目標端空空通信機的電磁兼容設計與實現

陳瑞龍，陳 新，黃 波，洪 亮，李林瞳

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

隨著航天器上電子設備和載荷向小型化、集成化、功能復雜化方向發展，且航天器上一般有多個用于遙控遙測、通信與導航定位的無線發射和接收設備，使得無線電頻譜日益擁擠，航天器電子設備的電磁兼容要求日益增加，電磁兼容技術日漸成為保障航天任務成功執行的關鍵技術之一[1]。

本文研究的目標端空空通信機相比追蹤端空空通信機具有大功率模式下發射功率大、可數控發射功率范圍大的特點，相比有飛行經歷的目標端空空通信機發射信號帶外抑制要求更高，新增了收/發通道可切換空空前置放大器通道等功能。同時，目標端空空通信機在工作頻段附近用頻設備較多，工作頻段頻譜高度密集，在設計時既要滿足自身電磁兼容性，又要滿足互兼容要求，增加了電磁兼容設計的難度。本文基于電磁兼容基本理論，采用數值分析和仿真計算的方法，在產品設計初期指導產品的電磁兼容設計，實現了產品的自兼容和互兼容要求，避免了產品在設計完成后發現電磁兼容問題再進行整改的風險，縮短了研制周期，節約了成本。

1 目標端空空通信機工作原理

目標端空空通信機位于目標飛行器中，承擔交會對接段以及撤離段飛行器狀態數據、定位數據以及控制等數據傳輸任務[2-3]。目標端空空通信機從空空通信天線或空空前置放大器選擇一路射頻接收信號進行放大、下變頻和解調，并將解調后的基帶數據送至空空通信接口；同時接收空空通信接口送來的基帶數據進行調制，并將已調制的信號選擇由空空通信機功放組件放大后經空空通信天線發送出去或選擇由空空前置放大器功放組件放大后經空空支架天線發送出去。目標端空空通信機主要由發射模塊、接收模塊、數字處理模塊、電源模塊及雙工器等組成，原理框圖如圖1所示。

圖1 目標端空空通信機原理Fig.1 Functional block diagram of the space to space communication equipment on the target spacecraft

2 電磁兼容要求分析

目標端空空通信機不僅要實現防止內部信號串擾的“自兼容性”，還需要實現抵抗產品間相互串擾的“互兼容性”，并能夠按照設計技術要求實現其預定功能，抵御一定程度的電磁干擾[4-5]，最終通過GJB151B-2013、型號產品設計和建造規范要求的相關測試項目。按照要求，目標端空空通信機需要進行RE102，CE102，RS103，CS101，CS114，CS115，CS116，ESD及CE106共9項電磁兼容測試項目。含有射頻類收發信機的設備電磁兼容測試項目中一般CE102，CE106及RE102等測試項目容易超差，目標端空空通信機的電源設計中采用電源保護、抗浪涌電流、電源濾波和二次穩壓電路，可有效抑制電源線傳導發射。在電磁兼容設計時重點考慮目標端空空通信機的內部“自兼容性”、電性能指標的滿足情況、電磁兼容測試中RE102和CE106項目。

考慮到目標飛行器與追蹤飛行器在進行交會對接時，相對距離由遠及近變化引起的場強變化非常大，需采取功率控制措施防止2個飛行器在距離較近時接收機飽和而無法正常解調。目標端空空通信機在不同通信模式下對應的發射功率要求如表1所示。

表1 目標端空空通信機發射功率要求

Tab.1 The space to space communication equipment transmission power requirements

目標端空空通信機發射功率大，且在發射頻率附近用頻設備較多，在限定整機功耗的情況下對BPSK調制的發射信號帶外抑制提出了第2旁瓣范圍帶外抑制大于45 dBc，在第3旁瓣范圍帶外抑制大于55 dBc，發射功率及帶外抑制需要在高低溫和熱真空等環境下均滿足要求，對電磁兼容設計提出了較高要求。

3 電磁兼容設計方法

目標端空空通信機內部包含了多個功能模塊，高頻與低頻、大信號與小信號、數字電路與模擬電路共存于一個單機中，內部存在嚴重的電磁干擾，因此需要對各功能模塊及器件合理布局，通過接地、屏蔽和濾波技術來提高抗干擾門限并降低對其他產品的干擾[6-7]。根據目標端空空通信機的特點，重點從結構設計、腔體效應、布局布線及帶外抑制等方面分析電磁兼容設計方法和具體措施。

