天線電纜的屏蔽接地對(duì)電磁輻射的影響分析＊

王曉陽(yáng) 林勝際 李向遠(yuǎn)

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430250）（2.浙江邊防總隊(duì)海警第一支隊(duì) 臺(tái)州 318000）

1 引言

在艦船電氣或電子系統(tǒng)中，電纜主要用于聯(lián)接不同的設(shè)備或系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)它們之間能量與信息的有效傳輸［1］。通常，系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)部廣泛分布了各類電纜，而由于艦船內(nèi)部布置安裝空間有限使得電纜密集，常因電纜的輻射與傳導(dǎo)的耦合而發(fā)生電磁干擾，這些干擾對(duì)設(shè)備特別是弱電信號(hào)類的設(shè)備影響較大。雖然這些電纜大多已裝有各類防護(hù)屏蔽層，但由于自身屏蔽層工藝處理、敷設(shè)走向以及接地措施等的差異，仍有可能由于大功率射頻電纜的接地不良在空間產(chǎn)生電磁輻射通過(guò)耦合產(chǎn)生電磁兼容干擾現(xiàn)象［2］，進(jìn)而影響相關(guān)設(shè)備的技術(shù)性能。

電磁輻射干擾問(wèn)題在一定程度上限制了設(shè)備的性能發(fā)揮并妨礙其正常工作。在艦船通信系統(tǒng)中，由于通信報(bào)務(wù)室內(nèi)通信設(shè)備多，艦船外的天線多，連接的電纜多而長(zhǎng)，其電磁兼容性受到高度重視和關(guān)注。艦船設(shè)備的電磁兼容性在系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及安裝過(guò)程中都會(huì)加以考慮。然而由于系統(tǒng)和設(shè)備的調(diào)試、使用時(shí)間長(zhǎng)久以及升級(jí)改造等種種變化，導(dǎo)致不同程度地發(fā)生電磁干擾的問(wèn)題。如在某型船的改造調(diào)試中，就曾發(fā)現(xiàn)在報(bào)務(wù)室內(nèi)使用大功率通信電臺(tái)進(jìn)行通話時(shí)，其它系統(tǒng)的某弱電設(shè)備引起串?dāng)_現(xiàn)象，在該弱電設(shè)備上甚至可以較清晰的聽(tīng)到電臺(tái)的話音信號(hào)，若串?dāng)_嚴(yán)重將會(huì)影響到整個(gè)船的工作效能。為了消除可能存在的通信電臺(tái)對(duì)弱電設(shè)備的干擾，對(duì)通信電臺(tái)的干擾產(chǎn)生機(jī)理和輻射干擾的場(chǎng)分布展開(kāi)了研究工作。

2 干擾的產(chǎn)生分析與查找

在電磁兼容分析中形成電磁干擾的三要素［3］為干擾源、干擾傳播途徑、敏感設(shè)備，三者缺一不可，其示意圖如圖1所示。

圖1 電磁干擾途徑

電磁干擾可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種方式。傳導(dǎo)干擾必須在干擾源和敏感器（設(shè)備）之間有完整電路連接，干擾信號(hào)沿著連接電路傳遞到敏感器而發(fā)生干擾。連接電路包括導(dǎo)線、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、供電電源、公共阻抗、接地平面、電阻、電感、電容和互感元件等。這樣就可能使一個(gè)設(shè)備或單元電路的電磁能量沿著這類導(dǎo)線傳輸?shù)较噜徳O(shè)備和單元電路，造成干擾。輻射干擾是指通過(guò)空間傳播的電磁干擾。干擾源的電源電路，輸入／輸出信號(hào)電路和控制電路等的導(dǎo)線，在一定條件下都可以構(gòu)成輻射天線，當(dāng)干擾源的外殼流過(guò)高頻電流時(shí)，此外殼本身也就成為輻射天線。常見(jiàn)輻射耦合有3種：天線A 發(fā)射的電磁波被天線B 接收，稱為天線對(duì)天線耦合；空間電磁場(chǎng)經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合，稱為場(chǎng)對(duì)線耦合；兩根平行線導(dǎo)線之間的高頻信號(hào)感應(yīng)；稱為線對(duì)線感應(yīng)耦合。

