艦船通信系統(tǒng)電磁干擾探討*

曹軍旗

(武漢船舶通信研究所， 湖北 武漢 430079)

艦船通信系統(tǒng)電磁干擾探討*

曹軍旗

(武漢船舶通信研究所， 湖北 武漢 430079)

隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)艦船通信能力的要求也不斷提高，艦船通信系統(tǒng)多頻段、多業(yè)務(wù)和多電臺(tái)同時(shí)通信成為對(duì)艦船通信系統(tǒng)的基本要求。電磁干擾是影響艦船通信系統(tǒng)通信質(zhì)量的主要原因。要提高通信質(zhì)量，就要對(duì)通信系統(tǒng)的電磁干擾進(jìn)行系統(tǒng)性分析。在通信系統(tǒng)中，天線作為實(shí)現(xiàn)通信電磁發(fā)射、接收的載體，是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要關(guān)注點(diǎn)之一。文中分析了艦船通信系統(tǒng)多天線之間的相互作用以及相互干擾產(chǎn)生的可能原因，就改善通信系統(tǒng)電磁干擾提出了建議。

綜合通信系統(tǒng)；電磁干擾；阻塞

引 言

隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，艦船綜合通信系統(tǒng)中的電子設(shè)備向著小型化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化方向發(fā)展。隨著艦船通信要求的不斷提升，通信天線的數(shù)量不斷增加，工作頻帶越來(lái)越寬。艦船作為一種特殊的通信載體，由于受艦面空間所限，各類通信天線的近場(chǎng)耦合、相互之間的干擾成為艦船通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需著重考慮的問(wèn)題。艦船通信時(shí)往往要求多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)同時(shí)開(kāi)通、并行工作，因此，對(duì)干擾進(jìn)行的分析探討對(duì)通信系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

1 干擾形成及類型分析

1.1 干擾條件

對(duì)于艦船綜合通信系統(tǒng)電磁干擾來(lái)說(shuō)，不論以何種形式表現(xiàn)，其發(fā)生源頭歸結(jié)起來(lái)無(wú)不具備3個(gè)基本條件：干擾源、傳播干擾能量的途徑和通道、被干擾對(duì)象(敏感設(shè)備)的響應(yīng)。

1.2 干擾途徑

電磁干擾傳播途徑一般分為2種：傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。干擾源和敏感器之間必須有完整的電路連接才能進(jìn)行傳導(dǎo)傳輸，干擾信號(hào)沿著這個(gè)連接電路傳遞到敏感器，產(chǎn)生干擾現(xiàn)象。這個(gè)傳輸電路可以是導(dǎo)線，也可以是設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、供電電源、公共阻抗、接地平板、電阻、電容或互感元件等。艦船上傳導(dǎo)干擾常常存在于公共地線回路中，若搭接、接地處理不好極易產(chǎn)生相互干擾影響系統(tǒng)整體電磁兼容性能。雖然艦船的建造嚴(yán)格按照GJB1046-1990《艦船搭接、接地、屏蔽、濾波及電纜的電磁兼容性要求和方法》進(jìn)行，但是在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，建造人員的熟練程度及其他人為因素導(dǎo)致的問(wèn)題出現(xiàn)的概率較大。在這方面各船廠均有很多來(lái)自生產(chǎn)實(shí)踐的案例和解決辦法，本文不展開(kāi)描述。

輻射傳輸是通過(guò)介質(zhì)以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周圍空間發(fā)射。常見(jiàn)的輻射耦合有3種：甲天線發(fā)射的電磁波被乙天線意外接收，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)線的耦合；2根平行導(dǎo)線之間的高頻信號(hào)感應(yīng)，稱為線對(duì)線的感應(yīng)耦合。在實(shí)際工程中，2個(gè)設(shè)備之間發(fā)生干擾通常包含著多種途徑的耦合。正因?yàn)槎喾N途徑耦合的同時(shí)存在，反復(fù)交叉耦合，共同產(chǎn)生干擾，才使電磁干擾變得難以控制。下面主要從系統(tǒng)角度討論艦船綜合通信系統(tǒng)的干擾。

