摘要：论述了微波功率模块(MPM)的特点及应用领域，对MPM内部集成高压开关电源调竹器、微波射频系统以及MPM总体的电磁兼容性设计进行了分析，并提出了设计方法与技术途径以及为实现MPM稳定、可靠上作需要解决的电磁兼容关键性问题，提出了MPM的电磁兼容性设计要点。
关键词：微波功率模块二电磁兼容性二集成电源二微波射频系统
微波功率模块(MPM)是集真空微波管技术与固态微波集成技术优点于一身的一种新兴微波功率MPM采用单片微波集成电路(MMIC)构成低噪声、高增益的固态激励放大器(SSA)、真空螺旋线小型化行波管(Mini-TWT)(作为高效率、低增益、超宽带的功率放大器)和集成高压开关电}}(EPC)调节器三大部件有机地组合为一体，形成一个超小型、低成本、高可靠、标准化、系列化的射频功率放大器[“一”]。由于在功率、尺寸、重量、带宽和效率上的卓越性能已被公认为Zui具发展前景的微波功率源，已经用于各种小平台:无人机、移动卫星通讯终端、未来战斗系统的通讯发射机、模块化的电了攻击发射机。
真空电了器件未来发展的一个重点就是用于电了攻击、诱饵、移动通讯、多功能雷达的MPM和毫米波功率模块(MMPM)。目前，美国已形成覆盖1-40GHz频率范围的系列产品，在军事和民用领域发挥了重要作用。他们已将MPM应用伸向脉冲领域，NorthropGrunnan公司正在开发工作在X波段，输出功率达到1KW,占空比为7%的用于雷达的MPM，现在，他们正在集中力量试图使MPM的成本降低40%.美国、俄罗斯等国在第三代飞机改造和第四代飞机研制中，都采用了相控阵体制雷达。随着MPM会在有源相控阵体制雷达中发挥其优势，成为有源相控阵雷达发展的基石。
了武器装备发展的迫切需求，MPM的电磁兼容设计是总体设计的一个重要方面，但国内对MPM的电磁兼容性设计尚未开展实质性的研究工作。
本文对MPM总体及各部件的电磁兼容性设计进行了全面分析，并提出了切实可行的研究方法，n在为MPM电磁兼容性设计技术研究添砖加瓦。
1电磁兼容性分析
MPM由三个主要部分构成:小型化宽带大功率行波管(末级功放)、宽带大功率低噪声SSA(Mi-ni-T WT的前级功放)和小型化大功率集成高压开关电源EPC(为Mini-TWT和SSA供电，并提供控保模块)。在MPM中，小型化大功率集成高压开关电源(EPC),SSA和M ini-T WT高密度地封装在一起，总体结构设计、总体热设计和总体电磁兼容性设计组成了MPM总体设计中同等重要的三个方面。功率密度的急剧增大和开关电源开关频率的提高导致电源内部电磁环境越来越复杂，因之产生的电磁干扰(E MI)对EPC本身及SSA和M ini-T WT的正常工作都造成威胁，而目_三大部件都以电缆或高压导线相连接，MPM所发生的电磁干扰与自身所处的电磁环境、组阵使用时各M PM之问的相互影响以及MPM内部的元器件和部件之问的电磁藕合有关，必须采取措施改善电磁兼容特性。
任何电了系统电磁兼容性设计及评估过程需采用图1所示流程，把一个系统分解为相对简单的各个有机组成部分，通过该流程来实现系统的电磁兼容性设计及评估。
在MPM的部件级保证电磁兼容性对于保证MPM整体的电磁兼容性指标有很大意义。如果在这一级别上的电磁兼容没有做好，不但对MPM整机的电磁兼容指标有影响，还会影响MPM的功能和性能，影响MPM整机的工作稳定性和可靠性。
1. 1 EPC电磁兼容性设计分析
提高开关频率(本EPC设计使用100kHz，开关频率)的好处是减小了MPM的体积，但也导致了大量的EMI问题。电压、电流的高频开关过程产生了严重的EMI，电源回路内的、IV/dt,dl/<1t很大，会产生很大的浪涌电压、浪涌电流和其他各种噪声并通过电源线等传导途径以共模或差模方式向外传播，还向周围空问辐射o EMI源主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相关的散热器和高频变压器上，其传导干扰若不予以压制，将会严重影响MPM工作的稳定性及可靠性，也会严重影响周围电了设备的正常工作。
