車載通信對抗系統的電磁兼容設計

周豫民

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

現代戰爭中，通信對抗已經成為一種重要的作戰手段。車載通信對抗系統由于具有機動性好、配置靈活等特點，成為通信對抗系統中的重要作戰平臺。車載通信對抗系統一般由高靈敏度接收機、大功率干擾機、指揮控制設備、電源設備和站間通信設備等組成。根據通信對抗設備的作戰任務和應用需要，系統主要具有以下特點［1］:① 接收靈敏度高。可對微弱電磁信號進行偵察、參數測量和解調。②工作頻段寬。系統通常覆蓋從短波到微波的全頻段范圍。③干擾功率大。為有效破壞敵方通信，通信對抗裝備都配備有大功率干擾機。④通信對抗設備與多種站間通信設備并存。

由于以上特點，特別是車載通信對抗系統空間有限，集成度高，各種電子、機電設備復雜，導致系統電磁兼容問題非常突出，成為了系統設計中的難點和關鍵環節。為使通信對抗系統具備良好的電磁兼容特性，必須在多方面采用多種措施做好EMC研究和設計工作。

1 系統EMI分析

電磁干擾的產生和影響取決于3個因素:電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑和電磁干擾敏感設備。

電磁干擾源是產生電磁干擾的元器件或設備。功放、脈沖電路、時鐘源和電機等是通信對抗系統中主要的干擾源。電磁干擾敏感設備就是被干擾設備，電磁干擾源會對其正常工作產生影響，導致其性能下降。低噪聲放大器和接收機等是系統內主要的敏感設備。系統在設計時要充分考慮采用屏蔽、濾波和隔離等多種技術手段，使干擾源降低電磁干擾強度，敏感設備提高抗電磁干擾能力。

電磁干擾傳播途徑包括輻射耦合和傳導耦合。在通信對抗系統中，分析系統內EMI問題的關鍵是確定由干擾設備到敏感設備的耦合路徑，切斷這些耦合路徑或增大耦合路徑上對EMI的衰減，就能有效抑制系統內的EMI［2］。一般情況下，在工程實踐上對耦合路徑采取相應的電磁兼容措施，相比對干擾源和敏感設備采取措施，從技術實現和經濟性等方面都具備較大的優勢。系統內EMI的耦合路徑主要有以下6種:

①不希望的發射源與敏感設備之間的共地阻抗產生的共模耦合。

②電磁場與電纜之間的共模耦合。

③電磁場與電纜之間的差模耦合。這是從電磁環境到電纜的一條直接輻射耦合路徑，該耦合在受擾放大器、數字電路等接收器輸入端直接形成差模電壓;

④電纜之間的近場耦合，這也是一種直接差模耦合方式，電纜—電纜耦合往往發生在同一線束、同一電纜槽中的電線和電纜之間，受干擾的電纜一般都是低電平信號電纜;在通信對抗系統中，有時網線等數據電纜也會受到大功率干擾機電纜的干擾。

⑤主電源至設備電源上的EMI傳導耦合至信號電路。

⑥系統內各天線之間的耦合。

2 接地設計

良好的接地設計是保證系統正常工作的關鍵措施之一。接地是減少EMI和提高抗干擾能力的重要技術，在系統設計中一般分為安全接地和信號接地［3］。主要采取以下措施:

①對安全接地和信號接地進行獨立設計。采用2根金屬銅帶分別作為安全地和信號地，在系統接入大地時采用2根金屬接地棒獨立接地。

②采用寬度30 mm以上銅帶或鍍銀條等良好導電金屬作為接地匯流條，并將其布設至每臺設備附近，各設備獨立連接到匯流條，保證設備與地之間的低阻抗，同時降低各設備之間的共阻抗耦合。

③盡可能降低系統的接地電阻。在車載系統中，一般在車外采用金屬接地棒進行接地，對于金屬接地棒，其接大地電阻為:

式中，l為棒長;d為棒直徑;ρ為大地電阻率。

從式(1)可以看出，增加接地棒長度和直徑都可以降低接地電阻，但由于受系統結構安裝尺寸和操作的限制而無法實現，因此，降低接地電阻的最有效措施就是降低大地電阻率，一般采用土壤濕化的方法，30%的濕化就可以達到良好的效果。若有更高要求，可在電極四周土壤中添加可產生電離的化合物以降低接地電阻，優選MgSO4，具有高導電率，成本低，對電極銹蝕效應低等優點。

