，ESD及CE106共9項(xiàng)電磁兼容測試項(xiàng)目。

　　含有射頻類收發(fā)信機(jī)的設(shè)備電磁兼容測試項(xiàng)目中一般CE102，CE106及RE102等測試項(xiàng)目容易超差，目標(biāo)端空空通信機(jī)的電源設(shè)計(jì)中采用電源保護(hù)、抗浪涌電流、電源濾波和二次穩(wěn)壓電路，可有效抑制電源線傳導(dǎo)發(fā)射。在電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮目標(biāo)端空空通信機(jī)的內(nèi)部“自兼容性”、電性能指標(biāo)的滿足情況、電磁兼容測試中RE102和CE106項(xiàng)目�？紤]到目標(biāo)飛行器與追蹤飛行器在進(jìn)行交會對接時(shí)，相對距離由遠(yuǎn)及近變化引起的場強(qiáng)變化非常大，需采取功率控制措施防止2個(gè)飛行器在距離較近時(shí)接收機(jī)飽和而無法正常解調(diào)。目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射功率大，且在發(fā)射頻率附近用頻設(shè)備較多，在限定整機(jī)功耗的情況下對BPSK調(diào)制的發(fā)射信號帶外抑制提出了第2旁瓣范圍帶外抑制大于45dBc，在第3旁瓣范圍帶外抑制大于55dBc，發(fā)射功率及帶外抑制需要在高低溫和熱真空等環(huán)境下均滿足要求，對電磁兼容設(shè)計(jì)提出了較高要求。

　　3電磁兼容設(shè)計(jì)方法

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)內(nèi)部包含了多個(gè)功能模塊，高頻與低頻、大信號與小信號、數(shù)字電路與模擬電路共存于一個(gè)單機(jī)中，內(nèi)部存在嚴(yán)重的電磁干擾，因此需要對各功能模塊及器件合理布局，通過接地、屏蔽和濾波技術(shù)來提高抗干擾門限并降低對其他產(chǎn)品的干擾[6-7]。根據(jù)目標(biāo)端空空通信機(jī)的特點(diǎn)，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腔體效應(yīng)、布局布線及帶外抑制等方面分析電磁兼容設(shè)計(jì)方法和具體措施。

　　3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)內(nèi)部信號類型多且特性復(fù)雜，包括數(shù)字、射頻、遙測、遙控及供電等信號。為了防止各模塊及信號間的干擾，目標(biāo)端空空通信機(jī)采用模塊式疊層結(jié)構(gòu)。在保證射頻模塊正常工作的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮收發(fā)通道的隔離度和模塊間電磁兼容問題，射頻模塊在結(jié)構(gòu)上各單元獨(dú)立處理，接收通道和發(fā)射通道都設(shè)計(jì)有單獨(dú)的本振單元以防止信號間的串?dāng)_，收發(fā)通道的射頻信號進(jìn)行了帶外濾波設(shè)計(jì)。射頻模塊在結(jié)構(gòu)上發(fā)射通道和接收通道布于不同盒體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)通道間的物理隔離[8-9]。電磁場能夠從結(jié)構(gòu)件的縫隙中泄漏出去，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減少屏蔽體的縫隙數(shù)量，減小縫隙的寬度和長度。

　　在蓋板與結(jié)構(gòu)殼體貼合處加縫隙臺階，殼體與蓋板通過螺釘緊固。當(dāng)結(jié)構(gòu)的孔縫尺寸等于半波長整數(shù)倍的情況下電磁泄露最大，在設(shè)計(jì)螺釘?shù)拈g距時(shí)要避開這一尺寸。目標(biāo)端空空通信機(jī)對射頻電路采用分蓋結(jié)構(gòu)使各單元獨(dú)立屏蔽，每一功能單元在一個(gè)屏蔽盒內(nèi)，對于大功率模塊功放組件采用雙層蓋板屏蔽來減小縫隙輻射。一些控制和電源線腔體之間的連接通過穿心電容來完成，以抑制電磁干擾。

　　3.2腔體效應(yīng)

　　3.2.1腔體效應(yīng)分析

　　射頻功率的傳輸通過腔體濾波器和微帶線來實(shí)現(xiàn)，微帶電路封裝在金屬腔體內(nèi)以保護(hù)電路性能并實(shí)現(xiàn)電路穩(wěn)定性。當(dāng)腔體的長、寬和高滿足腔體諧振對應(yīng)的特定波長時(shí)，會影響信號的正常傳輸，發(fā)生腔體效應(yīng)[10]。因此，在設(shè)計(jì)目標(biāo)端空空通信機(jī)腔體時(shí)要避免腔體在工作頻率范圍內(nèi)諧振而出現(xiàn)放大器自激或衰減尖峰的情況。