图1 电子系统的电磁兼容性设计及评估流程图
由于开关电源的干扰源是不可能完全消除的，就其自身电磁兼容性来说，主要是抑制干扰源，减小干扰源的能量就显得非常必要，可以采取滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术等进行系统地研究和设计，才能保证EPC稳定可靠地工作。开关电源的电磁兼容性设计是一门综合性的学科，涉及器件物理、电路理论、信号分析、电磁场理论微波测试技术等等多学科知识。为了分析EPC电磁兼容性，需要对以下问题进行研究:①EMC测试技术;逗无源器件和印刷电路板寄生参数的提取和数值建模;③开关电源EMI的机理和建模;柳干关电源EMI抑制技术;廖I}刷线路板布线的EMC设计;遏沥一蔽与滤波技术。
1. 2微波同轴系统EMC设计分析
SSA本身为一超小型固态放大器，作为Mini-TWT的前级功放，通过同轴电缆与Mini-TWT相连接;Mini-TWT输出为带SMA接头的同轴电缆，A_与EPC相邻很近，在MPM内部，传输高频信号，导线近场藕合也是EMI的主要来源。各部分电磁辐射在使用中突出表现为对弱信号传输干扰，会使MPM的功能变坏，稳定性变差，而A.,S SA和Mini-TWT两端都有一些连接结构，势必存在微波辐射泄露。另一个问题是电缆谐振，所谓电缆谐振，就是射频能量经电缆藕合进入电了设备，这是Zui常见的主要渠道，尤其当采用没有屏蔽的电缆时，电缆的所有导体上都会感应出共模电流。此时在电缆的第一个谐振点出现之前，外界场在其上感应的电流随频率增高而平稳地增大;第一个谐振点以后，将出现一系列峰值和零值，电缆的电磁藕合在这些电缆谐振频率点上增强。电缆的谐振频率是由电缆长度和电缆末端负载决定的。
1. 3 MPM系统级EMC设计分析
(1) M PM总体电磁拓扑分析
MPM可以看成一个高密度集成的功率放大器，内部的结构设计、热设计与电磁兼容性设计是相辅相成的，需要对MPM系统内的电磁能量分布进行电磁拓扑分析，以便从满足总体电磁兼容性设计的角度为MPM总体结构设计和热设计提供设计依据。
(2)接地
在MPM总体EMC设计中，接地是一个关键问题。良好的参考点或接地板是抗干扰设备可靠运行的基础，理想情况下要求能实现零电位、零阻抗，而这一点对于以高速度开关状态工作的MPM是十分困难的。接地系统的有效性取决于减少接地系统的电位差和地电流的程度，屏蔽电缆和屏蔽体的接地结构直接决定了屏蔽效果。一个不好的接地系统，往往使这些杂散寄生的电压、电流藕合到电路、分系统或设备中去，从而使一个屏蔽很好的单元的屏蔽效果下降，在一定程度上抵消了滤波器的作用并产生EMI问题。
接地对于MPM整机的电磁兼容性非常重要，是防止系统中一个点所产生或使用的电磁场、电压或电流通过公共接地电阻转移对其他电路构成干扰的关键。要考虑电源地、系统地、信号地、综合搭接与合理布局等诸多因素，接地也是实现MPM良好电磁兼容性设计的关键因素。
2 研究方法与技术途径
通常，对电了产品进行电磁兼容性设计有两种方法ys. }}}.测试修改法和系统设计法。前者适合于比较简单的设计，而后者适合于复杂的设计。M PM
的电磁兼容性设计应采用测试修改与系统设计相结合的方法来实现，对于已有的电路设计采用测试修改法通过近场测试来实现，对整体结构和关键部件采用系统设计法，通过理论分析和计算机电磁建模仿真手段来进行。
2. 1近场测试
利用电磁兼容测试环境和近场测试设备对MPM样机电磁兼容的各项指标进行全面的摸底测量，实现对传导干扰的预测、分析、诊断和Zui终控制。