④系統中的低電平電路的信號地和用于繼電器和電機電路的噪聲地必須進行隔離。工程上需要特別注意天線伺服電機和低噪聲放大器、微波前端開關等設備之間的接地隔離問題?？蓪?個分離的地僅在遠端一點連接在一起。若不進行分離，則電機啟動和停止時產生的瞬態干擾脈沖會通過地回路對系統內微波前端設備產生較大的干擾，影響其正常工作。

3 屏蔽設計

在通信對抗系統中，設備與設備之間、設備與電纜之間、電纜與電纜之間的EMI問題非常突出。因此，電纜和任務設備的良好電磁屏蔽設計就成為了系統良好工作的保證。

3.1 電纜的屏蔽設計

對于系統中的射頻、電源和控制電纜，最容易受到干擾的是射頻同軸電纜［3］。同軸電纜的差模耦合可由式(2)求出:

用dB表示為:

式中，Is/E為同軸電纜外導體感應的表面電流與環境電場強度之比;ZT為同軸電纜轉移阻抗，是每米受擾電纜外導體感應的電壓與表面電流的比值(Ω/m)，ZT=Vi/Is;k=Vo/Vi，受擾接收器輸入端的差模電壓Vo與電纜外導體內表面感應電壓Vi之比。

系統設計時需要做到以下幾點:

①優化電纜走線空間布局。工程實踐中，大功率射頻、電源電纜與低電平信號電纜在機柜走線槽內綁扎時應分別獨立綁扎，線束之間距離不小于30 mm，以增加空間隔離度，降低電纜之間的耦合和干擾;同時避免長距離平行走線，必要時選擇雙層屏蔽電纜。

②工程實踐表明，在重視射頻電纜屏蔽的同時，對電源和控制電纜也不能忽視?？蛇x擇有屏蔽層的電源電纜和控制電纜，對于特殊應用，可在電纜外部纏繞金屬絲網屏蔽層，增加隔離度。

③選擇轉移阻抗ZT小的電纜。

④電源和控制電纜接插件選擇航空插頭，電纜屏蔽層與接插件采用360°壓接或紡錘形連接。

實踐表明，優化電纜屏蔽設計和布線設計，既可有效提高系統EMC特性，又能大大降低成本。

3.2 整機設備屏蔽設計

整機設備的電磁屏蔽設計，設計時主要遵循以下設計原則:

①整機機箱設計采用金屬密閉結構設計，增加導電連續性，一般采用鋁合金材料［4］。為增加機箱的屏蔽，在機箱蓋板等縫隙處填充導電橡膠、導電泡棉等材料;在細小縫隙處噴涂導電漆或涂抹導電膠。

②接插件選擇航空插座，采用化學鍍鎳材料或不銹鋼材料，在與機箱面板接觸的法蘭底座處安裝導電襯墊。

③風扇處選擇安裝截止波導通風窗。若機箱面板較厚，也可以直接在面板開孔，代替截止波導通風窗，可節省機箱內的空間。截止波導的衰減計算公式為［5］:

式中，λc為波導的截止波長;d為波導長度。根據公式進行計算，采用孔徑4 mm、長度20 mm的蜂窩式截止波導，在頻率10 GHz以下，可產生130 dB以上的屏蔽效果。

④在顯示屏處采擇金屬鍍膜玻璃或金屬絲網進行屏蔽。

⑤電源開關等處選擇密封金屬襯墊和穿心電容。

4 電源EMC設計

電源是通信對抗系統重要的組成部分，也是電磁兼容設計關注的重點之一。系統中電源EMC的主要作用一方面是抑制來自電網的各種電磁干擾，包括電壓不穩、尖峰脈沖、浪涌和線路噪聲等，其中主要是尖峰脈沖。系統在負載切換、電機啟動或停止時，都會發生瞬變過程而產生尖峰脈沖，這些瞬變噪聲會在電子設備的感性負載電路內產生瞬態過程和輻射噪聲干擾。特別是在感性負載(例如系統內的伺服驅動電機)斷開時，其產生的快速瞬變群脈沖，脈沖噪聲前沿最陡，電壓最高，危害也最大;另一方面，在系統中由于設備小型化的趨勢，開關電源已經取代了線性電源被普遍使用。開關電源本身在體積、重量和效率3個方面具有傳統線性電源無法比擬的優勢，但同時由于大功率開關管工作在高壓大電流的切換狀態，導致其本身也是一個強電磁干擾源，會對周邊設備產生電磁干擾，從而使其性能下降。

