引言

随着航天器上电子设备和载荷向小型化、集成化、功能复杂化方向发展,且航天器上一般有多个用于遥控遥测、通信与导航定位的无线发射和接收设备,使得无线电频谱日益拥挤,航天器电子设备的电磁兼容要求日益增加,电磁兼容技术日渐成为保障航天任务成功执行的关键技术之一[1]。

本文研究的目标端空空通信机相比追踪端空空通信机具有大功率模式下发射功率大、可数控发射功率范围大的特点,相比有飞行经历的目标端空空通信机发射信号带外抑制要求更高,新增了收/发通道可切换空空前置放大器通道等功能。同时,目标端空空通信机在工作频段附近用频设备较多,工作频段频谱高度密集,在设计时既要满足自身电磁兼容性,又要满足互兼容要求,增加了电磁兼容设计的难度。本文基于电磁兼容基本理论,采用数值分析和仿真计算的方法,在产品设计初期指导产品的电磁兼容设计,实现了产品的自兼容和互兼容要求,避免了产品在设计完成后发现电磁兼容问题再进行整改的风险,缩短了研制周期,节约了成本。

1、目标端空空通信机工作原理

目标端空空通信机位于目标飞行器中,承担交会对接段以及撤离段飞行器状态数据、定位数据以及控制等数据传输任务[2,3]。目标端空空通信机从空空通信天线或空空前置放大器选择一路射频接收信号进行放大、下变频和解调,并将解调后的基带数据送至空空通信接口;同时接收空空通信接口送来的基带数据进行调制,并将已调制的信号选择由空空通信机功放组件放大后经空空通信天线发送出去或选择由空空前置放大器功放组件放大后经空空支架天线发送出去。目标端空空通信机主要由发射模块、接收模块、数字处理模块、电源模块及双工器等组成,原理框图如图1所示。

图1目标端空空通信机原理

2、电磁兼容要求分析

目标端空空通信机不仅要实现防止内部信号串扰的“自兼容性”,还需要实现抵抗产品间相互串扰的“互兼容性”,并能够按照设计技术要求实现其预定功能,抵御一定程度的电磁干扰[4,5]4-5],最终通过GJB151B-2013、型号产品设计和建造规范要求的相关测试项目。按照要求,目标端空空通信机需要进行RE102,CE102,RS103,CS101,CS114,CS115,CS116,ESD及CE106共9项电磁兼容测试项目。含有射频类收发信机的设备电磁兼容测试项目中一般CE102,CE106及RE102等测试项目容易超差,目标端空空通信机的电源设计中采用电源保护、抗浪涌电流、电源滤波和二次稳压电路,可有效抑制电源线传导发射。在电磁兼容设计时重点考虑目标端空空通信机的内部“自兼容性”、电性能指标的满足情况、电磁兼容测试中RE102和CE106项目。

考虑到目标飞行器与追踪飞行器在进行交会对接时,相对距离由远及近变化引起的场强变化非常大,需采取功率控制措施防止2个飞行器在距离较近时接收机饱和而无法正常解调。目标端空空通信机在不同通信模式下对应的发射功率要求如表1所示。

表1目标端空空通信机发射功率要求

目标端空空通信机发射功率大,且在发射频率附近用频设备较多,在限定整机功耗的情况下对BPSK调制的发射信号带外抑制提出了第2旁瓣范围带外抑制大于45dBc,在第3旁瓣范围带外抑制大于55dBc,发射功率及带外抑制需要在高低温和热真空等环境下均满足要求,对电磁兼容设计提出了较高要求。

3、电磁兼容设计方法

目标端空空通信机内部包含了多个功能模块,高频与低频、大信号与小信号、数字电路与模拟电路共存于一个单机中,内部存在严重的电磁干扰,因此需要对各功能模块及器件合理布局,通过接地、屏蔽和滤波技术来提高抗干扰门限并降低对其他产品的干扰[6,7]。根据目标端空空通信机的特点,重点从结构设计、腔体效应、布局布线及带外抑制等方面分析电磁兼容设计方法和具体措施。

