微波收發(fā)組件的電磁兼容研究

申勝起，張 強(qiáng)

（中國電子科技集團(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（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)方面的問題：（1）微波收發(fā)組件發(fā)射信號對自身接收機(jī)的影響；（2）微波收發(fā)組件二次電源對外部接口的影響；（3）內(nèi)外部電磁環(huán)境對微波收發(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)射信號對自身接收機(jī)的影響

微波收發(fā)組件發(fā)射信號對自身接收機(jī)的影響主要分為兩個(gè)方面：發(fā)射輸出信號對接收機(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)射信號對接收機(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，這些濾波器對發(fā)射輸出信號進(jìn)行抑制；要消除對接收機(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)射信號在接收頻段的噪聲能量。

發(fā)射輸出信號對接收機(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)射信號對接收機(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)會產(chǎn)生較大的反電動(dòng)勢。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)生共模噪聲對外部的干擾以及降低外部共模干擾串入電源。經(jīng)過共模抑制濾波之后，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)境對微波收發(fā)組件的影響

要消除內(nèi)外部電磁環(huán)境對微波收發(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）濾波器來提高電路的抗干擾能力。

3.3.2 外部電磁環(huán)境對微波收發(fā)組件的影響

外部電磁環(huán)境對微波收發(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減小外部電磁信號通過電源干擾微波收發(fā)組件；最后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對射頻通道腔體設(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，從而加強(qiáng)了屏蔽效果。

4 設(shè)計(jì)效果測試驗(yàn)證

微波收發(fā)組件研制完成后進(jìn)行了測試，發(fā)射信號沒有對接收機(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)射測試CE102［3］

試驗(yàn)方法：將測試設(shè)備通過線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)連接到電源上，在設(shè)備正常的狀態(tài)下，測試通過線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）耦合的干擾電壓。測試結(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)射測試結(jié)果（CE102）

4.2 電場輻射發(fā)射測試

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

圖6 電場輻射發(fā)射測試RE102測試結(jié)果

5 結(jié)束語

微波收發(fā)組件在研制階段通過以上幾個(gè)方面的考慮，能有效地解決組件電磁兼容的問題，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］孫國強(qiáng).雷達(dá)電磁兼容設(shè)計(jì)與測試［J］.國外電子測量技術(shù)，2011，30（6）：58－61.