對于電源部分的EMC設計，在工程實際中主要采用以下方法:

①整機設計時選擇具有良好差模和共模抑制的EMI電源濾波器，這是最為有效的方法。目前EMI電源濾波器的設計和生產都已經非常成熟，選擇合適的濾波器可使設備較好地滿足GJB151A中關于電源電磁兼容的相關要求。

②在系統的電源輸入端配置相應功率容量的UPS，降低電網和發電機的電磁干擾和電壓波動影響;由于電網和發電機的輸出特性存在差異，因此在選擇UPS時要考慮對電網和發電機的適應性。

③做好電源系統的瞬態保護。對于瞬態高能量騷擾，采用氣體放電管做一次保護，具有良好的浪涌電流吸收能力，采用硅瞬變電壓吸收二極管(TVS)或壓敏電阻做二次保護［6］，其具有響應速度快等優點。

④做好系統的統一設計，特別對于系統內大的干擾源，要認真考慮其對周圍相關設備的影響。在電源系統的接地設計等方面全面考慮，避免電磁干擾通過接地等途徑進行串擾。

5 電磁頻譜規劃與天線隔離

在通信對抗系統中，各站之間由于指揮控制和信息傳輸等功能需要，同樣裝備著大量的通信設備。通信設備與對抗設備二者之間的電磁兼容特性直接關系到系統作戰效能。為保持良好的EMC特性，主要采用以下措施:

①系統設計時，若能夠采用有線通信設備，優先選用有線通信設備;若必須選用無線通信設備，則需要在通信頻段規劃上與對抗設備工作頻段錯開，一般將通信頻率設置在對抗設備工作頻率的2倍以上，避免相互之間的干擾。特別需要考慮到的是，由于對抗設備都是寬帶大功率功放，因此必須考慮對抗設備的諧波對通信設備的影響。一般在功放輸出端增加諧波濾波器，諧波濾波器采用腔體濾波器，其具有截止特性好、插入損耗小、功率容量大等突出優點。必要時可考慮采用濾波器組的設計方案，但其重量、體積偏大，成本偏高。

②隨著通信技術的不斷發展，通信設備的抗干擾能力也在不斷提升。在系統設計時，優先選擇具備良好抗干擾能力的跳頻、擴頻通信體制，優先選擇自適應能力和糾錯能力強的先進數字通信系統，不僅可以提高系統的EMC特性，也可以大大降低敵方對我系統通信的截獲概率。

③天線隔離設計。系統通信天線選擇方向性較強的天線，降低天線旁瓣，增加天線的前后比，一方面可以增加通信距離，另一方面可以有效降低干擾設備對通信設備的影響。在作戰部署時優化系統配備關系，工作時對抗設備天線與通信天線方向錯開，增加天線之間的隔離度。

④在系統工作流程上進行優化設計，必要時采取分時工作。對數據進行緩存壓縮后猝發傳輸。

6 結束語

在通信對抗系統中，由于大量通信對抗設備和通信設備的集成，導致系統的電磁兼容設計非常重要，特別需要在前期系統設計時予以重視，進行詳細的電磁兼容特性分析，結合理論計算和實際工程經驗，采取適當的電磁兼容措施，兼顧效果和成本，以取得事半功倍的效果。

［1］ 侯印鳴.綜合電子戰:現代戰爭的殺手锏［M］.北京:國防工業出版社，2000:148-219.

［2］ 周開基.電磁兼容性原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2003.

［3］ 鄒 澎.電磁兼容原理、技術和應用［M］.北京:清華大學出版社，2007:200-221.

［4］ 潘 林.電子設備電磁兼容設計與分析［J］.渤海大學學報，2006，27(2):145-148.

［5］ 高攸綱.屏蔽與接地［M］.北京:北京郵電大學出版社，2004.

［6］ 杜祖生.裝甲車輛計算機的電磁兼容設計［J］.艦船電子工程，2007，27(1):177-179.