摘要:空空通信機裝置于目標(biāo)飛行器與追蹤飛行器上，用來建立2個飛行器之間的雙向通信鏈路。簡要介紹了目標(biāo)端空空通信機的基本工作原理及組成，分析了目標(biāo)端空空通信機的電磁兼容試驗要求及與電磁兼容設(shè)計相關(guān)的電性能指標(biāo)要求。針對目標(biāo)端空空通信機電磁兼容設(shè)計中需重點關(guān)注的結(jié)構(gòu)設(shè)計、腔體效應(yīng)、布線布局及帶外抑制等方面，進(jìn)行了理論分析和仿真計算。在目標(biāo)端空空通信機設(shè)計初期，利用電磁兼容分析和仿真計算結(jié)果指導(dǎo)電磁兼容設(shè)計，實現(xiàn)了目標(biāo)端空空通信機的自兼容和互兼容。

　　關(guān)鍵詞:空空通信;電磁兼容;結(jié)構(gòu)設(shè)計;腔體效應(yīng);仿真計算

　　0引言

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

　　通信工程師論文投稿刊物：中國無線電(月刊)創(chuàng)刊于1990年，由工業(yè)和信息化部主管。雜志緊緊依托國家無線電管理機構(gòu)，以為無線電管理機構(gòu)服務(wù)為宗旨，是無線電管理機構(gòu)的重要喉舌和宣傳陣地。

　　本文研究的目標(biāo)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(fā)射功率大、可數(shù)控發(fā)射功率范圍大的特點，相比有飛行經(jīng)歷的目標(biāo)端空空通信機發(fā)射信號帶外抑制要求更高，新增了收/發(fā)通道可切換空空前置放大器通道等功能。同時，目標(biāo)端空空通信機在工作頻段附近用頻設(shè)備較多，工作頻段頻譜高度密集，在設(shè)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(shè)計的難度。本文基于電磁兼容基本理論，采用數(shù)值分析和仿真計算的方法，在產(chǎn)品設(shè)計初期指導(dǎo)產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計，實現(xiàn)了產(chǎn)品的自兼容和互兼容要求，避免了產(chǎn)品在設(shè)計完成后發(fā)現(xiàn)電磁兼容問題再進(jìn)行整改的風(fēng)險，縮短了研制周期，節(jié)約了成本。

　　1目標(biāo)端空空通信機工作原理

　　目標(biāo)端空空通信機位于目標(biāo)飛行器中，承擔(dān)交會對接段以及撤離段飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)以及控制等數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)[2-3]。目標(biāo)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(jìn)行放大、下變頻和解調(diào)，并將解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)送至空空通信接口;同時接收空空通信接口送來的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并將已調(diào)制的信號選擇由空空通信機功放組件放大后經(jīng)空空通信天線發(fā)送出去或選擇由空空前置放大器功放組件放大后經(jīng)空空支架天線發(fā)送出去。目標(biāo)端空空通信機主要由發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)字處理模塊、電源模塊及雙工器等組成。

　　2電磁兼容要求分析

　　目標(biāo)端空空通信機不僅要實現(xiàn)防止內(nèi)部信號串?dāng)_的“自兼容性”，還需要實現(xiàn)抵抗產(chǎn)品間相互串?dāng)_的“互兼容性”，并能夠按照設(shè)計技術(shù)要求實現(xiàn)其預(yù)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(chǎn)品設(shè)計和建造規(guī)范要求的相關(guān)測試項目。按照要求，目標(biāo)端空空通信機需要進(jìn)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(fā)信機的設(shè)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(biāo)端空空通信機的電源設(shè)計中采用電源保護、抗浪涌電流、電源濾波和二次穩(wěn)壓電路，可有效抑制電源線傳導(dǎo)發(fā)射。

　　在電磁兼容設(shè)計時重點考慮目標(biāo)端空空通信機的內(nèi)部“自兼容性”、電性能指標(biāo)的滿足情況、電磁兼容測試中RE102和CE106項目。考慮到目標(biāo)飛行器與追蹤飛行器在進(jìn)行交會對接時，相對距離由遠(yuǎn)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(diào)。目標(biāo)端空空通信機在不同通信模式下對應(yīng)的發(fā)射功率要求。