1.3 干擾類型

隨著應(yīng)用需求的變化，目前艦船上裝備有通信設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、導(dǎo)航、電子對(duì)抗設(shè)備等眾多類型的電子設(shè)備，工作頻段從甚低頻到極高頻。雖然在艦船總體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)艦面天線布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試，采取了諸如收發(fā)天線分區(qū)、分散布置，雷達(dá)天線、衛(wèi)通天線、電子戰(zhàn)天線在高度上盡量錯(cuò)開(kāi)，統(tǒng)一觸發(fā)和匿影等技術(shù)措施，但是有限的艦船平臺(tái)同不斷擴(kuò)展的使命任務(wù)要求之間的矛盾決定了在同一個(gè)平臺(tái)通信系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間，各設(shè)備自身特性所決定的干擾不可能得到全部解決。無(wú)線電發(fā)射、輻射、感應(yīng)或組合會(huì)產(chǎn)生多種相互干擾，如同頻干擾、鄰道干擾、發(fā)信機(jī)互調(diào)、諧波和雜散干擾、阻塞干擾等。噪聲和干擾超過(guò)一定的限值后，通信質(zhì)量將明顯下降，甚至無(wú)法正常通信。

1.3.1 同頻干擾

凡由其他信號(hào)源發(fā)送過(guò)來(lái)的與本信號(hào)源產(chǎn)生的有用信號(hào)的頻率相同并以同樣的傳輸方法進(jìn)入收信機(jī)中頻通帶的干擾都稱為同頻干擾。由于同頻干擾信號(hào)和有用信號(hào)一起同樣被放大、檢波，當(dāng)2個(gè)信號(hào)出現(xiàn)載頻差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生差拍干擾[1]；當(dāng)2個(gè)信號(hào)的調(diào)制度不同且差異較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生失真干擾。干擾信號(hào)越大，接收機(jī)的輸出信噪比就越小。當(dāng)干擾信號(hào)足夠大時(shí)，便可產(chǎn)生接收機(jī)的阻塞干擾。有的同頻干擾是由于同頻復(fù)用距離太小而產(chǎn)生的。一些違反無(wú)線電頻率管理規(guī)定的違規(guī)電臺(tái)或使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)性能指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)的電臺(tái)，因復(fù)用距離太小而對(duì)正常合法工作電臺(tái)造成了同頻干擾。有的同頻干擾是由于低頻段電臺(tái)的高次諧波正好落入高頻段電臺(tái)的工作頻段而產(chǎn)生的。

1.3.2 鄰頻干擾

凡是在收信機(jī)射頻通帶內(nèi)或通帶附近的信號(hào)，經(jīng)變頻后落入中頻通帶內(nèi)所造成的干擾，稱為鄰頻干擾。這種干擾會(huì)使收信機(jī)信噪比下降，靈敏度降低，強(qiáng)干擾信號(hào)可引起接收機(jī)的阻塞干擾。這種干擾大部分是由于無(wú)線電設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的。對(duì)于發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，若頻率穩(wěn)度太差或調(diào)制度過(guò)大造成發(fā)射頻譜過(guò)寬，就可形成對(duì)其他電臺(tái)的鄰頻干擾。若不嚴(yán)格控制影響發(fā)射機(jī)帶寬的因素，就很容易產(chǎn)生不必要的帶外輻射。對(duì)于收信機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)中頻濾波器選擇性不良時(shí)，也容易形成干擾或使干擾更嚴(yán)重。

