鄭真福

（69016部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830092）

0 引 言

2020年5月，工信部出臺(tái)《關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，結(jié)合國(guó)家新型通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及決策部署，推動(dòng)通信強(qiáng)國(guó)建設(shè)，要求擴(kuò)大移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)連接。針對(duì)通信行業(yè)應(yīng)用環(huán)境和業(yè)務(wù)需求，重點(diǎn)開展關(guān)鍵技術(shù)研究，并加大相關(guān)試驗(yàn)。我國(guó)電磁干擾抑制技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，結(jié)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)完善了相關(guān)的體系認(rèn)證，但隨著通信技術(shù)發(fā)展速度加快，軍事領(lǐng)域通信電磁干擾問題日益嚴(yán)重，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)、智能化發(fā)展趨勢(shì)下，對(duì)通信設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及延展性帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，軍事通信開關(guān)電源高頻通斷狀態(tài)下，容易出現(xiàn)復(fù)雜的電磁干擾，污染電力通信環(huán)境，影響通信設(shè)備工作質(zhì)量與效果，甚至可能導(dǎo)致信號(hào)畸變引發(fā)重大故障[1]。為了強(qiáng)化通信設(shè)備運(yùn)行的可靠性，對(duì)通信開關(guān)電源電磁干擾的影響與抑制技術(shù)應(yīng)用加以探究具有重要意義。

1 通信開關(guān)電源電磁特性

通信開關(guān)電源的電磁特征可從電磁兼容出發(fā)，分為電磁干擾、電磁抗擾度兩個(gè)方面，如圖1所示，主要影響因素有以下幾點(diǎn)。一是電磁干擾源，主要是由電磁噪聲、無(wú)用信號(hào)、傳播媒介自身變化等引起，具體可分為自然干擾源和人為干擾源兩類，主要采取源頭抑制措施。二是干擾的傳輸通道，即將電磁干擾能量傳播到敏感設(shè)備的媒介，通常有傳導(dǎo)干擾和空間干擾兩類。傳導(dǎo)干擾需有完整的傳輸通道，空間干擾中的輻射干擾通常以天線耦合、場(chǎng)對(duì)線耦合、線對(duì)線耦合為主。通常情況下，電磁干擾的傳輸通道是復(fù)雜的，多種方式混雜共同作用，使得通道切斷抑制變得更加困難。三是敏感設(shè)備，即敏感元件的電磁抗擾度，通常情況下元件越靈敏，其越容易受到電磁干擾，抗性越低，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到電磁抗擾度?？梢?，通信開關(guān)電源電磁干擾抑制需充分考慮到以上3個(gè)要素，采取綜合抑制措施。

圖1 通信開關(guān)電源電磁特性

2 通信開關(guān)電源電磁干擾的分類

2.1 功率開關(guān)管引發(fā)的電磁干擾

在干擾源中，功率開關(guān)管、時(shí)鐘源等將產(chǎn)生大量的干擾信號(hào)，容易被低壓控制電路吸收。功率開關(guān)管在開關(guān)狀態(tài)下將產(chǎn)生干擾信號(hào)，通過(guò)濾波器后傳播到被擾體（見圖2），主要的產(chǎn)生機(jī)理包括以下幾點(diǎn)。一是差模傳導(dǎo)，電感儲(chǔ)能放能的過(guò)程中產(chǎn)生電流紋波，對(duì)通信電路產(chǎn)生干擾；二是共模傳導(dǎo)，開關(guān)狀態(tài)下電位跳變產(chǎn)生位移電流，對(duì)通信電路產(chǎn)生干擾；三是輻射，即噪聲電流頻率較高的情況下，產(chǎn)生的高頻輻射噪聲；四是近場(chǎng)電磁耦合，即元器件之間耦合電容和互感相互干擾。通信開關(guān)電源波形近似為矩形，其中包含諧波、基頻，通過(guò)電源電路時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)力電磁脈沖，從而形成電磁干擾。此外，由于功率開關(guān)管線圈感性負(fù)載，在電流導(dǎo)通的瞬間產(chǎn)生電壓脈沖，從而出現(xiàn)尖峰波形，衰減振蕩時(shí)將不斷引發(fā)漏感電磁疊加，使得電壓、電流出現(xiàn)瞬變，傳導(dǎo)到通信系統(tǒng)中，輸出干擾信號(hào)，影響通信質(zhì)量[2]。