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

　　3電磁兼容設(shè)計方法

　　目標(biāo)端空空通信機內(nèi)部包含了多個功能模塊，高頻與低頻、大信號與小信號、數(shù)字電路與模擬電路共存于一個單機中，內(nèi)部存在嚴(yán)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(shù)來提高抗干擾門限并降低對其他產(chǎn)品的干擾[6-7]。根據(jù)目標(biāo)端空空通信機的特點，重點從結(jié)構(gòu)設(shè)計、腔體效應(yīng)、布局布線及帶外抑制等方面分析電磁兼容設(shè)計方法和具體措施。

　　3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　目標(biāo)端空空通信機內(nèi)部信號類型多且特性復(fù)雜，包括數(shù)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，在保證射頻模塊正常工作的前提下，設(shè)計時著重考慮收發(fā)通道的隔離度和模塊間電磁兼容問題，射頻模塊在結(jié)構(gòu)上各單元獨立處理，接收通道和發(fā)射通道都設(shè)計有單獨的本振單元以防止信號間的串?dāng)_，收發(fā)通道的射頻信號進(jìn)行了帶外濾波設(shè)計。射頻模塊在結(jié)構(gòu)上發(fā)射通道和接收通道布于不同盒體內(nèi)，實現(xiàn)了收發(fā)通道間的物理隔離[8-9]。

　　電磁場能夠從結(jié)構(gòu)件的縫隙中泄漏出去，設(shè)計時應(yīng)減少屏蔽體的縫隙數(shù)量，減小縫隙的寬度和長度。在蓋板與結(jié)構(gòu)殼體貼合處加縫隙臺階，殼體與蓋板通過螺釘緊固。當(dāng)結(jié)構(gòu)的孔縫尺寸等于半波長整數(shù)倍的情況下電磁泄露最大，在設(shè)計螺釘?shù)拈g距時要避開這一尺寸。目標(biāo)端空空通信機對射頻電路采用分蓋結(jié)構(gòu)使各單元獨立屏蔽，每一功能單元在一個屏蔽盒內(nèi)，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(yīng)

　　3.2.1腔體效應(yīng)分析

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

　　在實際設(shè)計中，腔體通常為不規(guī)則形狀，而且腔體中還有介質(zhì)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(shè)計時先用根據(jù)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(jìn)行仿真計算，預(yù)測腔體的諧振頻率。如果在工作頻率附近可能發(fā)生腔體效應(yīng)時，可采取改變腔體的尺寸或增加“隔墻”等方法。當(dāng)不適合改變腔體結(jié)構(gòu)尺寸來避免工作頻率附近出現(xiàn)腔體效應(yīng)時，可通過貼吸收材料改變電磁場分布來避免腔體效應(yīng)。

　　3.2.2腔體設(shè)計仿真

　　目標(biāo)端空空通信機的腔體設(shè)計大部分可根據(jù)式(1)進(jìn)行分析，但發(fā)射模塊中的數(shù)控衰減電路是控制功放組件輸入激勵信號大小的模塊，發(fā)射功率動態(tài)要求為35dB，如果存在腔體效應(yīng)或信號串?dāng)_都將影響不同模式下的發(fā)射功率大小指標(biāo)。設(shè)計時使用基于頻域有限元算法的電磁場求解軟件對發(fā)射數(shù)控模塊進(jìn)行建模仿真[11]。發(fā)射數(shù)控模塊主要由放大器、數(shù)控衰減器和隔離器組成。通過仿真計算優(yōu)化腔體隔腔及印制板布線，使發(fā)射數(shù)控模塊腔體在電路工作頻率附近無諧振點，信號線間無串?dāng)_。

　　3.3布線布局

　　3.3.1布線布局設(shè)計分析

　　目標(biāo)端空空通信機中在設(shè)計時射頻電路與數(shù)字電路分開，一些敏感射頻電路設(shè)計在獨立的腔體內(nèi)，同時將數(shù)字電路及射頻電路設(shè)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(lián)等位置不可避免地會出現(xiàn)拐角、寬度突變和過孔等阻抗不連續(xù)現(xiàn)象。傳輸線的阻抗不連續(xù)性不僅能引起信號的反射，還能激勵信號的高次模，產(chǎn)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(xù)性，通常在傳輸線拐角處采用切角或圓角走線的方法進(jìn)行走線。對于走線由于器件封裝引起的不連續(xù)，可用漸變線等方式來減小阻抗不連續(xù)的影響[12-13]。