在查找產(chǎn)生電磁干擾的原因之前，首先應(yīng)對(duì)相關(guān)通信設(shè)備的接地進(jìn)行了全面檢查，對(duì)系統(tǒng)的電源電纜、控制電纜、音頻電纜及射頻電纜屏蔽層與連接器之間的連接情況進(jìn)行了檢查，特別強(qiáng)調(diào)的是要確保射頻電纜屏蔽層均是360°范圍與連接器可靠連接。

為找出弱電設(shè)備在通信電臺(tái)工作時(shí)產(chǎn)生串?dāng)_的原因，根據(jù)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，采用了“假負(fù)載替代法”替代天線發(fā)射進(jìn)行試驗(yàn)等工作，以檢查電源線和地線是否存在傳導(dǎo)干擾。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：使用“假負(fù)載替代法”替代天線接入電臺(tái)進(jìn)行發(fā)射時(shí)，無(wú)串?dāng)_現(xiàn)象發(fā)生，說(shuō)明設(shè)備電源線傳導(dǎo)不是產(chǎn)生串?dāng)_的主要原因，即不是發(fā)信設(shè)備通過(guò)電源線和地線傳導(dǎo)產(chǎn)生的串?dāng)_。

通過(guò)干擾分析與查找工作，可得出結(jié)論：通信電臺(tái)對(duì)弱電設(shè)備產(chǎn)生串?dāng)_問(wèn)題的主要原因是由于同軸射頻電纜的電磁輻射過(guò)大造成。理論上，符合標(biāo)準(zhǔn)并且外觀完好的射頻電纜在其橫切面周圍沒(méi)有電磁場(chǎng)，高頻信號(hào)通過(guò)電纜時(shí)所建立的電磁場(chǎng)處于同軸射頻電纜的中心內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間，即所建立的電磁場(chǎng)是封閉在同軸射頻電纜內(nèi)部。

那么是什么原因?qū)е逻B接天線的同軸射頻電纜電磁輻射過(guò)大，下文將主要對(duì)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和研究。

3 同軸線外導(dǎo)體電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理分析

艦船用的天線一般都是同軸線饋電的單極天線，如鞭狀天線、桿天線等。同軸線的芯線連接天線體，同軸線的外導(dǎo)體通過(guò)桅桿或船體與海水相連，船體及海水表面可以看成天線的另外一極［4］。

同軸線芯線上電流流向天線，海水表面上感應(yīng)的電流經(jīng)過(guò)露出水面的桿天線表面流進(jìn)同軸線外導(dǎo)體內(nèi)壁，這樣在船艙內(nèi)的同軸線外導(dǎo)體外壁是沒(méi)有電流的，船艙內(nèi)不會(huì)造成電磁場(chǎng)泄露，如圖2所示。箭頭所示為電流流向。

如果天線桿或同軸線饋電末端未能與船體外殼完整連接（沿著同軸線外導(dǎo)體一周多點(diǎn)或連續(xù)的電氣連接），會(huì)導(dǎo)致海水和船體表面上感應(yīng)的電流不能有效地流向同軸線外導(dǎo)體內(nèi)壁，這樣就會(huì)在同軸線外導(dǎo)體外壁產(chǎn)生電流，流向同軸線外導(dǎo)體內(nèi)壁［5］。如圖3所示。而外導(dǎo)體外壁上產(chǎn)生的射頻電流則會(huì)像天線一樣產(chǎn)生輻射，從而產(chǎn)生電磁干擾。

圖2 天線與同軸線的電流流向

圖3 天線與同軸線連接不良時(shí)可能的電流流向

4 實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證測(cè)試

根據(jù)同軸線外導(dǎo)體電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室對(duì)天線和同軸線連接的接地影響進(jìn)行了驗(yàn)證的測(cè)試。

