相控陣雷達陣面通信設備電磁兼容設計

高啟學

(安徽四創電子股份有限公司，合肥230088)

0 引言

隨著雷達技術的快速發展，有源相控陣雷達已經成為重點研究對象[1]。目前，有源相控陣雷達陣面逐漸向大型化方向發展，內部有源設備眾多，結構設計復雜[2]。在有限的空間內，大型相控陣雷達陣面集成了成百上千只射頻收發組件(T/R)，具有射頻功率大、諧波豐富以及多種頻率交錯重疊等特點，其內部電磁環境十分惡劣。因此，對于雷達陣面通信設備來說，在設計時必須嚴格考慮電磁兼容問題，從源頭對電磁兼容性進行分析和預測，降低和減少電磁干擾對通信設備造成的影響，從而保障通信設備自身能夠穩定可靠工作，同時也不會對周圍的其他設備造成干擾。

1 電磁兼容設計

電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility)是指電子和電氣裝置、設備、系統等在電磁環境中，能按照預先的設計要求運行，對其運行環境中的電磁干擾具有一定的抗干擾性[3]。電磁兼容性設計的根本目標是有效降低、減少和消除設備內外部各種電磁干擾，保證設備能夠在預定的電磁環境下實現可靠、穩定工作。

電磁干擾的形成必須同時具備3個因素：干擾源、敏感設備和耦合通道。干擾源泛指能夠產生電磁干擾的人造設備以及大自然輻射源等；敏感設備是指對電磁干擾發生響應的設備；耦合通道指把電磁能量從干擾源耦合或傳遞到敏感設備上的有線或無線媒介。影響設備電磁兼容性的因素可以用式(1)表示[4]：

N(ω)=G(ω)×C(ω)÷I(ω)

(1)

式中，N(ω)代表電磁干擾對設備造成的影響程度；G(ω)代表電磁干擾的強弱；C(ω)代表電磁干擾耦合函數；I(ω)代表設備抗干擾能力，即敏感度閾值。由公式(1)可以得出，設備受干擾程度的大小主要受到G(ω)、C(ω)和I(ω)的影響。因此，電磁兼容的設計可以采取3方面措施：減少干擾源；切斷耦合通道；增加設備抗干擾能力，使其敏感度下降。在設備設計中，3種方式要根據實際情況組合使用，以實現電磁干擾最大程度的降低。

雷達陣面通信設備面臨的是高頻、大功率密度的使用環境，其電磁兼容性設計需要遵循電磁干擾三要素原則，對三要素進行識別。依據電磁兼容性分析三要素，建立此3個要素的物理和數學模型是系統間電磁兼容性預測分析的基礎[5]。其中，干擾源主要指射頻收發組件(T/R)；敏感設備是通信設備；耦合通道主要是射頻干擾源到通信設備之間的物理通道。

首先考慮耦合通道。相控陣雷達陣面T/R單元數量眾多，解決這些單元高速大容量數據的傳輸通常有兩種方法：LVDS方法和光纖傳輸方法[6]。光纖傳輸方法具有傳輸容量大，傳輸損耗遠遠低于金屬波導和同軸射頻電纜的特點，而且光纖為介質材料，無電磁輻射，因此采用光纖傳輸方式不僅大大降低了重量和成本，而且顯著提高了抗電磁干擾(EMI)能力[7]。

某相控陣雷達陣面通信設備基本原理如圖1所示。雷達陣面集成20個數字陣列模塊(DAM)，每個DAM包含16套射頻T/R單元。這些DAM一方面與雷達天線相連，進行射頻信號的收發；另一方面利用通信設備將接收到的I/Q信號經光電轉換后從天線傳輸至電子方艙進行下一步處理。DAM輸出中心波長為850 nm的光信號，限于光滑環技術以及成本，通信設備設計中采用光密集波分復用(DWDM)技術：將雷達陣面波長為850 nm的光信號分別送入波長轉換器(OTU)，波長轉換后的80路光信號進行光波分復用(OMU)。復接后的光信號送入光纖放大器進行光功率放大及光色散補償，通過光纖滑環傳輸到電子方艙。電子方艙對接收到的合路光信號進行光解復用(ODU)處理，依次恢復出80路光信號，再送入光波長轉換器，轉換成80路850 nm光信號送出。