　　3.3.2布局布線設(shè)計仿真

　　目標(biāo)端空空通信機的發(fā)射本振模塊為調(diào)制模塊提供本振信號，發(fā)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(fā)射相位不平衡指標(biāo)的惡化，發(fā)射本振模塊主要由晶振、鎖相環(huán)電路及CRO組成[14-15]。根據(jù)電路仿真優(yōu)化傳輸線線寬和器件布局，使發(fā)射本振模塊能夠在輸出端形成良好匹配。

　　3.4帶外抑制

　　為了使目標(biāo)端空空通信機發(fā)射的帶外信號、諧波信號和雜波信號不對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，不但要滿足電性能指標(biāo)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(biāo)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(biāo)端空空通信機發(fā)射功率可切換，根據(jù)電磁兼容CE106測試項目要求，應(yīng)選擇產(chǎn)生最惡劣發(fā)射頻譜的參數(shù)。因此，在大功率發(fā)射狀態(tài)下應(yīng)滿足二次和三次諧波應(yīng)抑制50+10lgP(P為基波峰值輸出功率)，即60dB。

　　二次和三次諧波以外的所有諧波和雜波均應(yīng)抑制大于80dB。旁瓣抑制及諧波抑制指標(biāo)與功放的線性度及功放輸入信號質(zhì)量有很大關(guān)系，功放工作時要求放大器盡量處于線性工作狀態(tài)。功放組件的諧波抑制能夠大于45dB，發(fā)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62dB。功放輸入級有旁瓣抑制濾波器，能夠?qū)�輸入信號約7MHz的射頻信號帶寬進(jìn)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(shè)計采用低膨脹合金材料加工腔體濾波器，能夠?qū)�輸入信號的旁瓣有較好的抑制。

　　目標(biāo)端空空通信機在雜波抑制設(shè)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(guān)頻率產(chǎn)生的雜波，目標(biāo)端空空通信機對二次電源輸出設(shè)計有EMI濾波電路，敏感電路的供電經(jīng)穩(wěn)壓器進(jìn)行隔離，能夠有效抑制電源產(chǎn)生的雜波進(jìn)入發(fā)射模塊輸出;②放大器如果自激將產(chǎn)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(jìn)行合理的隔腔和阻抗匹配，使電路的穩(wěn)定系數(shù)K>1，從而保證射頻鏈路無條件穩(wěn)定;③發(fā)射鏈路頻率流程中的諧波及互調(diào)分量產(chǎn)生的雜波，目標(biāo)端空空通信機對可能影響發(fā)射雜波的電路均設(shè)計了濾波器電路，能有效抑制此部分雜波;④時鐘電路產(chǎn)生的各種頻率分量，對其進(jìn)行隔離及濾波[16-18]。最終目標(biāo)端空空通信機能夠?qū)崿F(xiàn)雜波抑制大于80dB的指標(biāo)要求。

　　4設(shè)計實現(xiàn)驗證分析

　　目標(biāo)端空空通信機通過了產(chǎn)品要求的所有相關(guān)鑒定級試驗及電磁兼容試驗。產(chǎn)品在試驗過程中性能指標(biāo)滿足要求，試驗前及試驗后全部功能性能均正常。目標(biāo)端空空通信機發(fā)射狀態(tài)CE106測試結(jié)果中二次諧波抑制比規(guī)定限值有40dB的余量，3次諧波抑制比規(guī)定限值僅有7dB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(jìn)一步抑制可在設(shè)計時增大雙工器對三次諧波的抑制。

　　5結(jié)束語

　　目標(biāo)端空空通信機包含大功率發(fā)射機和高靈敏度接收機，且所處的電磁環(huán)境異常復(fù)雜，單機的電磁兼容性設(shè)計非常重要。本文在分析了目標(biāo)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(shè)計相關(guān)電性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)端空空通信機的特點，重點從結(jié)構(gòu)設(shè)計、腔體效應(yīng)、布線布局和帶外抑制等方面進(jìn)行了理論分析及數(shù)值仿真計算，利用分析結(jié)果指導(dǎo)了相關(guān)電磁兼容性設(shè)計。最終目標(biāo)端空空通信機的電性能指標(biāo)滿足設(shè)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(shè)計方法可靠有效。本文采用的設(shè)計方法對通信機類產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計有一定的參考作用。

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　　作者：陳瑞龍，陳新，黃波，洪亮，李林瞳