復雜電磁環境下基準頻率測量的干擾抑制*

喬道鵬，信朝陽，趙紅慧

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

頻率測量及分析在軍用、民用領域中有著重要戰略地位和重大需求，并隨著通信、雷達、電子對抗中工作頻率的不斷攀升而面臨著前所未有的挑戰。被測系統的基準頻率是系統中的重要觀測量，直接決定著全系統的工作效能和精度，而在狹小的地球空間乃至外太空充斥著越來越多的電磁信號，在復雜的電磁環境下對基準頻率信號的參數進行測量與分析難度很大。所以，探索在復雜電磁環境下基準頻率測量的干擾抑制具有非常重要的理論意義和實用價值。

對于頻率信號測量已有較多研究[1-7]，而針對復雜電磁環境下頻率測量的研究相對較少。本文以被測系統的基準頻率信號測試結果失真為背景，重點研究在頻率測量中的電磁兼容性問題。簡要介紹了被測系統產品和測試系統，分析了電磁環境及影響，給出了抑制電磁干擾的設計方法、措施和效果，以達到在復雜磁環境條件下準確測量基準頻率信號的目的。

1 系統簡介

被測系統產品由多個功能設備組成，其在貯運箱內進行貯存、運輸和測試，箱產品通過表面的連接器進行功能測試和使用。連接器傳輸的信號總數達上百個，高頻信號、低頻信號，電信號、氣路信號在同一連接器傳輸。其中，產品的基準頻率信號測試通路如圖1所示。傳輸電纜由專用同軸線纜和同軸連接器(或同軸接觸件)等組成，設備1的基準頻率信號經長距離的傳輸(約20 m)和多次轉接，由測試系統的頻率計進行測量。

測試系統對被測系統產品進行測試時，要進行基準頻率信號的測試，該信號的測量是由測試系統的測試計算機、頻率計、測試電纜共同完成，測試系統通過指令使設備1的基準頻率測量接口輸出測試信號，信號通過傳輸電纜至頻率計進行測量。為完成被測系統產品的全功能測試，測試系統主要包括測試組合設備和測試軟件2部分，其中，測試組合設備由測試計算機、測控組合、供電電源、頻率計等共二十幾種獨立的組合設備和系統電纜組成，測試軟件安裝在測試計算機內，負責控制各測試設備完成對被測產品的維護測試功能。測試系統的測試傳遞信息包括測試信息、儀器控制信息和供電信息等，其信息傳遞關系復雜，信號電纜縱橫交錯，布置于各設備之間，交互信號傳輸量巨大。

2 電磁環境分析

由于被測系統產品和測試系統均具有體制復雜、設備多、集成密度高、信號類型多且數量巨大等特點，因此，基準頻率測量通道處于復雜的電磁環境條件下。該復雜電磁環境主要是以下干擾同時存在的電磁環境，包括：被測系統的自擾，測試系統的互擾，外界電磁環境[8]。

2.1 被測系統的自擾

被測系統產品由控制系統、探測系統、電氣系統、遙測系統和動力系統等組成。其系統構成復雜，電子設備種類繁多，信號傳輸類型多且數量巨大，存在系統內的潛在干擾。其中，基準頻率測量信號與其他各型信號在同一束電纜中，多種類型、數量眾多的高、低頻信號在同一線束中平行、長距離的傳輸，多處轉接連接器處均存在上百根裸露光線，因此，存在可能的線間耦合干擾，低頻時主要是導線間的電容耦合，在高頻時則是輻射耦合[9]。基準頻率通道采用專用的同軸電纜和高頻轉接頭，但是由于信號長距離傳輸帶來的插入損耗，線纜的屏蔽效能、工藝處理差異等方面的因素，使得耦合干擾信號不可避免地會泄露到基準頻率測量信號線上，帶來系統自擾。

2.2 測試系統的互擾

測試系統由測試計算機、電源、測控組合等共二十幾種獨立的設備組成，各設備分布于機柜內，設備間的信號傳輸電纜在機柜后部互聯，傳遞信息包括測試信息、儀器控制信息和供電信息等。其信息傳遞關系復雜，信號電纜縱橫交錯，布置于各設備之間，交互信號傳輸量巨大。測試設備在工作時，不同的測試設備自身，信號傳輸電纜等，均會不同程度地向空間輻射電磁干擾信號，基準頻率測量電纜與測試系統設備和系統信號共存于測試方艙內，測試系統的干擾不可避免地會對基準頻率測量信號產生影響。

2.3 外界電磁環境

系統組成中其他的系統設備，在一定的空域、時域、頻域上，電磁信號綜合交叉、連續交錯、密集重疊，功率分布參差不齊，向空間產生電磁輻射信號，電磁環境污染嚴重[10-12]。

其次，系統外的大功率用電設備的啟停、運行和高頻設備的使用等，均會產生空間電磁干擾信號及對地線產生不同程度的干擾。

3 電磁環境影響

相對于受影響的對象而言，復雜電磁環境是個相對的概念，有些電磁環境能產生影響，有些電磁環境的影響并不明顯。電磁環境影響是指電磁環境對裝備、系統和作戰平臺的影響，主要為電磁兼容和電磁干擾問題，從解決裝備環境適應性問題看，電磁環境影響問題就是復雜電磁環境問題。干擾信號是對信息獲取、信息傳輸、信息利用產生不利影響的信號，復雜電磁環境具有不確定性，當干擾信號強度達到一定的閾值時，基準頻率測量結果會超出標準。

