摘 要介绍通信系统中的电磁干扰问题,并根据对有线通信中干扰的分析,建立相应的辐射预警探测和传导预警探测机制。
关键词电磁干扰;通信设备;预警探测
中图分类号TN91文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)061-0113-01
1电磁干扰概述
随着科学技术的进步,通信、电力、大量的设备运行和交通运输带来的人为电磁干扰,特别是人类对太空技术、核武器技术的掌握和应用,以及电子战技术的发展,使电磁环境越来越复杂和严重。对信息时代的信息设备构成严重威胁,因此高功率电磁环境倍受人们的重视。在高功率电磁环境中工作的电子、通信设备,有可能因这种干扰而导致系统或者设备的性能发生有限度的降级,甚至可能失灵。外界电磁场对有线通信设备干扰机理的核心问题是:外界电磁场对有线通信设备干扰的途径和干扰特性,具有某种特性的电磁波是怎样进入有线通信设备与线路内部形成有效干扰,以及有线通信设备对电磁干扰的敏感特性。因此电磁干扰问题就愈来愈突出,已成为许多设备、系统能否发挥正常作用的主要障碍。
本文首先简述了常见的电磁干扰及其干扰路径,进而提出有线通信设备抗干扰的预警探测方法,旨在研究抑制电磁干扰的有效手段,合理设计电子产品,提高抗干扰能力,保障电子系统设备的正常工作。
2外界电磁场对有线通信设备的干扰
2.1干扰方式
在外界电磁场环境中工作的有线通信设备,电磁能量可通过电磁耦合的途径进入电子系统产生影响,电磁耦合按干扰途径分为可分为两类:辐射耦合和传导耦合。
1)辐射耦合。辐射耦合指电磁能量通过空间以电磁场辐射的形式耦合至系统或者元器件,具体的耦合方式主要有:辐射场对天线的耦合,对电缆等长导体的耦合,对设备上的缝隙、孔、洞的耦合。外界电磁场对电小尺寸柱状导体与环状导体的干扰按单极子天线与偶极子天线以及磁偶极子天线耦合,由等效电路计算耦合电压和耦合电流;外界电磁场对电缆等长导体的干扰,按传输线的干扰耦合,由传输线等效电路计算传输线终端负载上的感应电流。
2)传导耦合。传导耦合指电磁能量以电压或者电流形式通过金属导体或电子元器件对系统形成的耦合。常见的有高频电磁能量直接注入通信传输线路中或者注入供电电源线中;另外一种是外界电磁场作用于传输线路(暴露在外界环境中的通信电缆)通过传输线耦合方式,再形成传导耦合进入通信设备形成传导干扰。实际上,电磁耦合是一个复杂的物理过程,辐射耦合和传导耦合往往同时存在,空间电磁波经辐射耦合后,通常又以传导耦合方式进入系统内部。
2.2干扰理论模型
实际上,电磁耦合是一个复杂的物理过程,辐射耦合和传导耦合往往同时存在,空间电磁波经辐射耦合后,通常又以传导耦合方式进入系统内部。外界电磁场对耦合方式有很多,比如:对螺旋天线的耦合、对传输线的干扰耦合、对印制线环路耦合和对元器件引脚的耦合等。主要介绍外界电磁场对传输线的干扰耦合特点。
1)电磁场对传输线的干扰存在呈周期性分布的耦合干扰最大值的频率点,并且最低的耦合干扰最大值的频率点与传输线的长度成反比,即随着传输线的长度增加,耦合干扰最大值的最低频率点减小,传输线的长度越短最低的耦合干扰最大值的频率点越高。在负载阻抗与传输线特性阻抗配的情况下,耦合干扰最大值的频率点按如下公式计算 (MHz)n=1,2,3,……
2)终端负载的归一化干扰电流的幅度取决于两根导线的间距,间距越大,干扰电流的幅度越强。在负载阻抗与传输线特性阻抗配的情况下,归一化耦合干扰最大值为 (dB)
3)电磁场对传输线的干扰也存在呈周期性分布的耦合干扰最小值的频率点,在负载阻抗与传输线特性阻抗匹配的情况下,耦合干扰最小值的频率点按如下公式计算
n=1,2,3,……
