VLBI臺站布線的電磁兼容性分析*

劉 奇

(中國科學院國家天文臺烏魯木齊天文站，新疆 烏魯木齊 830011)

烏魯木齊南山基地觀測系統由天線與控制系統、前端接收機系統、終端記錄系統和時頻系統組成。系統內，電子設備內部、電子設備之間的線纜越來越多，線纜傳輸不同特性信號時，線纜自身以及線纜與連接器件之間存在的分布參數將產生線間串擾及輻射騷擾，線纜越長，串擾及輻射騷擾就越嚴重。大量的理論及工程實踐表明，互連線纜以及連接器是復雜系統中電磁兼容性最為薄弱的環節之一，也是一個共性問題［1］。系統互連線設計不合理往往是造成系統電磁兼容性不合格的主要原因。

隨著射電天文技術的發展，VLBI系統的敏感度和觀測精度要求越來越高，然而其系統內部的電磁環境極其復雜，系統內部與互聯線纜的相互耦合干擾以及環境噪聲對系統的影響，嚴重影響了VLBI臺站對某些源的觀測，不利于后續的數據處理及分析。

為提高VLBI系統的電磁兼容性，本文分析了系統內布線的電磁兼容性特點，給出了克服線纜間相互干擾的措施和方法。

1 電磁兼容理論基礎

我國國家軍用標準GJB72－85［2］規定，電磁干擾EMI(Electromagnetic Interference)是指任何能中斷、阻礙、降低或限制通信電子設備有效性能的電磁能量。電磁兼容是“設備在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態。即該設備不會由于受到處于同一電磁環境中的其他設備的電磁發射導致或遭受不允許的降級，它也不會使同一電磁環境中其他設備因受其電磁發射而導致或遭受不允許的降級”。電磁兼容性則是指電子、電氣設備或系統在預期的電磁環境中按設計要求正常工作的能力。它反映的是設備或系統承受電磁騷擾時能正常工作，同時又不產生超過規定限值的電磁騷擾。它是設備或系統的重要性能指標，也是保障系統的工作效能和提高系統可靠性的重要因素。

電磁兼容三要素為干擾源、耦合通道和接收器，電磁兼容問題常常從此三要素出發。線纜的電磁干擾主要分為輻射干擾、傳導干擾和串擾。干擾方式主要有共模干擾和差模干擾，共模干擾是指電源線對大地，或中線對大地之間的電位差產生的干擾;差模干擾存在于電源相線與中線之間，如圖1。

1.1 輻射干擾

輻射發射干擾信號通過外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去，空間電磁場與電源線、控制線、信號線耦合形成干擾;此外，線纜上有高頻電流流過時，線纜就變成了一根輻射天線，通過線纜向外部輻射電磁能量，對連接器等敏感器件和設備產生干擾。

圖1 干擾方式Fig.1 Illustration of two EMI modes

1.2 傳導干擾

傳導發射干擾指設備通過電源線或信號線向外發射的干擾，在開放的空間中自由輻射，通過耦合到電源、信號和控制線上，從而產生干擾。其耦合通道主要有公共電源、公共地線和信號線之間的近場感應。傳導干擾通過干擾源與接收器之間的電路連接，通過線纜在接收器上產生共模和差模干擾電流。

1.3 串擾

在干擾源和被干擾源之間不存在直接連接，但在它們的各自導線和引線相互靠近時，會產生寄生電容和寄生電感，導線之間的兩種串擾方式如圖2。

2 系統布線的電磁兼容設計

VLBI臺站系統內共存有天線驅動電機、變頻調速器、電風扇、空調機、開關電源等易產生電磁干擾的設備，同時線纜分布集中，線纜傳輸不同特性信號時，線纜自身以及線纜與連接器件之間存在的分布參數將產生線間串擾及輻射騷擾，傳輸速率越高，信號脈沖上升沿越陡，再加上復雜電子系統所處的電磁環境非常惡劣，致使線纜和連接器受到外界干擾的影響也就越嚴重。為此系統布線的電磁兼容性可采用屏蔽、濾波、接地和搭接等措施予以改善。

2.1 屏蔽

屏蔽能有效地抑制通過空間傳播的電磁干擾，如圖3。采用屏蔽的目的有兩個:一是限制內部的輻射電磁越過某一區域;二是防止外來的輻射進入某一區域。

電磁屏蔽的作用大小用屏蔽效能度量:

式中，A為吸收損耗(dB);R為反射損耗(dB);B為正或負的修正項。

圖2 兩種串擾方式Fig.2 Two modes of crosstalking

圖3 屏蔽機理示意圖Fig.3 Illustration of shielding mechanism

由式(1)得電磁屏蔽體對電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收兩種方式。當A大于15 dB時，B可忽略不計，B是由屏蔽體內反射波引起的。

對于射頻信號線纜和直流供電纜采用屏蔽電纜，其中敏感部位的線纜應采用雙屏蔽電纜，屏蔽電纜兩端需接地，電纜長度L＞λ/20時，單點接地;電纜長度L＜λ/20時，多點接地;只有兩端接地的屏蔽層電纜才能屏蔽磁場，而且可以為共模干擾電流提供低阻抗通道;輻射干擾源、地環路引起的高頻干擾電流僅存于屏蔽層的外表面，大大削弱了其對內部信號干擾。

線纜屏蔽層與連接器的連接應特別注意，連接器處應加導電彈性襯墊，利用機械力將屏蔽層壓緊，金屬連接器處還需加護套。線纜屏蔽層在連接器的外殼連接處應在360°方向上良好連接，若屏蔽層與連接器外殼不能有效地連接，則由于存在較大接觸電阻、分布電容和分布電感，線纜上信號差模電壓引起的共模干擾電流，對敏感線纜和敏感設備產生干擾。