3.1 結構設計

目標端空空通信機內部信號類型多且特性復雜，包括數字、射頻、遙測、遙控及供電等信號。為了防止各模塊及信號間的干擾，目標端空空通信機采用如圖2所示的模塊式疊層結構。在保證射頻模塊正常工作的前提下，設計時著重考慮收發通道的隔離度和模塊間電磁兼容問題，射頻模塊在結構上各單元獨立處理，接收通道和發射通道都設計有單獨的本振單元以防止信號間的串擾，收發通道的射頻信號進行了帶外濾波設計。射頻模塊在結構上發射通道和接收通道布于不同盒體內，實現了收發通道間的物理隔離[8-9]。

圖2 目標端空空通信機構型Fig.2 Diagram of the space to space communication equipment structure

電磁場能夠從結構件的縫隙中泄漏出去，設計時應減少屏蔽體的縫隙數量，減小縫隙的寬度和長度。在蓋板與結構殼體貼合處加縫隙臺階，殼體與蓋板通過螺釘緊固。當結構的孔縫尺寸等于半波長整數倍的情況下電磁泄露最大，在設計螺釘的間距時要避開這一尺寸。目標端空空通信機對射頻電路采用分蓋結構使各單元獨立屏蔽，每一功能單元在一個屏蔽盒內，對于大功率模塊功放組件采用雙層蓋板屏蔽來減小縫隙輻射。一些控制和電源線腔體之間的連接通過穿心電容來完成，以抑制電磁干擾。

3.2 腔體效應

3.2.1 腔體效應分析

射頻功率的傳輸通過腔體濾波器和微帶線來實現，微帶電路封裝在金屬腔體內以保護電路性能并實現電路穩定性。當腔體的長、寬和高滿足腔體諧振對應的特定波長時，會影響信號的正常傳輸，發生腔體效應[10]。因此，在設計目標端空空通信機腔體時要避免腔體在工作頻率范圍內諧振而出現放大器自激或衰減尖峰的情況。

如果有一個理想矩形腔體的長、寬、高分別為d，a，b，并且滿足d>a>b，則腔體的諧振頻率可表示為：

(1)

對于TEmnl模(m，n為0，1，2，…；l=1，2，3，…)，TMmnl模(m，n為1，2，…；l=0，1，2，3，…)。一個給定的腔體根據式(1)可得到多個諧振頻率，在設計腔體時應使腔體的諧振頻率遠離產品的工作頻率。

在實際設計中，腔體通常為不規則形狀，而且腔體中還有介質基板以及各種元器件，這些都將使腔體的場分布與理想腔體不同。在設計時先用根據公式估算的諧振頻率，如果諧振頻率接近工作頻率，利用電磁仿真軟件對腔體的諧振頻率進行仿真計算，預測腔體的諧振頻率。如果在工作頻率附近可能發生腔體效應時，可采取改變腔體的尺寸或增加“隔墻”等方法。當不適合改變腔體結構尺寸來避免工作頻率附近出現腔體效應時，可通過貼吸收材料改變電磁場分布來避免腔體效應。

3.2.2 腔體設計仿真

目標端空空通信機的腔體設計大部分可根據式(1)進行分析，但發射模塊中的數控衰減電路是控制功放組件輸入激勵信號大小的模塊，發射功率動態要求為35 dB，如果存在腔體效應或信號串擾都將影響表1中不同模式下的發射功率大小指標。設計時使用基于頻域有限元算法的電磁場求解軟件對發射數控模塊進行建模仿真[11]。發射數控模塊主要由放大器、數控衰減器和隔離器組成，對電路及腔體建模如圖3所示。

圖3 發射數控模塊仿真模型Fig.3 Simulation model of the transmitter control module

通過仿真計算優化腔體隔腔及印制板布線，使發射數控模塊腔體在電路工作頻率附近無諧振點，信號線間無串擾。

3.3 布線布局

3.3.1 布線布局設計分析

目標端空空通信機中在設計時射頻電路與數字電路分開，一些敏感射頻電路設計在獨立的腔體內，同時將數字電路及射頻電路設計在不同分層模塊中，以降低各模塊間的影響。在布線時模擬電路大信號與小信號分開，前后不形成回路，選用合適的濾波器抑制電磁干擾，從而提高電路承受電磁干擾的門限。

射頻模塊中，傳輸線在腔體或器件互聯等位置不可避免地會出現拐角、寬度突變和過孔等阻抗不連續現象。傳輸線的阻抗不連續性不僅能引起信號的反射，還能激勵信號的高次模，產生電磁輻射問題，影響電路的正常工作。為了消除射頻電路中傳輸線阻抗的不連續性，通常在傳輸線拐角處采用切角或圓角走線的方法進行走線。對于走線由于器件封裝引起的不連續，可用漸變線等方式來減小阻抗不連續的影響[12-13]。