圖1 某相控陣雷達陣面通信設備基本原理

其次是電磁干擾源。對于雷達射頻干擾源來說，可靠接地、信號濾波和設備屏蔽是比較常見有效的抗干擾措施。接地方面，通信設備和雷達陣面內各電子設備、分系統通過銅編織軟電纜與接地裝置可靠連接，保證車體、陣面、電子設備、分系統和大地等電勢，提供泄流回路，實現工作接地和安全保護接地功能，從而提升電磁兼容能力。濾波方面，主要通過電源濾波和高頻信號濾波方式，消除傳導干擾和輻射干擾。通信設備由陣面統一提供直流電源，通過自身增加濾波電路，防止電源受到干擾；在高頻濾波方面主要采取屏蔽措施：設備外殼采用金屬材料進行屏蔽，構成一體化屏蔽體。對于降低電磁敏感度，則從電路PBC設計、元器件選擇、功能模塊等逐級入手，如印制板合理布置旁路、退耦、整形等電容；核心功能模塊加裝屏蔽罩；優選具有較好屏蔽指標的信號電纜和連接器；電源和信號線合理走線，避免交叉、混繞在一起。

金屬屏蔽機箱屏蔽效率(SE)可以參考公式(2)：

SE=A+R+B

(2)

式中，A為吸收損耗；R為反射損耗；B為校正因子。A、R、B的單位均為dB。

吸收損耗A的計算公式為：

(3)

式中，f為頻率(MHz)；σ為導電率；μ為導磁率；t為厚度。

反射損耗R的計算公式為：

R電=321.8-(20lgr)-(30lgf)-[10lg(μ÷σ)]

(4)

R磁=14.6+(20lgr)+(10lgf)+[10lg(μ÷σ)]

(5)

式中，r為干擾源和機箱之間的距離。

校正因子B的計算公式為：

B=20lg[-exp(-2t÷σ)]

(6)

機箱縫隙和通風孔都會對電磁屏蔽指標造成影響。如果縫隙的直線尺寸小于1/10波長，則機箱屏蔽效果和縫隙的傳輸損耗有關[8]，傳輸損耗經驗公式如下：

A=20lgeπt/g=27.3t/g

(7)

式中，g為縫隙長度；t為機箱金屬板材厚度或縫隙的深度。由式(7)可以得出，通過減小縫隙長度、增加板材厚度和縫隙深度的方法，能夠提高機箱屏蔽能力。

通風孔結構尺寸與需要屏蔽的電磁波頻率有直接關系。對于給定頻率的電磁波計算出波長，當孔徑長度為半波長的整數倍時，電磁泄漏最大。工程實踐表明，圓形孔屏蔽效果較方形孔好，多孔屏蔽效能近似估算公式如下：

(8)

式中，λ是波長；L是孔徑長度；N是孔數。對于高頻信號，還需要考慮其一次和二次諧波，較簡單有效的解決辦法是增加孔的深度，減小孔間距，增加孔的數量。

值得注意的是，電磁屏蔽和散熱往往處于互相矛盾狀態，因為電子器件的可靠性與其溫度緊密相關。據統計半導體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會降低50%[9]，所以在電磁兼容設計過程中，還要特別關注設備的熱設計。相控陣雷達陣面冷卻方式涉及到自然冷卻、強迫風冷和液體冷卻3種方式[10]，文章中通信設備采用自然冷卻方式，同時利用陣面風道進行風冷散熱。

2 實際驗證

雷達陣面通信設備設計完成后，按照國軍標GJB 151B-2013相關條款在實驗室環境下進行測試，測試結果表明各項指標均滿足設計要求。通信設備加裝雷達陣面后，進行整機狀態下的指標測試，在雷達發射機不開機情況下，通信設備工作正常；但在發射機全開、寬頻段的狀態下，通信設備偶爾會出現中斷現象。經仔細排查供電、信號、電纜等因素并確認無誤后，最終將故障定位為通信分機局部受到了外部電磁干擾。原因在于通信分機結構設計中，為了進行有效散熱，在機箱局部位置開有一定數量的通風小孔，盡管開孔符合計算指標要求，但陣面內某頻率射頻信號帶外抑制能力欠佳，泄露出的電磁信號從這些通風小孔進入，影響了通信設備的正常工作。為此，通過對電磁泄漏模塊黏貼吸波材料，在機箱通風處加裝對應截止頻率的波導通風窗等方式，提升了屏蔽效能，解決了電磁干擾問題，保證了設備的正常工作。

3 結束語

相控陣雷達陣面通信設備電磁兼容性設計是一項復雜的任務，需要根據雷達運行特點設計電磁兼容方案，分析雷達天線方向圖、射頻發射頻率、功率和天線前后比，大致計算出雷達陣面后向主波和諧波的電磁干擾強度和方向圖，并結合通信設備自身特點和結構安裝位置，綜合考慮電磁兼容性和散熱性。從通信設備研制和使用過程可以看出，設計階段的分析和計算十分重要，同時針對后期設備在使用中出現的電磁兼容問題，分析實際環境，找出具體原因，并采取合理有效的補救措施，確保設備穩定可靠運行。