圖2 功率開關(guān)管電磁干擾傳播與影響范圍

2.2 二極管反向恢復(fù)引發(fā)的電磁干擾

在通信開關(guān)電源中存在數(shù)個(gè)二極管，其狀態(tài)根據(jù)開關(guān)狀態(tài)不斷變化。當(dāng)二極管從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，其電壓波形產(chǎn)生尖峰，再轉(zhuǎn)為阻斷時(shí)會(huì)迅速出現(xiàn)反向恢復(fù)電流。電流與電壓的不斷瞬時(shí)變化將引起電感電磁干擾，從而使得二極管成為通信開關(guān)電源中的干擾源[3]。為了減少二極管反向恢復(fù)引發(fā)的電磁干擾，在器件選擇時(shí)盡量縮短反向恢復(fù)時(shí)間，并增設(shè)吸收電路（見圖3），減少高頻振蕩電壓的頻率，吸收回路中的振蕩噪聲。但吸收電路會(huì)在一定程度上降低開關(guān)電源的運(yùn)行效率，因此還需根據(jù)二極管反向恢復(fù)電磁干擾的實(shí)際影響以及高頻變壓器漏感的大小，調(diào)整吸收電路電阻值。

圖3 吸收電路

2.3 磁性元件引發(fā)的電磁干擾

通信開關(guān)電源中有著大量磁性元件，如變壓器、濾波電感等，電容裝置使得高頻干擾信號(hào)得以寄生，再加上線圈裝置等作用，容易出現(xiàn)漏感現(xiàn)象，從而進(jìn)一步對(duì)通信電路產(chǎn)生輻射干擾[4]。從本質(zhì)上來(lái)看，在通信開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，磁性元件的使用無(wú)法避免，只能夠通過(guò)屏蔽技術(shù)、印刷線路板（Printed Circuit Board，PCB）設(shè)計(jì)技術(shù)等來(lái)減少電磁吸收與干擾。

2.4 戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境引發(fā)的電磁干擾

在軍事通信領(lǐng)域，信息化戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，受到環(huán)境傳播條件的影響，空間分布密集度高，且隨著時(shí)間的變化，電磁干擾信號(hào)處于動(dòng)態(tài)變化。因此，通信開關(guān)電源還需考慮到復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁干擾問題。戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的電磁干擾因素包括以下幾點(diǎn)。一是信號(hào)頻率，無(wú)線通信中部分干擾信號(hào)與價(jià)值信號(hào)關(guān)聯(lián)度不高，通過(guò)收信設(shè)備作用于電路，從而形成組合干擾。二是信號(hào)調(diào)制方式，通信電臺(tái)信號(hào)調(diào)制方式不同，差異化的信號(hào)調(diào)制使得干擾信號(hào)頻譜中心不一致，從而導(dǎo)致干擾抑制效果差。三是信號(hào)強(qiáng)度，信號(hào)質(zhì)量與信號(hào)強(qiáng)度密切相關(guān)，發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)影響干擾信號(hào)的強(qiáng)度，從而對(duì)接收系統(tǒng)造成影響。復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的電磁干擾無(wú)可避免，為了減少各種態(tài)勢(shì)下的信號(hào)干擾問題，可采取選頻、高速跳頻以及擴(kuò)頻等技術(shù)，也可結(jié)合智能分析運(yùn)用智能天線判斷干擾信號(hào)，確保戰(zhàn)場(chǎng)信息傳遞質(zhì)量與效率[5]。

3 通信開關(guān)電源電磁干擾常見的抑制技術(shù)

3.1 無(wú)源濾波技術(shù)