　　3.2.2腔體設(shè)計(jì)仿真

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)的腔體設(shè)計(jì)大部分可根據(jù)式(1)進(jìn)行分析，但發(fā)射模塊中的數(shù)控衰減電路是控制功放組件輸入激勵(lì)信號大小的模塊，發(fā)射功率動(dòng)態(tài)要求為35dB，如果存在腔體效應(yīng)或信號串?dāng)_都將影響不同模式下的發(fā)射功率大小指標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)使用基于頻域有限元算法的電磁場求解軟件對發(fā)射數(shù)控模塊進(jìn)行建模仿真[11]。發(fā)射數(shù)控模塊主要由放大器、數(shù)控衰減器和隔離器組成。通過仿真計(jì)算優(yōu)化腔體隔腔及印制板布線，使發(fā)射數(shù)控模塊腔體在電路工作頻率附近無諧振點(diǎn)，信號線間無串?dāng)_。

　　3.3布線布局

　　3.3.1布線布局設(shè)計(jì)分析

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)中在設(shè)計(jì)時(shí)射頻電路與數(shù)字電路分開，一些敏感射頻電路設(shè)計(jì)在獨(dú)立的腔體內(nèi)，同時(shí)將數(shù)字電路及射頻電路設(shè)計(jì)在不同分層模塊中，以降低各模塊間的影響。在布線時(shí)模擬電路大信號與小信號分開，前后不形成回路，選用合適的濾波器抑制電磁干擾，從而提高電路承受電磁干擾的門限。射頻模塊中，傳輸線在腔體或器件互聯(lián)等位置不可避免地會出現(xiàn)拐角、寬度突變和過孔等阻抗不連續(xù)現(xiàn)象。傳輸線的阻抗不連續(xù)性不僅能引起信號的反射，還能激勵(lì)信號的高次模，產(chǎn)生電磁輻射問題，影響電路的正常工作。為了消除射頻電路中傳輸線阻抗的不連續(xù)性，通常在傳輸線拐角處采用切角或圓角走線的方法進(jìn)行走線。對于走線由于器件封裝引起的不連續(xù)，可用漸變線等方式來減小阻抗不連續(xù)的影響[12-13]。

　　3.3.2布局布線設(shè)計(jì)仿真

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)的發(fā)射本振模塊為調(diào)制模塊提供本振信號，發(fā)射本振模塊輸出信號需與下級電路良好匹配，以減少輸出端信號反射造成的發(fā)射相位不平衡指標(biāo)的惡化，發(fā)射本振模塊主要由晶振、鎖相環(huán)電路及CRO組成[14-15]。根據(jù)電路仿真優(yōu)化傳輸線線寬和器件布局，使發(fā)射本振模塊能夠在輸出端形成良好匹配。

　　4設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證分析

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)通過了產(chǎn)品要求的所有相關(guān)鑒定級試驗(yàn)及電磁兼容試驗(yàn)。產(chǎn)品在試驗(yàn)過程中性能指標(biāo)滿足要求，試驗(yàn)前及試驗(yàn)后全部功能性能均正常。目標(biāo)端空空通信機(jī)發(fā)射狀態(tài)CE106測試結(jié)果中二次諧波抑制比規(guī)定限值有40dB的余量，3次諧波抑制比規(guī)定限值僅有7dB的余量，三次諧波抑制余量較小是由于在雙工器中存在寄生通帶的影響，如需對三次諧波進(jìn)一步抑制可在設(shè)計(jì)時(shí)增大雙工器對三次諧波的抑制。

　　電力論文投稿刊物：無線電工程主要刊登內(nèi)容為：國家基金項(xiàng)目論文、博(碩)士學(xué)術(shù)論文，跟蹤與報(bào)道信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、信號與信息處理、測控遙感與導(dǎo)航定位、電磁場與微波、專題技術(shù)與工程應(yīng)用領(lǐng)域的最新科技成果和前沿技術(shù)，技術(shù)與市場緊密相結(jié)合。

　　5結(jié)束語

　　目標(biāo)端空空通信機(jī)包含大功率發(fā)射機(jī)和高靈敏度接收機(jī)，且所處的電磁環(huán)境異常復(fù)雜，單機(jī)的電磁兼容性設(shè)計(jì)非常重要。本文在分析了目標(biāo)端空空通信機(jī)的電磁兼容試驗(yàn)要求、單機(jī)原理和電磁兼容設(shè)計(jì)相關(guān)電性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)端空空通信機(jī)的特點(diǎn)，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腔體效應(yīng)、布線布局和帶外抑制等方面進(jìn)行了理論分析及數(shù)值仿真計(jì)算，利用分析結(jié)果指導(dǎo)了相關(guān)電磁兼容性設(shè)計(jì)。最終目標(biāo)端空空通信機(jī)的電性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，并通過了電磁兼容試驗(yàn)及型號鑒定級試驗(yàn)，驗(yàn)證了電磁兼容設(shè)計(jì)方法可靠有效。本文采用的設(shè)計(jì)方法對通信機(jī)類產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)有一定的參考作用。

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　　作者：陳瑞龍，陳新，黃波，洪亮，李林瞳

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