復雜環境下主導干擾來源快速診斷方法

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(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

隨著裝備載荷信息處理能力的不斷提高，電子設備大幅度增加，而且電子設備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度也不斷提高。各種設備將暴露在越來越復雜的電磁環境下。一方面，隨著靈敏度的提高，意味著，噪聲干擾的門限也隨之抬高，另一方面，頻帶寬度的拓寬，潛在頻段的噪聲也會落入到帶內來。同時在寬帶接收系統中，用頻設備帶外發射，天線旁瓣效應等因素的存在，使得即使頻率規劃良好、天線布局規范的系統也會存在潛在的電磁兼容問題。尤其在多個用頻設備同時干擾一個寬帶接收系統時，由于電磁環境復雜，考慮因素較多，目前還沒有一個從整個系統角度，針對性強，行之有效的快速診斷優化方法。通過采用擬合環境中等效噪聲干擾，再還原定位到對應頻段主導噪聲干擾來源的方法，使得故障定位更準確、優化措施更高效。

1 電磁兼容三要素

形成系統電磁干擾必須同時具備3個基本要素：電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備。

1.1 電磁干擾源

電磁干擾源是指某干擾設備或自然現象，它能使共享同一環境的其它設備、分系統或系統發生電磁危害，導致性能降級或失效；也可能會使人或其它生物受到傷害。干擾源有多種分類方式：根據干擾源產生的原因可分為自然干擾源和人為干擾源；根據干擾源作用時間可分為長期起作用的連續干擾源和短期起作用的間隙干擾源及偶然單次開關切換、時間很短并且非周期性作用的瞬變干擾源；根據頻譜區分有寬帶干擾和窄帶干擾。

1.2 耦合路徑

耦合路徑是指傳輸電磁騷擾的通路或媒介。任何干擾的產生必然通過某些耦合路徑由電磁騷擾源耦合到敏感設備，常見的耦合方式如圖1所示，即傳導耦合和輻射耦合方式。在近場情況下，輻射耦合可能以磁場耦合為主，也可能以電場耦合為主；而在遠場情況下，將通過電磁波來耦合，并且電場與磁場有固定的比。對于非常接近的電路和導線，一般認為耦合或串擾是通過互感和電路間的電容產生的，不過通常只有一種耦合方式起著主導作用。噪聲源可以是電源線、信號線、邏輯電路或載流的接地線。傳導路徑可能是電阻性的，也可能是有意或無意存在的電感或電容，而且是這些因素的綜合作用。電抗性元件常常會導致諧振，在諧振頻點將伴隨著電流的增加或減少。

圖1 耦合干擾路徑

①和②是其中從干擾源輻射到敏感設備與電纜；③和④是從干擾源的線纜(包括信號線和電力線)輻射到敏感系統及所交聯線纜；⑤是從干擾源直接由公共導體傳導到敏感系統。

1.3 敏感設備

接收系統的電磁敏感響應是各分立器件共同作用的結果，放大器和混頻器作為射頻接收系統的關鍵模塊，其非線性敏感效應直接影響接收系統的電磁敏感性。因此研究接收系統對干擾信號的敏感特性，就需要研究各分立器件對干擾信號的敏感特性，尤其是位于射頻前端的低噪聲放大器。

根據干擾信號頻譜與接收系統工作帶寬的關系，把電磁干擾分為帶內和帶外兩種情況。帶內干擾也即同頻道干擾，它是指處在接收系統工作頻率或者接近接收系統工作頻率處的干擾。由于處于接收機的工作通道內，所以帶內干擾很難被濾波器濾除。因此接收機對帶內干擾十分敏感。當理想狀態下時，系統敏感度閾值以對數形式表達為：。由公式可知，接收系統基底噪聲、工作帶寬、噪聲系數以及所要求的輸出信噪比共同決定了接收機帶內敏感度閾值。

2 電磁兼容關鍵參數仿真提取

仿真算例基于公開市場較為常見的系統模型，僅作為示范說明。將分別通過仿真的手段，提取干擾源、耦合路徑、敏感設備的電磁兼容關鍵參數。

2.1 干擾設備仿真計算

算例中干擾設備采用二次上變頻的結構形式。該發射設備產生主頻為1GHz，帶寬為10MHz的信號。中頻信號通過二級混頻之后，形成主頻信號，并通過發射天線發射出去。干擾設備的系統行為級模型如下：

圖2 干擾設備系統行為級仿真模型

采用瞬態仿真器仿真，做一次傅里葉變換后得到它的高次諧波的幅度，其發射的帶外頻譜如下：

圖3 發射信號的帶外頻譜

通過頻譜圖可以發現，該發射器的諧波抑制做的不是很好，諧波點的諧波干擾分量毛刺表現很高，在靠近主頻1 GHz附近的諧波分量表現尤為明顯。各階諧波分量隨著頻率的增加而逐漸變小。

