微波收發(fā)組件的電磁兼容研究

申勝起，張 強(qiáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司13所，石家莊 050051）

1 概 述

電磁兼容（EMC）是指設(shè)備在其電磁環(huán)境中能夠正常工作并且不對(duì)該環(huán)境中其他事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電磁兼容已成為人們迫切關(guān)注和解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

微波收發(fā)組件主要包含發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩大功能部分，其中既有電磁干擾源——大功率微波放大器及電源模塊，同時(shí)又有敏感設(shè)備低噪聲放大器（LNA）及遙控（TC）遙測(cè)（TM）電路。因此，微波收發(fā)組件設(shè)計(jì)中重點(diǎn)需要考慮電磁兼容的設(shè)計(jì)［1］。

本文就某航天器用數(shù)傳機(jī)S頻段微波前端組件的電磁兼容設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

2 設(shè)備組成

微波收發(fā)組件主要由發(fā)射通道、接收通道、二次電源（EPC）、遙控、遙測(cè)五部分組成。考慮到衛(wèi)星距離地球較遠(yuǎn)，地面所發(fā)射的信號(hào)到達(dá)天線后均隱藏在接收白噪聲之下，所以要求接收通道的接收靈敏度為－124 dBm；考慮到數(shù)傳機(jī)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來(lái)越大，為保證傳送數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)射通道輸出功率為43 dBm。產(chǎn)品組成框圖見圖1。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁兼容規(guī)范要求，微波收發(fā)組件在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮了以下3個(gè)方面的問(wèn)題：（1）微波收發(fā)組件發(fā)射信號(hào)對(duì)自身接收機(jī)的影響；（2）微波收發(fā)組件二次電源對(duì)外部接口的影響；（3）內(nèi)外部電磁環(huán)境對(duì)微波收發(fā)組件的影響。

圖1 產(chǎn)品組成框圖

3.1 微波收發(fā)組件的發(fā)射信號(hào)對(duì)自身接收機(jī)的影響

微波收發(fā)組件發(fā)射信號(hào)對(duì)自身接收機(jī)的影響主要分為兩個(gè)方面：發(fā)射輸出信號(hào)對(duì)接收機(jī)動(dòng)態(tài)的影響，即發(fā)射電平不能使接收機(jī)各單元電路飽和；發(fā)射信號(hào)對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響，即不能惡化接收機(jī)信噪比。要消除對(duì)接收機(jī)動(dòng)態(tài)的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)要考慮在接收鏈路引入合適的濾波器，這些濾波器對(duì)發(fā)射輸出信號(hào)進(jìn)行抑制；要消除對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)要考慮在天線收發(fā)隔離一定的情況下，提高發(fā)射機(jī)的線性度，以減小發(fā)射信號(hào)在接收頻段的噪聲能量。

發(fā)射輸出信號(hào)對(duì)接收機(jī)動(dòng)態(tài)的影響計(jì)算如表1所示。

表1 發(fā)射機(jī)開機(jī)對(duì)接收機(jī)動(dòng)態(tài)的影響

計(jì)算結(jié)果，在中頻輸出端的發(fā)射干擾電平為－50 d Bm時(shí)，不影響接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。

發(fā)射信號(hào)對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響見表2。

計(jì)算結(jié)果，接收機(jī)輸入端發(fā)射噪聲－149 dBm，遠(yuǎn)低于接收機(jī)本地噪聲－106 dBm，不影響接收機(jī)的靈敏度。

3.2 微波收發(fā)組件二次電源對(duì)外部接口的影響

微波收發(fā)組件的開關(guān)機(jī)采用繼電器的方式。由于繼電器屬于感性負(fù)載，在通斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反電動(dòng)勢(shì)。為了加以抑制，采用1只二極管與1個(gè)小電阻串聯(lián)或2只二極管串聯(lián)的消反電路形式。電源輸入端口如圖2所示，典型電路如圖3所示。二極管的導(dǎo)通電阻比普通開關(guān)管小，它的正向整流電流和正向浪涌電流比普通開關(guān)管大，所以執(zhí)行電路由導(dǎo)通到截止瞬間，繼電器線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)由于二極管的續(xù)流可以很快流入電源。電阻的作用是當(dāng)二極管失效短路時(shí)，保證繼電器執(zhí)行電路的正常工作。

表2 發(fā)射機(jī)開機(jī)對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響

圖2 電源輸入端口框圖

圖3 繼電器典型驅(qū)動(dòng)電路

另外，在DC／DC電源輸入端設(shè)計(jì)了共模抑制濾波電路，主要是為了減小電源產(chǎn)生共模噪聲對(duì)外部的干擾以及降低外部共模干擾串入電源。經(jīng)過(guò)共模抑制濾波之后，母線分成兩部分分別給接收、發(fā)射電源變換電路。在接收、發(fā)射電源變換電路輸入端分別設(shè)計(jì)π型差模抑制濾波電路，同時(shí)在電源變換模塊的各路輸出端設(shè)計(jì)了抑制振蕩頻率干擾的LC濾波網(wǎng)絡(luò)。DC／DC電源還在一次地與二次地之間加濾波電容網(wǎng)絡(luò)，有效濾除共模干擾產(chǎn)生的影響，詳見圖4［2］。

