微波射頻電路雜波干擾問題技術分析及改進研究

周建軍，王 惠

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著現代電子技術的飛速發展，電子設備面臨的電磁環境越來越復雜［1］。電子設備系統功能的快速增加、電子設備結構的日益復雜、系統內部元器件和功率密度的快速增加、電磁頻譜的日趨密集、高低電平器件和設備的大量混合使用等因素，使得整個系統的電磁環境變得越來越惡劣，嚴重影響電子設備和系統的正常工作和性能。因此，電子設備抗電磁干擾技術研究是中國電子行業電子設備結構設計的一項重要內容［2］。為確保電子設備在復雜電磁環境下可靠地工作，必須對電子設備進行電磁兼容性設計，使電子設備在其預定的工作場所能正常穩定地工作，既不受周圍電磁干擾的影響，也不對周圍其他設備施加干擾［3］。電磁兼容的主要要素是干擾源、耦合通路、敏感體，在難以改變干擾源及敏感體的情況下，通常采取切斷耦合通路的方法。在結構設計上，主要采取合理布局、屏蔽、隔離、濾波、接地、搭接等措施來抑制電磁干擾［4］。

接地是指將電路、設備或系統連接到一個作為參考電位點或參考電位面的良好導體上，為電路或系統與地之間建立一個低阻抗的通道。接地是最有效抑制干擾源的方法，可解決50%以上的電磁干擾問題［5］。電子設備中，地線結構大致有電源地、安全地、屏蔽地、數字地和模擬地等［6］。設備的良好接地對電子通訊設備尤為重要，是抑制干擾的重要方法之一。在電路設計時應將數字電路與模擬電路的地分開，分別與電源地線相連；盡量加大線性電路接地面積；盡量加粗地線；將接地線構成閉環路等措施，可以大幅提高設備抗電磁干擾能力［7］。

1 實例分析

在某型電子通訊設備的整機生產調試過程中，微波射頻電路出現了有雜波干擾的現象，如信號有串擾、雜波分量較大、雜散嚴重等情況，致使設備在進行整機例行試驗過程中有工作不穩定的現象發生，導致生產調試難度陡然增大，調試工作量驟然增加，甚至有的電路模塊長時間無法調試正常，嚴重影響生產進度和交付時間節點。為此，針對此問題進行了專項技術研究和設計改進。

2 技術分析與定位

該型電子通訊設備的信號傳輸、調制、解調、變頻、放大等功能基本上都是在變頻器模塊內完成。變頻器模塊主要由走線板、調制器、信號源、放大器以及功率放大器等組成。變頻器模塊的主要工作原理是將來自信號處理器的射頻信號經過調制、混頻、濾波、再調制和放大，最后將射頻信號送入該設備的功率放大器模塊。

據此分析，整機性能測試中出現的串擾、雜波分量較大、雜散嚴重等問題，主要是由于整機的重要組成部分——變頻器模塊信號波形調試不到位所造成的。變頻器模塊內射頻信號調試不到位、調試信號不良，經過后級高頻功率放大后，造成雜波信號更明顯。根據多年生產調試和維修中的相關經驗與理論進一步分析認為，來自信號處理器的調制信號經放大器放大濾波后產生了雜波、串擾信號，所以重點應該放在抑制放大器產生的雜波干擾信號。因此，該型號設備信號雜波干擾問題改進措施主要針對變頻器模塊中的放大器進行，即對變頻器模塊中的放大器進行雜波干擾信號抑制，可以有效解決問題。

3 改進措施及方案

3.1 改進措施

高頻信號阻抗高，容易輻射，易受干擾。根據高頻信號的“集膚效應”，對高頻信號雜波干擾信號的抑制采用大面積接地的方式是解決問題的最根本措施。具體措施為對放大器增加接地面積和多點就近接地。

3.2 增加接地面積

3.2.1 確保鋁基板與變頻器殼體大面積接地

放大器的重要組成部分——濾波器通過沉頭螺釘安裝在鋁基板上，鋁基板再安裝在變頻器殼體上，殼體材質為鋁，銑削加工后表面鍍銀，確保各殼體之間能夠良好接地。經拆開有問題設備模塊后發現，有鋁基板沒有完全與變頻器殼體接觸的情況存在，如由安裝濾波器的4 個沉頭螺釘頭部凸起與變頻器殼體接地，由原設計的面接地變成了4 個點接地，造成接地不良。造成的原因是在機加時工藝參數控制不嚴，沉頭螺釘的沉頭安裝孔φ 3.6 ×90°不夠大，致使螺釘頭未能全部沉到安裝平面以下所導致。該沉頭安裝孔尺寸按機加行規一般不標注公差，也不進行尺寸檢驗。通過調整機加工藝參數，嚴格控制鋁基板沉頭安裝孔的機加尺寸，使沉頭螺釘安裝后不高于安裝平面，使鋁基板底面可以完全與變頻器殼體緊密貼合，實現大面積良好接地。

3.2.2 確保濾波器殼體與鋁基板良好接地

放大器的重要組成部分——濾波器通過沉頭螺釘安裝在鋁基板上，鋁基板內銑有型腔，用來安裝濾波器，安裝方式如圖1所示。再拆開有問題設備模塊后發現，有些濾波器沒有壓緊，存在可以輕微晃動的情況。經調查發現是鋁基板型腔的厚度尺寸加工不一致，致使沉頭螺釘在濾波器內的安裝螺紋全部有效行程走完后，仍然沒有將濾波器殼體緊緊地壓在鋁基板型腔內，留有微小間隙，導致濾波器殼體與鋁基板沒有完全良好接地。通過嚴格控制鋁基板型腔厚度的機加尺寸，后續批次的濾波器殼體可以完全與鋁基板緊密貼合，實現大面積良好接地。