濾波是通信開關(guān)電源電磁干擾抑制的關(guān)鍵手段，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，成本投入少，抑制效果好且運(yùn)行較為穩(wěn)定。無(wú)源濾波器主要由扼流圈和高頻電路構(gòu)成（見圖4），通信開關(guān)電源狀態(tài)變化使得電流變化率較高，進(jìn)而使得附近電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，出現(xiàn)差模、共模干擾，共模扼流圈、差模扼流圈能夠削減干擾信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到較好的干擾抑制效果[6]。

圖4 無(wú)源濾波器扼流圈結(jié)構(gòu)及高頻電路模型

3.2 有源濾波技術(shù)

有源濾波技術(shù)主要針對(duì)共模干擾信號(hào)，在主回路中提取與干擾信號(hào)大小相等的信號(hào)并反向補(bǔ)償，通過(guò)晶體管放大電流，將發(fā)射級(jí)的電流傳回基極，并進(jìn)行濾波，來(lái)降低干擾信號(hào)的影響。但由于有源濾波器參數(shù)敏感，不適用于高壓通信開關(guān)電源，且需根據(jù)信號(hào)干擾的實(shí)際情況選擇合適的安裝位置才能起到良好的抑制干擾作用。

3.3 電磁屏蔽技術(shù)

電磁屏蔽可分為靜電屏蔽、交變電磁屏蔽、整體屏蔽以及固定接地屏蔽。其中，靜電屏蔽主要針對(duì)通信開關(guān)電源固定磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)干擾的影響。交變電磁干擾是開關(guān)電源運(yùn)行中變壓器、電感器等磁性元件產(chǎn)生的電磁干擾，用鐵板、銅板及其他的屏蔽材料合理安裝，使得范圍內(nèi)的電磁波衰減，減少信號(hào)干擾。整體屏蔽防止通信開關(guān)電源的電磁干擾影響到其他通信設(shè)備，在開關(guān)電源外設(shè)置屏蔽殼和屏蔽罩等，將系統(tǒng)接地，使得電磁信號(hào)不外泄。但在通信開關(guān)電源運(yùn)行過(guò)程中仍舊有部分電線與材料等容易泄露，且整體屏蔽成本高、效果單一、散熱困難。固定接地屏蔽是將電磁干擾信號(hào)較多的系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立的屏蔽電路設(shè)計(jì)，以此來(lái)解決局部電磁干擾問題。

3.4 PCB設(shè)計(jì)技術(shù)

為了能夠從根本上強(qiáng)化電磁干擾的抑制效果，PCB設(shè)計(jì)至關(guān)重要，合理的電路設(shè)計(jì)能夠減少電路與元件之間的電磁串?dāng)_問題，減少整體的輻射干擾[7]。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：一是干擾源劃分；二是功率強(qiáng)弱劃分；三是數(shù)字與模擬電路劃分；四是合理布線。在PCB設(shè)計(jì)后，應(yīng)對(duì)其合理性進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)流程與仿真流程如圖5所示。

圖5 PCB設(shè)計(jì)流程與仿真流程

3.5 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)

擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)通過(guò)整合干擾信號(hào)，實(shí)行編碼、解碼，擴(kuò)寬載波頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)控制，以此來(lái)減少諧波能量。在戰(zhàn)場(chǎng)通信中，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)具有重要價(jià)值，能夠降低信號(hào)被敵方截獲的概率，同時(shí)也加載偽干擾，使得信號(hào)難辨，強(qiáng)化戰(zhàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)陌踩?。此外，相比其他電磁干擾抑制技術(shù)來(lái)說(shuō)，擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)應(yīng)用靈活性強(qiáng)，原理簡(jiǎn)單，效果較好，且對(duì)通信開關(guān)電源的效率不會(huì)造成影響，因此應(yīng)用十分廣泛。

3.6 功率因數(shù)校正技術(shù)