3.1结构设计

目标端空空通信机内部信号类型多且特性复杂,包括数字、射频、遥测、遥控及供电等信号。为了防止各模块及信号间的干扰,目标端空空通信机采用如图2所示的模块式叠层结构。在保证射频模块正常工作的前提下,设计时着重考虑收发通道的隔离度和模块间电磁兼容问题,射频模块在结构上各单元独立处理,接收通道和发射通道都设计有单独的本振单元以防止信号间的串扰,收发通道的射频信号进行了带外滤波设计。射频模块在结构上发射通道和接收通道布于不同盒体内,实现了收发通道间的物理隔离[8,9]。

图2目标端空空通信机构型

电磁场能够从结构件的缝隙中泄漏出去,设计时应减少屏蔽体的缝隙数量,减小缝隙的宽度和长度。在盖板与结构壳体贴合处加缝隙台阶,壳体与盖板通过螺钉紧固。当结构的孔缝尺寸等于半波长整数倍的情况下电磁泄露最大,在设计螺钉的间距时要避开这一尺寸。目标端空空通信机对射频电路采用分盖结构使各单元独立屏蔽,每一功能单元在一个屏蔽盒内,对于大功率模块功放组件采用双层盖板屏蔽来减小缝隙辐射。一些控制和电源线腔体之间的连接通过穿心电容来完成,以抑制电磁干扰。

3.2腔体效应

3.2.1腔体效应分析

射频功率的传输通过腔体滤波器和微带线来实现,微带电路封装在金属腔体内以保护电路性能并实现电路稳定性。当腔体的长、宽和高满足腔体谐振对应的特定波长时,会影响信号的正常传输,发生腔体效应[10]10]。因此,在设计目标端空空通信机腔体时要避免腔体在工作频率范围内谐振而出现放大器自激或衰减尖峰的情况。

如果有一个理想矩形腔体的长、宽、高分别为d,a,b,并且满足d>a>b,则腔体的谐振频率可表示为:

公式1

对于TEmnl模(m,n为0,1,2,…;l=1,2,3,…),TMmnl模(m,n为1,2,…;l=0,1,2,3,…)。一个给定的腔体根据式(1)可得到多个谐振频率,在设计腔体时应使腔体的谐振频率远离产品的工作频率。

在实际设计中,腔体通常为不规则形状,而且腔体中还有介质基板以及各种元器件,这些都将使腔体的场分布与理想腔体不同。在设计时先用根据公式估算的谐振频率,如果谐振频率接近工作频率,利用电磁仿真软件对腔体的谐振频率进行仿真计算,预测腔体的谐振频率。如果在工作频率附近可能发生腔体效应时,可采取改变腔体的尺寸或增加“隔墙”等方法。当不适合改变腔体结构尺寸来避免工作频率附近出现腔体效应时,可通过贴吸收材料改变电磁场分布来避免腔体效应。

3.2.2腔体设计仿真

目标端空空通信机的腔体设计大部分可根据式(1)进行分析,但发射模块中的数控衰减电路是控制功放组件输入激励信号大小的模块,发射功率动态要求为35dB,如果存在腔体效应或信号串扰都将影响表1中不同模式下的发射功率大小指标。设计时使用基于频域有限元算法的电磁场求解软件对发射数控模块进行建模仿真[11]11]。发射数控模块主要由放大器、数控衰减器和隔离器组成,对电路及腔体建模如图3所示。

图3发射数控模块仿真模型

通过仿真计算优化腔体隔腔及印制板布线,使发射数控模块腔体在电路工作频率附近无谐振点,信号线间无串扰。

3.3布线布局

3.3.1布线布局设计分析

目标端空空通信机中在设计时射频电路与数字电路分开,一些敏感射频电路设计在独立的腔体内,同时将数字电路及射频电路设计在不同分层模块中,以降低各模块间的影响。在布线时模拟电路大信号与小信号分开,前后不形成回路,选用合适的滤波器抑制电磁干扰,从而提高电路承受电磁干扰的门限。

射频模块中,传输线在腔体或器件互联等位置不可避免地会出现拐角、宽度突变和过孔等阻抗不连续现象。传输线的阻抗不连续性不仅能引起信号的反射,还能激励信号的高次模,产生电磁辐射问题,影响电路的正常工作。为了消除射频电路中传输线阻抗的不连续性,通常在传输线拐角处采用切角或圆角走线的方法进行走线。对于走线由于器件封装引起的不连续,可用渐变线等方式来减小阻抗不连续的影响[12,13]12-13]。