3.3.2 布局布線設計仿真

目標端空空通信機的發射本振模塊為調制模塊提供本振信號，發射本振模塊輸出信號需與下級電路良好匹配，以減少輸出端信號反射造成的發射相位不平衡指標的惡化，發射本振模塊主要由晶振、鎖相環電路及CRO組成[14-15]。根據電路仿真優化傳輸線線寬和器件布局，使發射本振模塊能夠在輸出端形成良好匹配，仿真模型如圖4所示。

圖4 發射本振模塊仿真模型Fig.4 Simulation model of the transmitter local oscillator module

3.4 帶外抑制

為了使目標端空空通信機發射的帶外信號、諧波信號和雜波信號不對其他設備產生干擾，不但要滿足電性能指標中對帶外抑制提出的要求，還要滿足電磁兼容測試中CE106項目的要求。因此，目標端空空通信機的帶外抑制主要有旁瓣抑制、諧波抑制及雜波抑制。

目標端空空通信機發射功率可切換，根據電磁兼容CE106測試項目要求，應選擇產生最惡劣發射頻譜的參數。因此，在大功率發射狀態下應滿足二次和三次諧波應抑制50+10lgP(P為基波峰值輸出功率)，即60 dB。二次和三次諧波以外的所有諧波和雜波均應抑制大于80 dB。

旁瓣抑制及諧波抑制指標與功放的線性度及功放輸入信號質量有很大關系，功放工作時要求放大器盡量處于線性工作狀態。功放組件的諧波抑制能夠大于45 dB，發射輸出的雙工器對諧波也有抑制，綜合計算能夠滿足對二次和三次諧波抑制大于62 dB。功放輸入級有旁瓣抑制濾波器，能夠對輸入信號約7 MHz的射頻信號帶寬進行旁瓣抑制。為了使旁瓣抑制濾波器性能在高低溫下具有較好的一致性，本設計采用低膨脹合金材料加工腔體濾波器，濾波器的幅頻特性實測數據如圖5所示，能夠對輸入信號的旁瓣有較好的抑制。

圖5 濾波器幅頻特性實測結果Fig.5 The measured results of amplitude-frequency characteristic of the filer

目標端空空通信機在雜波抑制設計時主要考慮以下4個方面：① 由電源部分的DC-DC變換開關頻率產生的雜波，目標端空空通信機對二次電源輸出設計有EMI濾波電路，敏感電路的供電經穩壓器進行隔離，能夠有效抑制電源產生的雜波進入發射模塊輸出；② 放大器如果自激將產生雜波，在功率放大器的輸入、輸出端均有隔離器，能夠有效防止增益過高而引起的自激，對電路進行合理的隔腔和阻抗匹配，使電路的穩定系數K>1，從而保證射頻鏈路無條件穩定；③ 發射鏈路頻率流程中的諧波及互調分量產生的雜波，目標端空空通信機對可能影響發射雜波的電路均設計了濾波器電路，能有效抑制此部分雜波；④ 時鐘電路產生的各種頻率分量，對其進行隔離及濾波[16-18]。最終目標端空空通信機能夠實現雜波抑制大于80 dB的指標要求。

4 設計實現驗證分析

目標端空空通信機通過了產品要求的所有相關鑒定級試驗及電磁兼容試驗。產品在試驗過程中性能指標滿足要求，試驗前及試驗后全部功能性能均正常。目標端空空通信機發射狀態CE106測試結果中二次諧波抑制比規定限值有40 dB的余量，3次諧波抑制比規定限值僅有7 dB的余量，三次諧波抑制余量較小是由于在雙工器中存在寄生通帶的影響，如需對三次諧波進一步抑制可在設計時增大雙工器對三次諧波的抑制。

5 結束語

目標端空空通信機包含大功率發射機和高靈敏度接收機，且所處的電磁環境異常復雜，單機的電磁兼容性設計非常重要。本文在分析了目標端空空通信機的電磁兼容試驗要求、單機原理和電磁兼容設計相關電性能指標的基礎上，根據目標端空空通信機的特點，重點從結構設計、腔體效應、布線布局和帶外抑制等方面進行了理論分析及數值仿真計算，利用分析結果指導了相關電磁兼容性設計。最終目標端空空通信機的電性能指標滿足設計要求，并通過了電磁兼容試驗及型號鑒定級試驗，驗證了電磁兼容設計方法可靠有效。本文采用的設計方法對通信機類產品的電磁兼容設計有一定的參考作用。