短波天线调谐器电磁兼容设计

方毅伟 毕晓龙

1.中国船舶重工集团第七二二研究所； 2.渤海造船厂集团有限公司

一、引言

短波（2～30MHz）通信是远距离通信的主要手段之一。某平台的短波发射机一般是1kW以上的大功率宽频带发射机，而短波天线一般是鞭状电小天线，天线的阻抗特性与发射机所需要的50欧姆差异较大，引起的阻抗不匹配会对信号传输造成较大损耗，系统辐射效率低，需要采用短波天线调谐器，改善天线对发射机的阻抗匹配，配合短波发射机和窄带天线进行短波大功率发信，提高发信效率。

二、短波天线调谐器原理

短波天线调谐器主要是由调谐参数检测模块、控制模块和天线阻抗匹配模块组成。调谐参数检测模块用于实时检测对天线调谐过程中天线匹配网络的状态参数如正反向功率、驻波比、相位和阻抗等，并以检测结果为控制模块提供动态的信息。控制模块接收来自发射机的频率预置信息和来自调谐参数检测模块的动态调整信息，通过接口和继电器设计，控制匹配模块改变电抗元件值，实现调谐。同时将测量信息、电路匹配状态和匹配电路参数等通过接口电路送到存储单元存储，以备以后存储调用调谐调用。天线阻抗匹配模块由一组电抗元件连接而成，通过继电器进行开关控制进行匹配网络的设置，实现对短波发射机与天线间的阻抗匹配。短波天线调谐器需要尽量布置于或靠近天线根部，不仅要具备调谐速度快、调谐精度高、适配频带宽，还要具备微功率调谐能力，确保调谐的隐蔽性。

三、短波天线调谐器电磁兼容设计

短波大功率天线调谐器作为大功率射频传输设备，设备本身需要承受大功率射频信号，需要做好电磁屏蔽，另外对外部是电磁干扰源，工作时会产生电磁干扰，产生的电磁干扰不仅可以通过电缆耦合到敏感设备上，还可以通过天线调谐器壳体缝隙、输入、输出端口向外辐射，可能对人员和其它设备带来不良影响。

根据能量传播的途径，干扰发射有两种：传导发射和辐射发射。其中传导发射的途径是电源线、控制线和天线，辐射发射的途径是空间电磁场，解决这些问题的基本方法是由“场”和“路”两方面提出措施。为提高电磁兼容性，在设备整体设计、电路、结构和工艺等方面加强设计，以降低对外辐射影响，同时也降低设备对电磁干扰的灵敏度。

短波天线调谐器由短波发射机提供24V直流供电，并由短波发射机进行遥控设置参数和结果显示，本机没有显示界面，机箱可以做较为完整的密封，由于对外接口关系，仍然需要留有必要的连接器开孔。

（一）短波天线调谐器结构设计

1.屏蔽体材料及厚度设计。在短波天线调谐器的结构设计中，屏蔽箱尤为重要，屏蔽箱体的材料选择和厚度设计对屏蔽箱的屏蔽效能起决定性作用。屏蔽效能（SE）即对给定辐射干扰源进行屏蔽时，在某一场点上，屏蔽箱盒安装前后的电场强度或磁场强度之比值。综合考虑屏蔽材料的相对磁导率和相对电导率，天线调谐器屏蔽箱选用的材料为铝(导电氧化处理)，厚度为1.5（mm）厚，其中铝相对导磁率μr是1，铝相对导电率σr是0.61。具体计算如下：

根据分析，天线调谐器工作在3～30MHz为近区电场屏蔽，其理论屏蔽效能可表示为：

电场屏蔽效能：SE=A+R1（dB）；

磁场屏蔽效能：SE=A+R2（dB）；

R1=322+10lg(σr/μrf3r2)（dB）（屏蔽电场的反射损耗）；

R2=14.6+10lg(fσrr2/μr)（dB）（屏蔽磁场的反射损耗）；

其中：f为频率（Hz），t为金属板厚度（mm），r为辐射源至壁距离(cm)，μr金属板相对导磁率，σr金属板相对导电率。

将相关参数值代入公式计算可得：

电场屏蔽效能为377.38dB，磁场屏蔽效能为357.02dB。这样；1.5mm厚的铝板完全能够起到电磁屏蔽作用。另外，天线调谐器壳体采用机箱形式，为了增加屏蔽效能，设计中采用双层屏蔽作用，材料采用铝板和不锈钢板。

2.缝隙、孔洞的处理。一般电子设备因通风、散热及连接电缆等设计要求，必须开制小孔，采用连接处采用永久性接缝，采用焊接技术作永久性封闭。在配合面形成的接缝，加导电衬垫（橡胶芯金属丝屏蔽条）的设计方法。但是仍有部分电磁能量会经由孔、缝泄露，当孔、缝尺寸等于半波长的整数倍时，电磁泄漏最大，一般要求缝长或孔径小于λ/10～λ/100。

短波天线调谐器机箱面板上不开孔，为了通风需要只在侧板或后板和上板开φ3mm（远小于λ/100）的孔。前面板及其他侧面与骨架之间缝隙用导电橡胶（SE=120dB）屏蔽条屏蔽，并用排列紧密的螺钉固定（两螺钉距离为10cm）。这样，整个机体就成为一个屏蔽体，避免电磁波向外辐射。

（二）线路设计

在对电子设备进行整机电路设计时，通过合理走线可以减少导线上相互之间的电磁场感应。

在对短波天线调谐器进行线路设计时，低频信号线、控制线用带隔离皮的屏蔽线，以免长线感应高频在导线上产生干扰，破坏控制的正常逻辑状态，产生误动作。电路上必要的地方加了电容以钝化尖峰脉冲。所有的控制信号通过光电隔离器、滤波器后进入印制板，并将弱信号地与射频地分开。

高频线全部采用双层高频电缆，特性阻抗为50Ω，线的两头焊接牢固，并保证了外皮与电缆头的外壳接触良好，高频连接器采用同轴方式，用螺钉安装，360°与机壳接触良好，并通过独立测试挑选。

24V直流电源线通过选用电磁兼容符合要求的滤波器给被供单元供电，在给风机供电的传输线上加铁氧体材料。

（三）接地设计

电子产品的地线分为安全地和信号地，前者是保证设备电气安全的，后者是保证电路能够正常工作的。天线调谐器设计信号地和安全地，其中信号地接入平台内部专门的信号地线路，安全地通过铜棒或铜皮方式接于平台内的地线铜板上，尽量减少接地电阻。实际施工中，机箱接地点在去除氧化层后短时间内完成连接并马上用漆涂抹，保证较低的接触电阻。经实际测量，接地电阻小于10毫欧。

结束语：根据GJB151B－2013中对电场辐射和磁场辐射测试方法，对所设计的短波天线调谐器进行了电磁兼容试验，测试结果电场辐射不大于50dBV/m,磁场辐射不大于76dBTP，符合标准中的指标要求。