VLBI台站布线的电磁兼容性分析*

刘 奇

(中国科学院国家天文台乌鲁木齐天文站，新疆 乌鲁木齐 830011)

乌鲁木齐南山基地观测系统由天线与控制系统、前端接收机系统、终端记录系统和时频系统组成。系统内，电子设备内部、电子设备之间的线缆越来越多，线缆传输不同特性信号时，线缆自身以及线缆与连接器件之间存在的分布参数将产生线间串扰及辐射骚扰，线缆越长，串扰及辐射骚扰就越严重。大量的理论及工程实践表明，互连线缆以及连接器是复杂系统中电磁兼容性最为薄弱的环节之一，也是一个共性问题［1］。系统互连线设计不合理往往是造成系统电磁兼容性不合格的主要原因。

随着射电天文技术的发展，VLBI系统的敏感度和观测精度要求越来越高，然而其系统内部的电磁环境极其复杂，系统内部与互联线缆的相互耦合干扰以及环境噪声对系统的影响，严重影响了VLBI台站对某些源的观测，不利于后续的数据处理及分析。

为提高VLBI系统的电磁兼容性，本文分析了系统内布线的电磁兼容性特点，给出了克服线缆间相互干扰的措施和方法。

1 电磁兼容理论基础

我国国家军用标准GJB72－85［2］规定，电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量。电磁兼容是“设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级”。电磁兼容性则是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作的能力。它反映的是设备或系统承受电磁骚扰时能正常工作，同时又不产生超过规定限值的电磁骚扰。它是设备或系统的重要性能指标，也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素。

电磁兼容三要素为干扰源、耦合通道和接收器，电磁兼容问题常常从此三要素出发。线缆的电磁干扰主要分为辐射干扰、传导干扰和串扰。干扰方式主要有共模干扰和差模干扰，共模干扰是指电源线对大地，或中线对大地之间的电位差产生的干扰;差模干扰存在于电源相线与中线之间，如图1。

1.1 辐射干扰

辐射发射干扰信号通过外壳的缝、槽、开孔或其他缺口泄漏出去，空间电磁场与电源线、控制线、信号线耦合形成干扰;此外，线缆上有高频电流流过时，线缆就变成了一根辐射天线，通过线缆向外部辐射电磁能量，对连接器等敏感器件和设备产生干扰。

图1 干扰方式Fig.1 Illustration of two EMI modes

1.2 传导干扰

传导发射干扰指设备通过电源线或信号线向外发射的干扰，在开放的空间中自由辐射，通过耦合到电源、信号和控制线上，从而产生干扰。其耦合通道主要有公共电源、公共地线和信号线之间的近场感应。传导干扰通过干扰源与接收器之间的电路连接，通过线缆在接收器上产生共模和差模干扰电流。

1.3 串扰

在干扰源和被干扰源之间不存在直接连接，但在它们的各自导线和引线相互靠近时，会产生寄生电容和寄生电感，导线之间的两种串扰方式如图2。

2 系统布线的电磁兼容设计

VLBI台站系统内共存有天线驱动电机、变频调速器、电风扇、空调机、开关电源等易产生电磁干扰的设备，同时线缆分布集中，线缆传输不同特性信号时，线缆自身以及线缆与连接器件之间存在的分布参数将产生线间串扰及辐射骚扰，传输速率越高，信号脉冲上升沿越陡，再加上复杂电子系统所处的电磁环境非常恶劣，致使线缆和连接器受到外界干扰的影响也就越严重。为此系统布线的电磁兼容性可采用屏蔽、滤波、接地和搭接等措施予以改善。

2.1 屏蔽

屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰，如图3。采用屏蔽的目的有两个:一是限制内部的辐射电磁越过某一区域;二是防止外来的辐射进入某一区域。

电磁屏蔽的作用大小用屏蔽效能度量:

式中，A为吸收损耗(dB);R为反射损耗(dB);B为正或负的修正项。

图2 两种串扰方式Fig.2 Two modes of crosstalking

图3 屏蔽机理示意图Fig.3 Illustration of shielding mechanism

由式(1)得电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收两种方式。当A大于15 dB时，B可忽略不计，B是由屏蔽体内反射波引起的。

对于射频信号线缆和直流供电缆采用屏蔽电缆，其中敏感部位的线缆应采用双屏蔽电缆，屏蔽电缆两端需接地，电缆长度L＞λ/20时，单点接地;电缆长度L＜λ/20时，多点接地;只有两端接地的屏蔽层电缆才能屏蔽磁场，而且可以为共模干扰电流提供低阻抗通道;辐射干扰源、地环路引起的高频干扰电流仅存于屏蔽层的外表面，大大削弱了其对内部信号干扰。

线缆屏蔽层与连接器的连接应特别注意，连接器处应加导电弹性衬垫，利用机械力将屏蔽层压紧，金属连接器处还需加护套。线缆屏蔽层在连接器的外壳连接处应在360°方向上良好连接，若屏蔽层与连接器外壳不能有效地连接，则由于存在较大接触电阻、分布电容和分布电感，线缆上信号差模电压引起的共模干扰电流，对敏感线缆和敏感设备产生干扰。