3.3.2布局布线设计仿真

目标端空空通信机的发射本振模块为调制模块提供本振信号,发射本振模块输出信号需与下级电路良好匹配,以减少输出端信号反射造成的发射相位不平衡指标的恶化,发射本振模块主要由晶振、锁相环电路及CRO组成[14,15]14-15]。根据电路仿真优化传输线线宽和器件布局,使发射本振模块能够在输出端形成良好匹配,仿真模型如图4所示。

图4发射本振模块仿真模型

3.4带外抑制

为了使目标端空空通信机发射的带外信号、谐波信号和杂波信号不对其他设备产生干扰,不但要满足电性能指标中对带外抑制提出的要求,还要满足电磁兼容测试中CE106项目的要求。因此,目标端空空通信机的带外抑制主要有旁瓣抑制、谐波抑制及杂波抑制。

目标端空空通信机发射功率可切换,根据电磁兼容CE106测试项目要求,应选择产生最恶劣发射频谱的参数。因此,在大功率发射状态下应满足二次和三次谐波应抑制50+10lgP(P为基波峰值输出功率),即60dB。二次和三次谐波以外的所有谐波和杂波均应抑制大于80dB。

旁瓣抑制及谐波抑制指标与功放的线性度及功放输入信号质量有很大关系,功放工作时要求放大器尽量处于线性工作状态。功放组件的谐波抑制能够大于45dB,发射输出的双工器对谐波也有抑制,综合计算能够满足对二次和三次谐波抑制大于62dB。功放输入级有旁瓣抑制滤波器,能够对输入信号约7MHz的射频信号带宽进行旁瓣抑制。为了使旁瓣抑制滤波器性能在高低温下具有较好的一致性,本设计采用低膨胀合金材料加工腔体滤波器,滤波器的幅频特性实测数据如图5所示,能够对输入信号的旁瓣有较好的抑制。

图5滤波器幅频特性实测结果

目标端空空通信机在杂波抑制设计时主要考虑以下4个方面:①由电源部分的DC-DC变换开关频率产生的杂波,目标端空空通信机对二次电源输出设计有EMI滤波电路,敏感电路的供电经稳压器进行隔离,能够有效抑制电源产生的杂波进入发射模块输出;②放大器如果自激将产生杂波,在功率放大器的输入、输出端均有隔离器,能够有效防止增益过高而引起的自激,对电路进行合理的隔腔和阻抗匹配,使电路的稳定系数K>1,从而保证射频链路无条件稳定;③发射链路频率流程中的谐波及互调分量产生的杂波,目标端空空通信机对可能影响发射杂波的电路均设计了滤波器电路,能有效抑制此部分杂波;④时钟电路产生的各种频率分量,对其进行隔离及滤波[16,17,18]16-18]。最终目标端空空通信机能够实现杂波抑制大于80dB的指标要求。

4、设计实现验证分析

目标端空空通信机通过了产品要求的所有相关鉴定级试验及电磁兼容试验。产品在试验过程中性能指标满足要求,试验前及试验后全部功能性能均正常。目标端空空通信机发射状态CE106测试结果中二次谐波抑制比规定限值有40dB的余量,3次谐波抑制比规定限值仅有7dB的余量,三次谐波抑制余量较小是由于在双工器中存在寄生通带的影响,如需对三次谐波进一步抑制可在设计时增大双工器对三次谐波的抑制。

5、结束语

目标端空空通信机包含大功率发射机和高灵敏度接收机,且所处的电磁环境异常复杂,单机的电磁兼容性设计非常重要。本文在分析了目标端空空通信机的电磁兼容试验要求、单机原理和电磁兼容设计相关电性能指标的基础上,根据目标端空空通信机的特点,重点从结构设计、腔体效应、布线布局和带外抑制等方面进行了理论分析及数值仿真计算,利用分析结果指导了相关电磁兼容性设计。最终目标端空空通信机的电性能指标满足设计要求,并通过了电磁兼容试验及型号鉴定级试验,验证了电磁兼容设计方法可靠有效。本文采用的设计方法对通信机类产品的电磁兼容设计有一定的参考作用。

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