3.3 多點就近接地

通過生產調試與外場故障件返修的經驗發現，將濾波器與放大器多點就近接地，能夠明顯改善輸出信號頻譜特性，大幅減少雜波干擾分量。因此，多點就近接地也是一條行之有效的改進措施。

3.3.1 濾波器底部涂導電膠

在濾波器底部4個安裝螺釘緊固前，在濾波器底部涂一薄層導電膠，再按原裝配工藝進行安裝固定。涂了層導電膠后，增加了濾波器的有效接地面積，可使濾波器接地狀況更加良好。按此方法改進實施后，輸出信號雜波干擾情況沒有明顯改善。

3.3.2 濾波器與放大器間搭焊鍍銀線

在濾波器與放大器之間搭焊鍍銀線，能有效抑制雜波、串擾信號，經頻譜儀測試后，證明改進雜波干擾影響效果非常好。該方法可用于單件或小批量維修。在大批量生產中使用該方法，不僅增加了調試工作量，而且在器件表面上焊錫，既不符合器件電裝安裝及檢驗規范，也容易使器件受損。

3.3.3 濾波器與放大器間加裝銅箔帶并錫焊

在濾波器與放大器之間加裝銅箔帶，滿足放大器與濾波器多點就近接地要求。將銅箔帶裁剪成如圖2 所示形狀，銅箔自帶背膠，具有黏性，直接黏貼于濾波器背面，并用4 個固定螺釘緊固，超出濾波器外形尺寸的銅箔帶與放大器接地端黏接，最后錫焊在印制板接地點上。

圖2 加裝銅箔帶多點就近接地裝配示意圖

通過在濾波器與放大器間加裝銅箔帶多點就近接地并錫焊后，放大器與濾波器之間可實現良好接地，雜波、串擾信號可得到有效抑制。該改進措施可操作性與一致性較強。銅箔帶自帶背膠，具有黏性，可直接黏貼，最后又與印制板接地點錫焊連接，裝配牢靠，可靠性較高。可明顯降低調試工作量與調試難度，最大限度保護器件外觀及電路性能。

3.3.4 濾波器與放大器間加裝鋁箔

在濾波器與放大器之間加裝鋁箔，滿足放大器與濾波器多點就近接地要求。具體改進方法同加裝銅箔帶類似。通過在濾波器與放大器間加鋁箔共地后，雜波干擾改善情況不明顯；鋁箔無背膠，固定不牢靠；鋁箔表面光滑，無法錫焊固定；且鋁箔較脆，輕微碰觸或者將來受到震動容易碎裂，因此，該方案舍棄不用。

4 試驗驗證

抽取兩套新批次產品變頻器模塊進行試驗驗證，分別編號為試驗件1 和試驗件2。將兩套變頻器模塊先進行常溫調試，除需要進行改進的放大器外，其余電路模塊均按照原先常規方法調試。試驗驗證方法如下。

4.1 設計改進前

試驗驗證儀器主要為頻譜分析儀、功率分析儀、數字三用表、數字示波器、直流穩壓電源、信號源、耦合器、衰減器等。兩套變頻器模塊連接好測量儀器后加電測試，輸出功率頻譜分別如圖3～4 所示，可以看到雜波干擾情況均非常嚴重。

圖3 試驗件1 變頻器模塊改進前輸出功率頻譜

4.2 設計改進后

按在濾波器與放大器間加裝銅箔帶并錫焊的方法對放大器進行改進，改進完成后對變頻器模塊重新加電測試，兩套改進后的變頻器模塊輸出功率頻譜分別如圖5～6所示。

圖5 試驗件1 變頻器模塊進后輸出功率頻譜圖

圖6 試驗件2 變頻器模塊改進后輸出功率頻譜圖

4.3 試驗驗證結果與分析

可以看到，改進后的兩套變頻器模塊在信號雜波干擾抑制方面，改進效果非常明顯，改進措施非常有效，達到了理想的預期效果，其輸出功率、輸出頻譜等技術指標均滿足要求。

通過合理調整放大器相關零部件的機加尺寸和工藝參數，確保大面積良好接地，可以解決批量性的信號雜波干擾問題。措施一在濾波器與放大器間搭焊鍍銀線和措施二在濾波器與放大器間加裝銅箔帶并錫焊的改進效果均非常良好，經試驗驗證后，證明改進措施非常有效。其中措施一為非常規手段，不適合大批量實施，目前可作為維修手段在單件小批量上使用；措施二在后續多批次長時間驗證后，將具體改進措施落實到實際的生產調試過程中，改進了產品質量，提高了生產效率。

5 結束語

電子設備的電磁兼容設計僅僅靠結構上進行電磁屏蔽設計是不夠的，電磁兼容設計的思想應貫穿整個設計過程。本文針對某型電子通訊設備中微波射頻電路出現的雜波干擾問題進行實例分析，經過技術分析與理論探討，確定了改進部位與方向，研究出行之有效的改進措施。通過試驗驗證，確定取得了明顯的改進效果，并落實到具體的生產過程中，極大地提高了產品的可靠性，具有實際的指導意義和經濟效益，也為后來的設計者提供了可參考借鑒的經驗。