試驗(yàn)在有六層高度的試驗(yàn)樓進(jìn)行，樓頂平臺(tái)為天線架設(shè)場(chǎng)地，平臺(tái)地面敷設(shè)有地網(wǎng)，地網(wǎng)的接地電阻≤1Ω。天線架設(shè)在樓頂平臺(tái)，天線長(zhǎng)6m。

天調(diào)放置在六樓天線附近，發(fā)射電臺(tái)放置在1樓屏蔽室內(nèi)。試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)備安裝布置見(jiàn)圖4所示。

“真的嗎？”方同學(xué)似乎對(duì)我說(shuō)的話感興趣了，他說(shuō)，“老師，我在午睡時(shí)玩‘三國(guó)殺’是不對(duì)的，但是我睡不著，感到很難受。另外，‘三國(guó)殺’是別的同學(xué)借我的，您可以還給我嗎？”

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)備安裝布置圖

4.1 試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備

場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀：Narda公司SRL-3000；單向磁場(chǎng)天線：PN3551／01。

4.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及測(cè)試結(jié)果

分別對(duì)天線的天線體、射頻電纜等部位進(jìn)行測(cè)試（場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試探頭與電纜垂直）。測(cè)試結(jié)果如下：

1）天線底座用螺釘固定在鐵制四角支架上，天線電纜外導(dǎo)體一周與金屬底座呈連續(xù)電氣連接，鐵支架直接放置在地網(wǎng)上，電纜穿過(guò)樓頂平臺(tái)進(jìn)入六樓，饋線1m 處通過(guò)電纜連接器1與一根25m 長(zhǎng)的電纜相連。

測(cè)試不同接地情況下，天線體、天線根部饋線、電纜連接器及連接器后各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)，包括不另接地線、引3根地線、引五根地線等情況。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2）去掉接地線，并將鐵支架墊上木板絕緣，讓天線底座與地網(wǎng)沒(méi)有連接，各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)均達(dá)到56V／m 左右。在天線底座引1根地線到地網(wǎng)，測(cè)試各點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)基本不變。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 天線場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試記錄表

5 驗(yàn)證測(cè)試的結(jié)果分析

結(jié)合同軸線外導(dǎo)體電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)驗(yàn)證測(cè)試的結(jié)果分析結(jié)論如下：

1）由表1可以看出，天線鐵支架不接地（墊上木板絕緣），測(cè)得電纜各處的場(chǎng)強(qiáng)值與天線體的輻射場(chǎng)強(qiáng)相同，均在56V／m 左右。將絕緣木板去掉鐵支架接地，使得天線底座與地網(wǎng)相連，此時(shí)測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)值明顯減小。其中，天線底座接五根地線與接三根地線相比，電纜輻射場(chǎng)強(qiáng)更小。

2）上述結(jié)果表明，同軸線饋電的單極天線系統(tǒng)，饋電點(diǎn)附近的同軸線外導(dǎo)體與地網(wǎng)或艙壁連接的有效程度將直接決定了地網(wǎng)下方或艙壁內(nèi)同軸線外表面的電流大小及其附近的電磁輻射程度。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目分析了同軸線饋電的單極天線系統(tǒng)饋電點(diǎn)附近的同軸線外導(dǎo)體、天線根部與電纜連接等處的場(chǎng)強(qiáng)以及接地的好壞與空間場(chǎng)強(qiáng)分布的關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試驗(yàn)證了分析結(jié)果，可有效指導(dǎo)通信系統(tǒng)的改裝設(shè)計(jì)和工程施工設(shè)計(jì)，并應(yīng)用到串?dāng)_的整改中，使連接天線的同軸射頻電纜屏蔽層有效接地，以減少輻射干擾；同時(shí)使其它系統(tǒng)弱電設(shè)備的搭接與接地更有效，從而減少空間電磁干擾的耦合。通過(guò)各種電磁屏蔽措施，最終將有效地消除大功率電臺(tái)對(duì)其它系統(tǒng)弱電設(shè)備的串?dāng)_問(wèn)題。

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