2.2 干擾路徑仿真計算

干擾路徑算例采用在工程中較為常見的S參數法計算出某大功率用頻設備與寬帶敏感接收系統接收天線端口之間的天線隔離度。在該兩個設備天線端口上分別設置端口1，端口2，直接計算其參數，其形式的絕對值即是隔離度。但是該方法需要考慮去除兩天線模型引入的失配損耗。

圖4 系統天線間隔離度仿真模型

通常情況下，我們直接用作為天線間的隔離度，從量級上考慮天線失配引入的損耗，，有公式，天線反射不超過0.3時，引入的誤差不超過1dB，當天線嚴重失配時，會引入幾十甚至幾百的誤差，這個是不能容忍的，所以使用這種方法一定要注意天線匹配狀況。通過S參數仿真計算某大功率干擾源與受擾設備之間的隔離度，如下圖：

圖5 某大功率干擾源與受擾設備間隔離度

2.3 干擾路徑仿真計算

干擾路徑算例對基于ATF54143芯片低噪聲受擾敏感電路的噪聲系數進行仿真分析。

圖6 受擾敏感電路的噪聲系數仿真模型

圖7 噪聲系數仿真結果

圖8 S(2,1)曲線仿真結果

在2.45 GHz處，增益為15 dB，NF小于0.7 dB，輸入、輸出反射系數都在-15 dB以下，VSWR在1.3左右，且整個電路無條件穩定。

在接收系統射頻前端的中頻輸出端面向下級電路主要關注兩個參數：功率和信噪比。射頻前端系統的噪聲系數，以形式表達。接收系統端口處的噪聲門限，由接收靈敏度和接收端口處的信噪比要求決定，以形式表達：。

所以接收系統端口的噪聲門限可計算為：，將噪聲門限推廣到整個頻帶上可在寬帶的頻譜上可表現為一條噪聲門限頻譜曲線。

3 寬帶干擾鏈路

在《軍用設備和分系統電磁發射和靈敏度要求與測量》(GJB151B-2013)中只提出了針對單個設備或分系統的電磁發射和敏感度要求。該方法孤立了多個設備之間的交聯特性，忽略了多種干擾因素的優先級關系。

一般的，在單頻點干擾分析中，當干擾設備的帶外發射落入接收系統工作頻帶范圍之內時，就會對接收系統產生潛在干擾可能。當這一帶外發射(干擾設備產生的帶外發射能量值，簡稱為帶外發射)要經過線纜損耗、發射機天線增益、空間衰減、接收系統天線增益、線纜損耗等5個過程會對接收系統產生端口處的干擾，可由形式表達為

。當超過接收系統的干擾門限時，接收系統就會受到干擾。其分析模型可由下圖表示。

圖9 單頻點干擾鏈路示意圖

在分析單一設備對寬帶接收系統的干擾分析中，由于接收系統的工作頻帶寬達數GHz，在分析時一般都要將帶寬因素考慮進去：

首先，在干擾設備的工作頻帶之外會有窄帶諧波、寬帶雜散波等干擾均會落在寬帶接收系統的工作頻帶之內，可視為一條頻率響應曲線；

其次，綜合考慮寬帶發射天線增益、寬帶空間衰減和寬帶接收天線增益三者因素的天線隔離度也是隨著頻率變化而變化的，可視為一條頻率響應曲線；

最后，對于任何接收系統可供解調的中頻輸出的信噪比是確定唯一值，然而對于寬帶接收系統噪聲系數是隨頻率改變的，在《射頻電路設計-理論與應用》第334頁中提到,表示噪聲系數，表示最小(也稱為最佳)噪聲系數，表示系統的等效噪聲電導，表示源電阻，表示源阻抗，表示最佳源阻抗。那么等效到接收系統端口的干擾門限也可視為一條頻率響應曲線。

在得到干擾設備等效到接收系統端口處的等效干擾曲線以及接收系統干擾門限曲線后，逐點對比等效干擾的幅值和接收系統的干擾門限，可得到在接收系統整個工作頻帶上的受擾頻段情況。即，干擾設備帶外發射頻率響應曲線、干擾設備線纜損耗曲線、天線隔離度頻率響應曲線、接收系統線纜損耗曲線和接收系統干擾門限曲線。其分析模型如下圖所示，具體操作過程為：

