相控阵雷达阵面通信设备电磁兼容设计

高启学

(安徽四创电子股份有限公司，合肥230088)

0 引言

随着雷达技术的快速发展，有源相控阵雷达已经成为重点研究对象[1]。目前，有源相控阵雷达阵面逐渐向大型化方向发展，内部有源设备众多，结构设计复杂[2]。在有限的空间内，大型相控阵雷达阵面集成了成百上千只射频收发组件(T/R)，具有射频功率大、谐波丰富以及多种频率交错重叠等特点，其内部电磁环境十分恶劣。因此，对于雷达阵面通信设备来说，在设计时必须严格考虑电磁兼容问题，从源头对电磁兼容性进行分析和预测，降低和减少电磁干扰对通信设备造成的影响，从而保障通信设备自身能够稳定可靠工作，同时也不会对周围的其他设备造成干扰。

1 电磁兼容设计

电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility)是指电子和电气装置、设备、系统等在电磁环境中，能按照预先的设计要求运行，对其运行环境中的电磁干扰具有一定的抗干扰性[3]。电磁兼容性设计的根本目标是有效降低、减少和消除设备内外部各种电磁干扰，保证设备能够在预定的电磁环境下实现可靠、稳定工作。

电磁干扰的形成必须同时具备3个因素：干扰源、敏感设备和耦合通道。干扰源泛指能够产生电磁干扰的人造设备以及大自然辐射源等；敏感设备是指对电磁干扰发生响应的设备；耦合通道指把电磁能量从干扰源耦合或传递到敏感设备上的有线或无线媒介。影响设备电磁兼容性的因素可以用式(1)表示[4]：

N(ω)=G(ω)×C(ω)÷I(ω)

(1)

式中，N(ω)代表电磁干扰对设备造成的影响程度；G(ω)代表电磁干扰的强弱；C(ω)代表电磁干扰耦合函数；I(ω)代表设备抗干扰能力，即敏感度阈值。由公式(1)可以得出，设备受干扰程度的大小主要受到G(ω)、C(ω)和I(ω)的影响。因此，电磁兼容的设计可以采取3方面措施：减少干扰源；切断耦合通道；增加设备抗干扰能力，使其敏感度下降。在设备设计中，3种方式要根据实际情况组合使用，以实现电磁干扰最大程度的降低。

雷达阵面通信设备面临的是高频、大功率密度的使用环境，其电磁兼容性设计需要遵循电磁干扰三要素原则，对三要素进行识别。依据电磁兼容性分析三要素，建立此3个要素的物理和数学模型是系统间电磁兼容性预测分析的基础[5]。其中，干扰源主要指射频收发组件(T/R)；敏感设备是通信设备；耦合通道主要是射频干扰源到通信设备之间的物理通道。

首先考虑耦合通道。相控阵雷达阵面T/R单元数量众多，解决这些单元高速大容量数据的传输通常有两种方法：LVDS方法和光纤传输方法[6]。光纤传输方法具有传输容量大，传输损耗远远低于金属波导和同轴射频电缆的特点，而且光纤为介质材料，无电磁辐射，因此采用光纤传输方式不仅大大降低了重量和成本，而且显著提高了抗电磁干扰(EMI)能力[7]。

某相控阵雷达阵面通信设备基本原理如图1所示。雷达阵面集成20个数字阵列模块(DAM)，每个DAM包含16套射频T/R单元。这些DAM一方面与雷达天线相连，进行射频信号的收发；另一方面利用通信设备将接收到的I/Q信号经光电转换后从天线传输至电子方舱进行下一步处理。DAM输出中心波长为850 nm的光信号，限于光滑环技术以及成本，通信设备设计中采用光密集波分复用(DWDM)技术：将雷达阵面波长为850 nm的光信号分别送入波长转换器(OTU)，波长转换后的80路光信号进行光波分复用(OMU)。复接后的光信号送入光纤放大器进行光功率放大及光色散补偿，通过光纤滑环传输到电子方舱。电子方舱对接收到的合路光信号进行光解复用(ODU)处理，依次恢复出80路光信号，再送入光波长转换器，转换成80路850 nm光信号送出。