對(duì)于部分直流通信開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，其電磁干擾抑制性差的原因在于干擾直接影響了波形，使得功率因數(shù)降低。功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）技術(shù)能夠減少諧波能量，校正波形，改善開關(guān)電源的輸入特性，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提升。從本質(zhì)上來(lái)看，該電磁干擾抑制方法與有源濾波類似，但效果更好、適用范圍更廣，但電路設(shè)計(jì)困難。

4 通信開關(guān)電源電磁干擾抑制技術(shù)應(yīng)用措施

4.1 源頭抑制措施

在軍事通信領(lǐng)域，通信開關(guān)電源電磁干擾抑制的控制應(yīng)做到方方面面，從設(shè)備源頭、通信過(guò)程等多個(gè)角度加大電磁干擾抑制技術(shù)的應(yīng)用與研究，從整體上提高電磁干擾抑制效果。源頭抑制即從通信開關(guān)電源的根本出發(fā)，減少電磁干擾信號(hào)的產(chǎn)生，可采用的技術(shù)有PFC技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)等，可將抑制的重點(diǎn)放在以下幾點(diǎn)。一是通信開關(guān)電源功率因數(shù)的提升，通過(guò)校正波形來(lái)減少干擾信號(hào)的產(chǎn)生。二是提高電磁兼容性，通過(guò)電流轉(zhuǎn)化、緩沖電路、吸收電路等，改善通信開關(guān)電源的電磁兼容特性，以此來(lái)減少電磁干擾的出現(xiàn)。三是優(yōu)化設(shè)計(jì)，如PCB設(shè)計(jì)等，通過(guò)優(yōu)化通信開關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行大量的仿真試驗(yàn)來(lái)減少電磁干擾。為了強(qiáng)化其在軍事通信中的應(yīng)用效果，應(yīng)積極出臺(tái)相應(yīng)的政策，鼓勵(lì)通信產(chǎn)業(yè)、開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)加大有關(guān)技術(shù)的研發(fā)與設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的可靠性以及通信開關(guān)電源運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.2 切斷干擾抑制措施

在諸多通信開關(guān)電源抑制措施中，切斷干擾抑制方法應(yīng)用的靈活性較差，只能夠針對(duì)一類或某一固定范圍的電磁干擾進(jìn)行切斷，或?qū)﹄姶鸥蓴_信號(hào)進(jìn)行規(guī)避，從而減少干擾信號(hào)的影響，如濾波技術(shù)、選頻技術(shù)以及高速跳頻技術(shù)等。隨著智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，其在軍事通信領(lǐng)域有了一定的實(shí)踐成果，如虛擬智能天線和智能組網(wǎng)技術(shù)等，能夠?qū)νㄐ胚^(guò)程中出現(xiàn)的干擾信號(hào)加以智能識(shí)別與精準(zhǔn)判斷，以此來(lái)調(diào)整并優(yōu)化信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能化信息傳輸。

4.3 屏蔽抑制措施

通信開關(guān)電源電磁干擾的屏蔽抑制主要應(yīng)用在兩個(gè)方面。一是開關(guān)電源內(nèi)部通過(guò)閉合磁環(huán)、絕緣層以及屏蔽層等進(jìn)行電路屏蔽，防止內(nèi)部磁性元件之間形成干擾耦合，對(duì)通信開關(guān)電源的運(yùn)行效率產(chǎn)生影響。二是對(duì)通信開關(guān)電源的整體電磁干擾進(jìn)行外部屏蔽，尤其是在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，防止其對(duì)其他通信設(shè)備及信號(hào)傳輸造成干擾，通常采用屏蔽罩和屏蔽殼等，綜合搭配其他干擾抑制技術(shù)，從而形成良好的整體抑制效果。

5 結(jié) 論

如今，通信開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域日漸拓寬，應(yīng)加大通信開關(guān)電源電磁干擾抑制技術(shù)的研究，進(jìn)一步推動(dòng)通信開關(guān)電源電磁抑制技術(shù)向著智能化、靈活化的方向前進(jìn)，使其在我國(guó)通信行業(yè)、軍事領(lǐng)域等發(fā)揮重要價(jià)值。