圖10 寬帶干擾鏈路示意圖

4 主導噪聲來源定位

第一步，仿真得到分析鏈路中的五條曲線

運用ADS仿真軟件得到干擾設備的帶外發射的干擾頻率曲線。運用電磁場仿真軟件FEKO得到將收發天線增益和空間衰減考慮在內的天線隔離度曲線。運用ADS仿真軟件得到干擾設備和接收系統的線纜損耗頻率響應曲線。運用ADS仿真軟件仿真得到接收系統的噪聲系數頻率響應曲線，聯系中頻輸出的信噪比要求、接收靈敏度，從而最終得到接收系統干擾門限頻率響應曲線。

第二步：得出各干擾設備等效到接收系統端口的等效干擾頻率響應曲線

由于信號傳輸時符合線性性質，而其中4個要素都是頻率的線性變化函數，所以將寬帶分析模型視為單頻點分析模型的在頻域方向的線性延伸。則有，每個干擾設備通過、、和在頻域上線性相加后，即可得到各干擾設備等效到接收系統端口的等效干擾頻率響應曲線。

第三步，確定系統總等效干擾曲線。

在n個干擾設備同時干擾一個接收系統的系統中，針對n個單獨干擾-敏感對，分別通過上述第一步和第二步，得到n條等效干擾曲線、…。將這n條曲線同時放置在同一個圖中。在每個頻點上取這n條曲線的最大值而形成系統總等效干擾曲線，其曲線構形如圖11所示，由圖可知，系統等效干擾曲線由A設備的等效干擾曲線和B設備的等效干擾曲線的最大值決定。

圖11 系統等效干擾示意圖

第四步，確定各干擾頻段內的主導干擾來源。

將第三步中得到的系統總等效干擾曲線與第一步中得到的接收系統門限頻率響應曲線作比較，獲得出現干擾的頻率段。進一步的，確定其主要來源于、…中的主導干擾來源。

該方法中，主導干擾來源是指在一個特定頻帶內對接收系統產生最大干擾的干擾設備及其干擾的途徑。

圖12 主導干擾來源示意圖

5 快速診斷優化實例

在一個系統中，有A、B、C3個潛在干擾設備對接收敏感設備S會發生潛在干擾，接收敏感系統S為寬頻帶接收系統，選取接收系統中具有表征意義的1 GHz、1.5 GHz、2 GHz、2.5 GHz、3 GHz、3.5 GHz等6個頻點進行分析。

第一步，通過仿真手段獲取A、B、C3個潛在干擾設備帶外雜散發射以及空間隔離度，分別擬合出干擾設備A、B、C在敏感設備S接收端口的等效噪聲曲線值。

表1 干擾設備A對敏感設備S等效干擾

表2 干擾設備B對敏感設備S等效干擾

表3 干擾設備C對敏感設備S等效干擾

第二步，綜合A、B、C3個設備的等效噪聲曲線得出系統合成等效噪聲曲線，作為對敏感設備S的合成環境總噪聲曲線。由表4知，敏感設備S所處電磁環境中，不同頻段內的主導干擾來源于不同干擾設備。

表4 系統合成環境等效噪聲曲線

第三步，通過仿真手段，得到敏感設備S的噪聲干擾門限曲線，見表5。

表5 敏感設備S干擾門限曲線

第四步，通過綜合A、B、C3個設備的等效噪聲曲線所得出系統合成等效噪聲曲線，將其與接收系統的噪聲門限曲線作比較，即判斷出接收系統受到干擾的頻段，并確定其主導干擾來源。

表6 受擾頻段內主導干擾來源

從上表中可以看到，系統在1 GHz、2.5 GHz、3.5 GHz3個頻點上對接收系統產生干擾，這些干擾分別來源于設備C、A、B。

第五步，在確定主導干擾來源后，就能有針對性地在這些頻點上，對這些干擾鏈路進行整改。在整改后的干擾情況如表7所示。

表7 寬帶接收系統整改后干擾情況

分別在2.5 GHz對A設備干擾接收系統鏈路做整改，在3.5 GHz對B設備干擾接收系統鏈路做整改，在1 GHz對C設備干擾接收系統鏈路做整改。可在整個系統范疇內改善接收敏感設備的受擾特性。

6 總結

通過對干擾鏈路從干擾設備的干擾發射、干擾路徑的隔離度、寬帶接收系統的噪聲門限3個方面進行仿真計算，擬合出一條復雜環境擬合到寬帶接收系統接收端口的等效干擾噪聲頻譜，將其和寬帶接收系統的噪聲干擾門限比較，即可方便確定出受到干擾的頻段，及其主導干擾來源。快速定位出這些頻段上受到干擾的主導干擾鏈路對，可進一步提升復雜環境下電磁兼容故障診斷優化效率。