3.3 內(nèi)外部電磁環(huán)境對(duì)微波收發(fā)組件的影響

要消除內(nèi)外部電磁環(huán)境對(duì)微波收發(fā)組件的影響，主要是要提高微波收發(fā)組件自身的抗干擾能力。重點(diǎn)從內(nèi)外部電磁環(huán)境情況及結(jié)合微波收發(fā)組件的電路布局、設(shè)備殼體屏蔽、接地和濾波設(shè)計(jì)等幾方面進(jìn)行考慮。

圖4LC濾波網(wǎng)絡(luò)

3.3.1 內(nèi)部電磁環(huán)境對(duì)微波收發(fā)組件的影響

微波收發(fā)組件內(nèi)部電磁竄擾需要從以下幾方面進(jìn)行考慮：首先，需要明確不同電路單元的結(jié)構(gòu)布局，接收通道和發(fā)射通道最好不在盒體的同一面上，同時(shí)要有隔腔對(duì)電源和射頻進(jìn)行隔離；其次，收發(fā)本振若是共用晶振，需要加強(qiáng)收發(fā)本振的隔離，具體可根據(jù)實(shí)際情況，增加濾波器、緩沖放大器或各自有獨(dú)立的腔體等措施；然后，設(shè)計(jì)印制板時(shí)選用多層板將數(shù)字電路和模擬電路分開，并且要求數(shù)字電路的地采用單點(diǎn)地，提高抗射頻干擾的能力；射頻電路采用大面積接地，改善射頻信號(hào)的傳輸特性；最后，電路設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)了二次電源的濾波設(shè)計(jì)，使用1 000 p F、1μF、10μF多個(gè)電容并聯(lián)的方式，提高電路的抗干擾能力，不同電路單元間可增加電磁干擾（EMI）濾波器來(lái)提高電路的抗干擾能力。

3.3.2 外部電磁環(huán)境對(duì)微波收發(fā)組件的影響

外部電磁環(huán)境對(duì)微波收發(fā)組件的影響需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

首先，接收通道前端需增加預(yù)選通濾波器和鏡像抑制濾波器，發(fā)射通道中間和輸出端需增加濾波器來(lái)抑制接收噪聲；其次，DC／DC電源輸入端需增加共模抑制濾波器來(lái)減小外部電磁信號(hào)通過(guò)電源干擾微波收發(fā)組件；最后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)射頻通道腔體設(shè)計(jì)雙層盒蓋，且緊固盒蓋所用的螺釘間距小于1／4波長(zhǎng)，從而加強(qiáng)了屏蔽效果。

4 設(shè)計(jì)效果測(cè)試驗(yàn)證

微波收發(fā)組件研制完成后進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)射信號(hào)沒(méi)有對(duì)接收機(jī)本身動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度產(chǎn)生影響；另外也對(duì)電源接口和外部電磁輻射進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，微波收發(fā)組件均能正常工作。

4.1 電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試CE102［3］

試驗(yàn)方法：將測(cè)試設(shè)備通過(guò)線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)連接到電源上，在設(shè)備正常的狀態(tài)下，測(cè)試通過(guò)線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）耦合的干擾電壓。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，達(dá)到了規(guī)定要求。

圖5 電源線傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試結(jié)果（CE102）

4.2 電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試

試驗(yàn)方法：在設(shè)備正常工作時(shí)，用EMI測(cè)試接收機(jī)和測(cè)試天線，記錄設(shè)備最大發(fā)射方位、主要工作模式下的對(duì)外輻射電場(chǎng)強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，達(dá)到了規(guī)定要求。

圖6 電場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試RE102測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

微波收發(fā)組件在研制階段通過(guò)以上幾個(gè)方面的考慮，能有效地解決組件電磁兼容的問(wèn)題，為組件的研制成功提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也縮短了組件的研制周期。對(duì)于如何進(jìn)行微波接收組件電磁兼容設(shè)計(jì)的量化研究，還有待于進(jìn)一步探索和努力。

［1］王慶斌.電磁干擾與電磁兼容技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］尹華，馮小飛，徐勇.一種車載部件電源的電磁兼容設(shè)計(jì)研究［J］.微電子學(xué)，2012，42（4）：215－218.

［3］孫國(guó)強(qiáng).雷達(dá)電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011，30（6）：58－61.