借助高频阻抗分析仪对各种无源器件如电阻器、电感器和电容器的高频等效寄生参数进行测量。
2. 2 EPC电磁拓扑分析
开关电源EMI产生的机理与建立其仿真分析模型是紧密关联的。EPC的理论分析与计算机仿真基于电磁拓扑的分解和分析} ;. }a}。第一步就要进行无源器件和印刷电路的寄生参数的提取和高频建模，计算三维结构的分布参数矩阵，包括分布电感、分布电容、频变电阻和频变电导。例如，可采用电磁场计算软件HFSS，对印刷线路板进行高频建模，提取印刷线路板的杂散参数，用高频阻抗分析仪HP4194A测量无源元件的高频寄生参数。第二步要对变压器进行分析。变压器的高频建模非常重要，特别是共模EMI电平的高低对电磁兼容特性有着显著的影响。变压器的许多寄生参数，例如:漏感、原副边之问的分布电容等都需要采用数值建模和实验测量的方法来得到这些绕组特性参数。例如，可以使用Ansoft公司的Maxwell仿真软件，输入变压器的绕组和磁芯的儿何尺寸和媒质的电磁参
数，再利用数值计算方法计算出各点的寄生电容和电感等参数。对于高频变压器的情形可以采用类似的方法进行。总的思路是:在所建立的理论的和数值的模型基础上，推导出变压器在不同工作状态下的阻抗特性(如:原副边绕组开路，短路的不同组合)方程，测量这些状态下的阻抗，将测量结果与阻抗方程相拟合给出设计参量。
2. 3射频系统计算机仿真
同传导干扰的建模相比，辐射干扰的建模相对复杂些，而目_，辐射干扰的建模是以传导干扰仿真为基础。射频系统的辐射干扰可以采用商业软件HFSS及MWS(微波工作室)进行辐射场仿真的方式进行。通过此部分研究，为MPM总体电磁兼容性设计提供保证。
2. 4建立MPM系统级电磁兼容评估方法和调整策略
通过对EPC,射频系统、接地等各部分电磁兼容性的研究，Zui终确定如何选择合适的开关电源电路拓扑、滤波、设计合理的元器件布局及PCB板布线等儿方面的电磁兼容性设计考虑。采用正确的接地汉蔽滤波等措施来抑制开关电源和射频系统产生的辐射干扰，形成MPM电磁兼容评估办法，保证MPM在应用上具有良好电磁兼容特性。
借助先进的CAD技术，在PCB板级电磁干扰预测的基础上，通过计算机对MPM部件分布进行三维空问的电磁干扰仿真，可以充分考虑过孔、分层、布线对电磁干扰的影响，得到电磁干扰图。
3 需要解决的关键问题
通过以上对MPM的电磁兼容性设计分析，采用上述研究方法，要实现MPM稳定、可靠应用的电磁兼容性要求，必须解决以下关键问题:(班;PC电磁兼容性设计解决方案，以保证EPC自身良好的电磁兼容特性;②微波射频系统与SSA与Mini-TWT问的电磁兼容解决方案;值)考虑MPM总体热设计与总体结构设计的MPM总体电磁兼容性设计解决方案;QVIPM总体设计中的接地设计技术。
4 结束语
通过对MPM各部件及整体的理论分析、电磁拓扑分析、电磁建模仿真，并结合近场测试手段，形成EPC电磁兼容性设计解决方案，微波射频系统电磁兼容性设计解决方案，MPM总体电磁兼容性设计解决方案，形成M PM系统电磁兼容评估方法和标准，构建产品组装调试系统，改善MPM内部各部件问及MPM本身的电磁兼容特性，提高MPM应用的稳定性和可靠性，为以后批量生产时产品的一致性稳定性提供有力的保障。此解决方案也可用于MMPM研制的电磁兼容性设计中，加快MMPM的研制进度，解决MPM内各部件问以及MPM组阵使用时相互之问的电磁兼容性问题，实现MPM单独及组阵工作的稳定性和可靠性，满足国防电了装备急需。还可以使该项应用技术在毫米波领域迅速得到应用，大大缩短MMPM的研制周期，而MMPM使大功率毫米波雷达、超级干扰机和微波能武器成为可能，将极大地增强我国国防的实力。
EMC设计遵从折衷原则，要留有裕度。从总体设计角度来说，电磁兼容设计应与功能设计同步，要尽快对MPM的电磁兼容性设计进行研究，以此来完善MPM的总体设计，提高MPM应用的稳定性及可靠性。