1.3.3 帶外干擾

發(fā)信機(jī)的雜散輻射和收信機(jī)的雜散響應(yīng)產(chǎn)生的干擾，稱為帶外干擾。

(1)發(fā)信機(jī)的雜散輻射干擾

這種干擾是由于發(fā)信機(jī)的雜散輻射值過(guò)大形成的，為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大都對(duì)這種類型的發(fā)信機(jī)的雜散輻射進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。發(fā)信機(jī)的雜散輻射值過(guò)大，通常是由倍頻次數(shù)多、倍頻器輸出回路的選擇性差、倍頻器之間的屏蔽隔離不良等因素造成的。

(2)收信機(jī)的雜散響應(yīng)

收信機(jī)除收到有用信號(hào)外，還能收到其他頻率的無(wú)用信號(hào)。對(duì)于無(wú)用信號(hào)的“響應(yīng)”能力通常稱為雜散響應(yīng)，與收信機(jī)本振的頻率純度有關(guān)。超外差或收信機(jī)的雜散響應(yīng)主要有鏡頻響應(yīng)和中頻響應(yīng)。收信機(jī)的雜散響應(yīng)通常是由發(fā)信機(jī)的雜散輻射造成的，也與收信機(jī)自身本振的頻率純度、輸入回路和高放回路選擇性直接相關(guān)。

1.3.4 互調(diào)干擾

互調(diào)干擾是指2個(gè)或多個(gè)信號(hào)作用在通信設(shè)備的非線性器件上，產(chǎn)生與有用信號(hào)頻率相近的頻率，從而對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾的現(xiàn)象。移動(dòng)通信系統(tǒng)中產(chǎn)生的互調(diào)干擾主要有3種：發(fā)射機(jī)互調(diào)、接收機(jī)互調(diào)和外部效應(yīng)引起的互調(diào)。

(1)發(fā)射機(jī)互調(diào)

發(fā)射互調(diào)[2]是由于2個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射天線距離較近(幾米到幾十米)，頻率也相近，一臺(tái)發(fā)射機(jī)的功率通過(guò)天線耦合到另一臺(tái)發(fā)射機(jī)內(nèi)而互相在對(duì)方發(fā)射機(jī)內(nèi)的功放級(jí)產(chǎn)生互調(diào)(互調(diào)頻率f=mf1±nf2), 然后再發(fā)射出去。

常見(jiàn)的發(fā)射互調(diào)分2種：

1)f0= 2f1-f2，稱為三階一型發(fā)射互調(diào)；

2)f0=f1+f2-f3，稱為三階二型發(fā)射互調(diào)。

(2)接收機(jī)互調(diào)

接收天線上的接頭、觸點(diǎn)等銹蝕后，都有半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦裕趶?qiáng)信號(hào)下就能產(chǎn)生混頻f=mf1±nf2。

常見(jiàn)的接收互調(diào)分2種：

1)f0= 2f1-f2，稱為三階一型接收互調(diào)；

2)f0=f1+f2-f3，稱為三階二型接收互調(diào)。

1.3.5 阻塞干擾

阻塞干擾是指收信機(jī)在接收外來(lái)信號(hào)時(shí)受本艦船發(fā)信機(jī)阻塞產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)信機(jī)工作時(shí)，收信機(jī)高頻放大管受到激勵(lì)，工作在管子放大特性的非線性區(qū)域，使所有的信號(hào)出現(xiàn)在收信機(jī)的通帶和電路內(nèi)，產(chǎn)生交叉調(diào)制分量，引起網(wǎng)絡(luò)阻塞，頻帶干擾嚴(yán)重。

2 改善電磁干擾的幾點(diǎn)建議

無(wú)論何種電磁干擾，歸根結(jié)底都要圍繞電磁干擾三要素展開(kāi)分析、預(yù)計(jì)和防護(hù)。因此，在艦船總體、通信系統(tǒng)及無(wú)線電設(shè)備的初期設(shè)計(jì)中，均應(yīng)從這3個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)的電磁干擾進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)分析和設(shè)計(jì)，預(yù)先檢驗(yàn)計(jì)算，并全面規(guī)劃實(shí)施細(xì)則和步驟，做到防患于未然。現(xiàn)就改善電磁干擾提出以下6點(diǎn)建議：