根據線纜分類分別在不同的走線槽內鋪設，走線槽最好用金屬槽［3］，這樣既能屏蔽外部干擾，又能防止內部電磁泄露，干擾其它敏感線纜。線纜相互之間要有一定間隔，可以削弱線纜間的輻射干擾，阻斷近場耦合通路。

2.2 濾波

VLBI臺站系統內，電磁干擾能量可通過輻射性耦合或傳導性耦合進行傳輸。在抑制電磁干擾信號的輻射干擾方面，屏蔽是有效的措施;在抑制電磁干擾信號的傳導干擾方面，電磁干擾濾波器是十分有效的器件。

電磁干擾濾波器是安插在線纜和設備之間的一個專門用來抑制射頻信號傳播的器件。它的作用實際上是雙向性的，既能有效阻止外界的電磁干擾經電纜進入設備，又能阻擋設備自身工作中產生的電磁干擾經電纜進入電網，傳送到其他敏感設備。

電磁干擾濾波器的性能指標用插入損耗衡量，插入損耗［4］定義為沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸到負載的功率P1與接入濾波器后，從噪聲源傳輸到負載的功率P2之比，用dB表示，濾波器接入前后的電路如圖4。

圖4 接入濾波器前后電路圖Fig.4 Circuit diagrams before and after installing the filter

由定義有:

系統內壓縮機、電風扇、驅動電機等電源開關啟動運行時，向電源線和空間發射電磁能量。電源線產生的電磁干擾，可采用電磁干擾濾波器進行抑制。實際安裝時，濾波器應并排安裝，且靠近接口，接口處應設置擋板;濾波器與面板之間必須使用密封襯墊。

濾波器的輸入輸出線纜應盡量短，且相互隔離，防止輸入輸出線纜相互耦合，產生干擾電流，此外，干擾源輸出線過長，輻射干擾在經過電磁干擾濾波器之前就經過空間電磁場耦合到敏感線纜及設備上。

濾波器的外殼與設備的金屬機殼要有可靠的接觸，設備的金屬機殼應保證良好的接地。尤其是高頻倉內空間狹小，電磁環境復雜，在配電箱內安裝電磁干擾濾波器時，也要盡量縮短輸入線長度，并將輸入線和輸出線相互隔離，避免二者之間發生耦合，使電磁干擾濾波器失去功效。

2.3 接地與搭接

為電源和信號電流提供回流和基準電位的線路稱為地線，通常說的接地是指接地線。設備將接地線直接接到大地上或者接在一個作為參考電位的導體上，當電流流過該參考電位時，不會產生電壓降。而不合理的接地會引入電磁干擾，如共地線干擾等，導致電子設備不能正常工作。接地是設備或系統正常工作的基本技術要求之一，也是電磁兼容技術設計的關鍵環節之一。

傳統的接地方式常常構成環路，如圖5，很明顯這種接地方式會產生共模干擾電流，影響設備的電磁兼容性。

接地時，應打破傳統的接地方式，可使用隔離變壓器、扼流圈等方式，如圖6。

圖5 傳統的接地方式Fig.5 Traditional approach of grounding

圖6 防干擾接地方式Fig.6 Grounding approach with interference protection

此外，接地線愈短愈好，接地面應具有高傳導性;低頻宜采用單點接地系統，高頻應采用多點接地系統;為減少由共地線引入的共模干擾，盡量避免產生接地環路;避免信號線兩端接地，兩端接地產生的接地環路易受磁場及地電位差的干擾。由于頻率的關系，無論何種接地方法均應盡量縮短接地線，否則非但增加阻抗，同時會產生輻射雜訊，其作用猶如天線，接地線的長度應小于λ/20。

搭接是指在兩個金屬物體之間建立一個供電流流動的低阻抗通路，以形成一個電氣上的整體連接。良好的搭接具有以下作用:(1)建立信號電流單一而穩定的通路;(2)建立故障電流的回流通路;(3)降低設備殼體上射頻電位;(4)防止靜電電荷的積聚;(5)保護設備和人身安全，防止雷電的危害。由此可見，搭接質量的好壞直接關系到整個系統的電磁兼容性［5］。

搭接時，應注意以下事項:

(1)應使搭接的金屬緊密連接，連接面應均勻、干凈，其間不得有非傳導性物質;

(2)固定時應防止變形、震動、搖擺;

(3)金屬面應予以清潔，不得有油漆或其它雜物，搭接完成后，可涂以油漆或施以其它的防蝕保護;

(4)應考慮不同金屬的電化效應，并應盡量減少接觸鹽水、汽油等，以防電能作用。

3 小結

隨著射電天文技術的發展，VLBI臺站系統的敏感度和觀測精度要求越來越高，然而其系統內部的電磁環境也越來越復雜，國內電磁兼容在射電天文技術領域的應用及研究還顯薄弱。本文在VLBI系統布線電磁兼容設計方面做了一些有益的嘗試，但遠遠不夠，還要運用測試仿真技術及工程經驗做深入細致的工作。

［1］鐘政良.系統布線的電磁兼容研究 ［D］.西安:西安電子科技大學，2006.

［2］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GJB72－85電工術語，電磁兼容 ［S］.北京:中國標準出版社，2003.

［3］中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50217－2007 GB 50217－2007電力工程電纜設計規范 ［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［4］邱揚，田錦.電磁兼容設計技術 ［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1999:1－30.

［5］談儒猛.搭接技術電磁兼容性能研究 ［D］.南京:東南大學，2003.