根据线缆分类分别在不同的走线槽内铺设，走线槽最好用金属槽［3］，这样既能屏蔽外部干扰，又能防止内部电磁泄露，干扰其它敏感线缆。线缆相互之间要有一定间隔，可以削弱线缆间的辐射干扰，阻断近场耦合通路。

2.2 滤波

VLBI台站系统内，电磁干扰能量可通过辐射性耦合或传导性耦合进行传输。在抑制电磁干扰信号的辐射干扰方面，屏蔽是有效的措施;在抑制电磁干扰信号的传导干扰方面，电磁干扰滤波器是十分有效的器件。

电磁干扰滤波器是安插在线缆和设备之间的一个专门用来抑制射频信号传播的器件。它的作用实际上是双向性的，既能有效阻止外界的电磁干扰经电缆进入设备，又能阻挡设备自身工作中产生的电磁干扰经电缆进入电网，传送到其他敏感设备。

电磁干扰滤波器的性能指标用插入损耗衡量，插入损耗［4］定义为没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1与接入滤波器后，从噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB表示，滤波器接入前后的电路如图4。

图4 接入滤波器前后电路图Fig.4 Circuit diagrams before and after installing the filter

由定义有:

系统内压缩机、电风扇、驱动电机等电源开关启动运行时，向电源线和空间发射电磁能量。电源线产生的电磁干扰，可采用电磁干扰滤波器进行抑制。实际安装时，滤波器应并排安装，且靠近接口，接口处应设置挡板;滤波器与面板之间必须使用密封衬垫。

滤波器的输入输出线缆应尽量短，且相互隔离，防止输入输出线缆相互耦合，产生干扰电流，此外，干扰源输出线过长，辐射干扰在经过电磁干扰滤波器之前就经过空间电磁场耦合到敏感线缆及设备上。

滤波器的外壳与设备的金属机壳要有可靠的接触，设备的金属机壳应保证良好的接地。尤其是高频仓内空间狭小，电磁环境复杂，在配电箱内安装电磁干扰滤波器时，也要尽量缩短输入线长度，并将输入线和输出线相互隔离，避免二者之间发生耦合，使电磁干扰滤波器失去功效。

2.3 接地与搭接

为电源和信号电流提供回流和基准电位的线路称为地线，通常说的接地是指接地线。设备将接地线直接接到大地上或者接在一个作为参考电位的导体上，当电流流过该参考电位时，不会产生电压降。而不合理的接地会引入电磁干扰，如共地线干扰等，导致电子设备不能正常工作。接地是设备或系统正常工作的基本技术要求之一，也是电磁兼容技术设计的关键环节之一。

传统的接地方式常常构成环路，如图5，很明显这种接地方式会产生共模干扰电流，影响设备的电磁兼容性。

接地时，应打破传统的接地方式，可使用隔离变压器、扼流圈等方式，如图6。

图5 传统的接地方式Fig.5 Traditional approach of grounding

图6 防干扰接地方式Fig.6 Grounding approach with interference protection

此外，接地线愈短愈好，接地面应具有高传导性;低频宜采用单点接地系统，高频应采用多点接地系统;为减少由共地线引入的共模干扰，尽量避免产生接地环路;避免信号线两端接地，两端接地产生的接地环路易受磁场及地电位差的干扰。由于频率的关系，无论何种接地方法均应尽量缩短接地线，否则非但增加阻抗，同时会产生辐射杂讯，其作用犹如天线，接地线的长度应小于λ/20。

搭接是指在两个金属物体之间建立一个供电流流动的低阻抗通路，以形成一个电气上的整体连接。良好的搭接具有以下作用:(1)建立信号电流单一而稳定的通路;(2)建立故障电流的回流通路;(3)降低设备壳体上射频电位;(4)防止静电电荷的积聚;(5)保护设备和人身安全，防止雷电的危害。由此可见，搭接质量的好坏直接关系到整个系统的电磁兼容性［5］。

搭接时，应注意以下事项:

(1)应使搭接的金属紧密连接，连接面应均匀、干净，其间不得有非传导性物质;

(2)固定时应防止变形、震动、摇摆;

(3)金属面应予以清洁，不得有油漆或其它杂物，搭接完成后，可涂以油漆或施以其它的防蚀保护;

(4)应考虑不同金属的电化效应，并应尽量减少接触盐水、汽油等，以防电能作用。

3 小结

随着射电天文技术的发展，VLBI台站系统的敏感度和观测精度要求越来越高，然而其系统内部的电磁环境也越来越复杂，国内电磁兼容在射电天文技术领域的应用及研究还显薄弱。本文在VLBI系统布线电磁兼容设计方面做了一些有益的尝试，但远远不够，还要运用测试仿真技术及工程经验做深入细致的工作。

［1］钟政良.系统布线的电磁兼容研究 ［D］.西安:西安电子科技大学，2006.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GJB72－85电工术语，电磁兼容 ［S］.北京:中国标准出版社，2003.

［3］中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50217－2007 GB 50217－2007电力工程电缆设计规范 ［S］.北京:中国标准出版社，2007.

［4］邱扬，田锦.电磁兼容设计技术 ［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1999:1－30.

［5］谈儒猛.搭接技术电磁兼容性能研究 ［D］.南京:东南大学，2003.