1)在艦船總體布置天線時(shí)，建議加大發(fā)發(fā)天線、收發(fā)天線的空間間隔，對(duì)于同頻段天線，除盡量加大水平距離外，還應(yīng)盡量考慮垂直距離上的空間分隔方式：在不同頻段的設(shè)備各自加裝帶通濾波器，減少本天線對(duì)其他設(shè)備的干擾，也避免其他天線的發(fā)射信號(hào)進(jìn)入本發(fā)射系統(tǒng)；采用高Q值諧振腔等措施消除發(fā)射互調(diào)。

2)提高接收機(jī)的射頻互調(diào)抗拒比，一般要求高于70 dB;發(fā)射機(jī)采用有關(guān)特性器件，不出現(xiàn)或出現(xiàn)很小的三次項(xiàng)；在設(shè)計(jì)系統(tǒng)通信組織預(yù)案時(shí)，選用無(wú)三階互調(diào)信道等減少接收機(jī)互調(diào)。

3)選用帶外噪聲性能較好的發(fā)信設(shè)備，但由于設(shè)備長(zhǎng)期使用，元器件老化，性能指標(biāo)會(huì)下降，帶外性能也可能下降。要減少此干擾，就必須嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立發(fā)射設(shè)備定期檢測(cè)制度，以保證設(shè)備性能，減少帶外干擾。

4)在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，提高艦船建造工藝，經(jīng)常對(duì)接地電阻進(jìn)行測(cè)試，以減少因接地不良造成的電磁干擾。

5)做好綜合通信系統(tǒng)電磁兼容分析和管理工作，統(tǒng)一規(guī)劃使用電磁頻率，減少因頻率分配原因產(chǎn)生的電磁干擾。

6)隨著電磁兼容工作在艦船設(shè)計(jì)中受重視程度的提高，新造艦船的電磁兼容性能不斷得到提升。但是隨著電子設(shè)備的持續(xù)使用，電磁兼容性能會(huì)發(fā)生變化，因此仍需加強(qiáng)電磁干擾預(yù)防和定期檢測(cè)工作，解決或降低電磁干擾對(duì)通信系統(tǒng)造成的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了艦船綜合通信系統(tǒng)電子干擾產(chǎn)生的原因，根據(jù)原因分析提出了降低電磁干擾的幾點(diǎn)建議。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新的解決電磁干擾的方法和手段會(huì)不斷出現(xiàn)，但對(duì)電磁干擾的研究仍是一項(xiàng)長(zhǎng)期艱巨的任務(wù)。

[1] 楊克俊. 電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京:人民郵電出版社, 2004.

[2] 呂仁清. 電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 南京： 東南大學(xué)出版社，1990.

曹軍旗(1976-), 男，工程師，主要從事艦船通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

Research on Electromagnetic Interference of Ship-borne Integrated Communication System

CAO Jun-qi

(WuhanMaritimeCommunicationInstitute,Wuhan430079,China)

With the rapid development of the electronics and communication technology, there are growing requirements for ship-borne communication capabilities. And simultaneous communication among multi-frequencies, multi-services, and multiple radios has become the primary requirements for ship-borne communication system. Since electromagnetic interference has a major effect on communication quality, analysis of electromagnetic interference in communication system is imperative for improving commutation quality. As the carrier for electromagnetic wave trans-ceiving, the antenna is one of main focuses during communication system design. This paper analyzes the reciprocal effect between multiple antennas in ship-borne communication system and possible causes that produce interferences. Suggestions are put forward to alleviate electromagnetic interferences in communication system.

integrated communication system； electromagnetic interference; blocking

2012-09-16

TN914

A

1008-5300(2013)02-0021-03