由于通信线的间距很小,电磁波感应的差模干扰电流的幅度通常较小。
3电磁干扰的预警探测
针对外界电磁场对有线通信设备的电磁干扰,我们无法控制干扰源和传播途径,因此只有控制有线通信设备的敏感度,降低对干扰源的接收效率,增加有线通信设备的抗扰性,建立电磁干扰的预警探测机制。
3.1抗干扰设计
1)印制电路板抗干扰设计。建议使用表面贴装元器件和设计双面印制板,甚至四层印制板(电磁环境恶劣的情况下),双面印制板相对于单面印制板布局更灵活,可以两面走线,减小了走线长度,从而使得回路面积减小,同时要在没有走线的区域铺大量的地,使用去耦电容,为射频电流提供一个低阻抗路径。传输线和螺旋线到有线通信设备的入口相连的元件,应紧靠机壳,尽可能离通话电路中的敏感印制线远一些,降低传输线和螺旋线耦合的射频信号通过串扰方式干扰内部敏感电路,另外,可以将有线通信设备整机实施屏蔽。总之,大面积铺地、减小环路面积、元件引脚长度以及采取屏蔽措施,目的是降低有线通信设备对人为电磁干扰源的接收效率。
2)传输线抗干扰设计。传输线是暴露在电磁辐射环境中最严重的部分,传输线可以采用双绞线,因为双绞线在信号频率低于100KHz时非常有用,高于1MHz后,双绞线的损耗明显增大,且双绞线不易受电磁感应的影响。把电流方向相反、幅度相等的两根电缆线互相拧合,由于感应电流的方向相反,从整体看,感应磁通引起的噪声电流互相抵消。另外,可以采用带屏蔽的传输线,信号电流在两根内导体上流动,而噪声电流在屏蔽层里流动,干扰信号将同时感应到两根导线上,在负载终端噪声电压相互抵消,对射频干扰起到了很好的抑制作用。
3.2预警探测
建立预警探测装置,首先要多方面收集各频段的信号特征,特别是重要通信设备的电磁敏感频率的特征,当然也包括一些低频段和高频段信号特征(如今许多电子通信设备的使用频率都在向两极方向发展),然后研制和部署与特征信号相关的监测装置。需要对国防信息基础设施建立相应的传导干扰和辐射干扰监控装置,用于监控干扰源,保护重要的通信基础设施。对放置在建筑物内的通信设备设立辐射监视器与传导监视器。根据电磁干扰有线通信设备的方法和途径,即辐射干扰和传导干扰,特提出两种预警探测机制。
1)辐射干扰的预警探测。辐射干扰是电磁干扰最主要的干扰手段,因此,对电磁辐射干扰的预警探测就显得更加重要。除了对关键的有线通信设备采取常规的电磁保护措施(浪涌保护、滤波、电磁屏蔽、接地)之外,另外是在关键的通信设备附近安放电磁辐射预警探测装置,对于发现、跟踪辐射干扰源具有十分重要的作用。辐射预警探测基于雷达探测原理,用于探测辐射源的方向、辐射强度、干扰制式、跟踪干扰源等,用于对各类电磁信号和干扰目标进行全方位、全天候、全频段的监视与预警探测。
2)传导干扰的预警探测。除了对关键的有线通信设备进行常规的保护措施(取消不必要的供电线和有线通信电缆、通信设备远离建筑物围墙、建筑物内部重要线路进行冗余设计、提供后备电源等)之外,另外一个重要的补充就是在线路上安装传导监视器,用于探测信号传输线以及供电线路的干扰噪声,检测电磁干扰信号的干扰强度、干扰制式、干扰频段等等。在发现干扰信号后,进行报警以及采取相应的预防措施,保护通信设备避免因强烈的电磁能量注入而造成通信设备的物理性损坏,并采取其它通信手段保障正常的通信。
4结束语
随着信息安全的重要性日益突出,电磁干扰和抗电磁干扰成为科学研究的一个重要组成部分,面对复杂电磁环境中生存的有线通信设施,对其进行电磁干扰的预警探测研究,并对其进行有效的电磁干扰防护,就显得意义重大。
参考文献
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