图1 某相控阵雷达阵面通信设备基本原理

其次是电磁干扰源。对于雷达射频干扰源来说，可靠接地、信号滤波和设备屏蔽是比较常见有效的抗干扰措施。接地方面，通信设备和雷达阵面内各电子设备、分系统通过铜编织软电缆与接地装置可靠连接，保证车体、阵面、电子设备、分系统和大地等电势，提供泄流回路，实现工作接地和安全保护接地功能，从而提升电磁兼容能力。滤波方面，主要通过电源滤波和高频信号滤波方式，消除传导干扰和辐射干扰。通信设备由阵面统一提供直流电源，通过自身增加滤波电路，防止电源受到干扰；在高频滤波方面主要采取屏蔽措施：设备外壳采用金属材料进行屏蔽，构成一体化屏蔽体。对于降低电磁敏感度，则从电路PBC设计、元器件选择、功能模块等逐级入手，如印制板合理布置旁路、退耦、整形等电容；核心功能模块加装屏蔽罩；优选具有较好屏蔽指标的信号电缆和连接器；电源和信号线合理走线，避免交叉、混绕在一起。

金属屏蔽机箱屏蔽效率(SE)可以参考公式(2)：

SE=A+R+B

(2)

式中，A为吸收损耗；R为反射损耗；B为校正因子。A、R、B的单位均为dB。

吸收损耗A的计算公式为：

(3)

式中，f为频率(MHz)；σ为导电率；μ为导磁率；t为厚度。

反射损耗R的计算公式为：

R电=321.8-(20lgr)-(30lgf)-[10lg(μ÷σ)]

(4)

R磁=14.6+(20lgr)+(10lgf)+[10lg(μ÷σ)]

(5)

式中，r为干扰源和机箱之间的距离。

校正因子B的计算公式为：

B=20lg[-exp(-2t÷σ)]

(6)

机箱缝隙和通风孔都会对电磁屏蔽指标造成影响。如果缝隙的直线尺寸小于1/10波长，则机箱屏蔽效果和缝隙的传输损耗有关[8]，传输损耗经验公式如下：

A=20lgeπt/g=27.3t/g

(7)

式中，g为缝隙长度；t为机箱金属板材厚度或缝隙的深度。由式(7)可以得出，通过减小缝隙长度、增加板材厚度和缝隙深度的方法，能够提高机箱屏蔽能力。

通风孔结构尺寸与需要屏蔽的电磁波频率有直接关系。对于给定频率的电磁波计算出波长，当孔径长度为半波长的整数倍时，电磁泄漏最大。工程实践表明，圆形孔屏蔽效果较方形孔好，多孔屏蔽效能近似估算公式如下：

(8)

式中，λ是波长；L是孔径长度；N是孔数。对于高频信号，还需要考虑其一次和二次谐波，较简单有效的解决办法是增加孔的深度，减小孔间距，增加孔的数量。

值得注意的是，电磁屏蔽和散热往往处于互相矛盾状态，因为电子器件的可靠性与其温度紧密相关。据统计半导体器件的温度每升高10 ℃，其可靠性就会降低50%[9]，所以在电磁兼容设计过程中，还要特别关注设备的热设计。相控阵雷达阵面冷却方式涉及到自然冷却、强迫风冷和液体冷却3种方式[10]，文章中通信设备采用自然冷却方式，同时利用阵面风道进行风冷散热。

2 实际验证

雷达阵面通信设备设计完成后，按照国军标GJB 151B-2013相关条款在实验室环境下进行测试，测试结果表明各项指标均满足设计要求。通信设备加装雷达阵面后，进行整机状态下的指标测试，在雷达发射机不开机情况下，通信设备工作正常；但在发射机全开、宽频段的状态下，通信设备偶尔会出现中断现象。经仔细排查供电、信号、电缆等因素并确认无误后，最终将故障定位为通信分机局部受到了外部电磁干扰。原因在于通信分机结构设计中，为了进行有效散热，在机箱局部位置开有一定数量的通风小孔，尽管开孔符合计算指标要求，但阵面内某频率射频信号带外抑制能力欠佳，泄露出的电磁信号从这些通风小孔进入，影响了通信设备的正常工作。为此，通过对电磁泄漏模块黏贴吸波材料，在机箱通风处加装对应截止频率的波导通风窗等方式，提升了屏蔽效能，解决了电磁干扰问题，保证了设备的正常工作。

3 结束语

相控阵雷达阵面通信设备电磁兼容性设计是一项复杂的任务，需要根据雷达运行特点设计电磁兼容方案，分析雷达天线方向图、射频发射频率、功率和天线前后比，大致计算出雷达阵面后向主波和谐波的电磁干扰强度和方向图，并结合通信设备自身特点和结构安装位置，综合考虑电磁兼容性和散热性。从通信设备研制和使用过程可以看出，设计阶段的分析和计算十分重要，同时针对后期设备在使用中出现的电磁兼容问题，分析实际环境，找出具体原因，并采取合理有效的补救措施，确保设备稳定可靠运行。