圖2給出了某一時段，基準頻率測量通道0～160 MHz頻譜信號曲線。此時，在測量通道的低頻段存在與被測頻率信號增益相當的干擾信號。圖3給出了此時頻率計的測試結果為79.947 552 MHz(標準解為80 MHz±200 Hz)，復雜電磁環境產生的影響為測試結果失真。

圖2 復雜電磁環境條件基準頻率測量通道頻譜圖Fig.2 Spectrogram of reference frequency measurement channel in complex electromagnetic environment

圖3 復雜電磁環境條件下頻率計測試圖Fig.3 Test chart of frequency counters in complex electromagnetic environment

4 干擾抑制方法

基于以上對復雜電磁環境和影響的分析，從被測系統的自擾、測試系統的互擾、敏感對象和外界電磁環境等方面進行分析，給出干擾抑制方法[13-14]、措施和效果。

(1) 對被測系統的自擾，可采取的措施為：對易產生電磁干擾的高頻信號，選用屏蔽性能良好的雙絞屏蔽線，雙絞與屏蔽相結合，在傳輸高速率的數據信號時表現非常穩定，可將輻射噪聲和感應干擾降到最小值。為保持雙絞的連續性，可采用雙絞形式入焊杯的工藝方式；為保證屏蔽層的連續，可選用差分連接器，使導線屏蔽層與接觸件屏蔽層在360°內搭接。導線的外面可包一層金屬防波套，制作成屏蔽電纜[15]。針對高頻電磁場的影響，在屏蔽線和金屬防波套的兩端都進行接地。這些措施對減少干擾能起到很好的效果，提高了系統的電磁兼容性。

(2) 對測試系統的互擾，可采取的措施為：針對設備和電纜屏蔽不連續點采取措施，如各種孔洞和縫隙，孔洞包括通風口、顯示口、觀察口、調節器件的開口，縫隙主要指構成屏蔽體不同部分間的接縫。采用對外屏蔽的機箱防止組合設備內部的電子元器件和信號產生的輻射，結構邊縫全部帶有導電密封條，在液晶顯示屏表面裝屏蔽膜，并嚴格控制開孔和縫隙數目和尺寸。為防止屏蔽層產生孔縫泄露，在導線與圓形連接器的焊接處用尾部附件包裹起來，防波套均勻包裹住尾部附件，因為尾部附件是一個圓柱形的金屬殼體，其作用就相當于是一個導體防護罩，再與金屬防波套連接起來，為感應電流提供返回路徑，防止耦合到信號中，同時也限制信號中的輻射電流，防止產生外部電磁場。圓形連接器通過設備機箱的外殼與地連接，這樣屏蔽電纜的屏蔽層就實現了接地，起到了屏蔽作用。對測試系統而言，還采取了其他有效方法，如：每個組合設備的外殼都采取接地處理；布置電纜時，將電源電纜與信號電纜分開布置等，這些措施對減少互擾起到了很好的效果，提高了系統的電磁兼容性[16]。

(3) 對敏感對象和干擾耦合途徑分析，可采取的措施為：在條件允許時，易受干擾的敏感對象要盡可能遠離其他信號，盡可能得到最大的空間隔離度。優先選用阻抗特性穩定，屏蔽性能良好，插入損耗小的同軸連接器和同軸線纜，減少信號在材料和器件上傳輸時的能量損耗和提高抗干擾能力。在同軸電纜的制作時，尤其要保證同軸線纜與同軸連接器外殼壓接處理時的360°內搭接，保證屏蔽層的連續，防止屏蔽層孔縫導致的電磁泄露。

(4) 對外界的電磁環境和地線干擾，可采取的措施為：保證廠房的接地電阻良好，系統和各組合設備可靠接地，禁止無關的大功率和高頻設備工作等。

5 干擾抑制效果驗證

在復雜電磁環境條件下，對上述的干擾抑制方法和保證措施進行落實和確認后，基準頻率測量線上的頻譜如圖4所示。雖然干擾信號未完全消除，但是干擾強度大大降低，不會對基準頻率信號的準確測量產生影響。圖5給出了此時頻率計的測試結果為79.999 962 MHz(標準解為80 MHz±200 Hz)，頻率計測試結果正常。可知，采用上述的干擾抑制方法及措施，保證了復雜電磁環境條件下基準頻率信號的準確測量。

圖4 采取干擾抑制措施后的頻譜圖Fig.4 Spectrogram after taking interference suppression measures

圖5 采取干擾抑制措施后的頻率計測試圖Fig.5 Test chart of frequency counters after taking interference suppression measures

6 結束語

復雜電磁環境條件下基準頻率信號測量的干擾抑制問題，是在工程實踐中遇到的實際問題。本文以被測系統的基準頻率信號測試結果失真為背景，以抑制測量通道外的干擾為目的，對系統的復雜電磁環境進行分析，給出了不同的干擾類型，通過在設計、接地、工藝和空間隔離等方面采取措施，實現了基準頻率信號的準確測量。在工程實踐中，可根據實際情況采取相應的方法和措施，即可在不同程度上對干擾進行抑制。本文提出的設計思想也為解決其他電磁干擾問題提供了借鑒。