機(jī)艦電磁兼容性分析技術(shù)設(shè)計(jì)*

胡水才　黃福貴　楊華高

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室　景德鎮(zhèn)　333002)

?

機(jī)艦電磁兼容性分析技術(shù)設(shè)計(jì)*

胡水才黃福貴楊華高

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室景德鎮(zhèn)333002)

摘要針對(duì)機(jī)艦電磁兼容適配性問題，從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，提出一套適合艦載直升機(jī)電磁兼容性分析的方法，并針對(duì)分析出的干擾問題，給出了相應(yīng)電磁兼容設(shè)計(jì)控制方法，文中的分析方法和設(shè)計(jì)控制方法對(duì)型號(hào)后續(xù)研制工作具有重要意義。

關(guān)鍵詞直升機(jī)； 機(jī)艦電磁兼容性； 分析設(shè)計(jì)

Class NumberU671

1引言

艦載直升機(jī)作為海軍序列里重要的武器裝備，其不但可以獨(dú)立執(zhí)行對(duì)海和對(duì)潛預(yù)警探測(cè)、目標(biāo)指示任務(wù)，還可完成攻潛和攻艦等作戰(zhàn)任務(wù)，提高艦艇編隊(duì)對(duì)局部海戰(zhàn)場(chǎng)的感知能力，擴(kuò)大母艦對(duì)海/潛作戰(zhàn)半徑，全面提升水面艦艇編隊(duì)的綜合作戰(zhàn)能力[1]。

由于驅(qū)護(hù)艦上空間較小，根據(jù)作戰(zhàn)需求又布置有艦載雷達(dá)、通訊導(dǎo)航、電子對(duì)抗等大功率射頻設(shè)備，使得艦載電磁環(huán)境日益復(fù)雜惡化，加之直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大面積地使用復(fù)合材料導(dǎo)致機(jī)體電磁屏蔽效能降低，同時(shí)，高速大規(guī)模集成電路在航電設(shè)備中的應(yīng)用，使得航電設(shè)備對(duì)電磁能更加敏感，更易受到大功率輻射源的干擾。本文從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，結(jié)合某海軍艦載直升機(jī)型號(hào)的研制，提出一套適合艦載直升機(jī)電磁兼容性分析的方法，并針對(duì)分析出的干擾問題，給出了相應(yīng)電磁兼容設(shè)計(jì)控制方法，本文對(duì)于機(jī)艦電磁兼容適配性設(shè)計(jì)工作具有重要意義，為艦載機(jī)設(shè)計(jì)研究工作提供一定的借鑒意義。

2機(jī)艦電磁兼容性概念和機(jī)艦電磁兼容性分析

GJB72-2002定義的系統(tǒng)間電磁兼容性是指任何系統(tǒng)不因其他系統(tǒng)中的干擾源而產(chǎn)生明顯降級(jí)的狀態(tài)，所以機(jī)艦電磁兼容性就可以定義為直升機(jī)系統(tǒng)不因艦上系統(tǒng)的干擾源而產(chǎn)生明顯降級(jí)的狀態(tài)；艦上系統(tǒng)不因直升機(jī)系統(tǒng)的干擾源而產(chǎn)生明顯降級(jí)的狀態(tài)。由于艦上系統(tǒng)射頻設(shè)備的功率遠(yuǎn)大于直升機(jī)上的機(jī)載設(shè)備，故機(jī)艦電磁兼容性分析設(shè)計(jì)工作主要集中在前半部分。機(jī)艦電磁兼容性是貫穿整個(gè)型號(hào)生命周期的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。某型號(hào)在方案設(shè)計(jì)階段時(shí)，就已經(jīng)開展機(jī)艦電磁兼容性分析工作，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段則對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行1∶1模型試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)中暴露出的電磁干擾問題開展專題整改并結(jié)合電磁兼容性控制技術(shù)的應(yīng)用，最終確保了工程研制階段的試驗(yàn)樣機(jī)最大限度地滿足機(jī)艦電磁兼容適配性的要求，順利通過產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定型。[2～3]

機(jī)艦電磁兼容性分析是基于艦載電磁環(huán)境、艦載直升機(jī)電磁特性的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算艦上大功率雷達(dá)的同頻、諧波、鄰頻、雜散信號(hào)對(duì)于機(jī)載設(shè)備的干擾情況，將結(jié)果建立干擾矩陣。

艦載電磁環(huán)境包含兩部分，一是艦載系統(tǒng)的頻譜覆蓋范圍；二是當(dāng)大功率艦載輻射源工作時(shí)，直升機(jī)在停留、起降、飛行三種狀態(tài)下，典型工作位置處的場(chǎng)強(qiáng)分布情況。GJB1389A-2005給出了直升機(jī)在甲板上工作時(shí)，直升機(jī)所處的艦上電磁環(huán)境數(shù)據(jù)；直升機(jī)在艦上發(fā)射機(jī)主波束下工作時(shí)，直升機(jī)所處的艦上電磁環(huán)境數(shù)據(jù)。軍用艦載直升機(jī)(通用型)根據(jù)其任務(wù)使命，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照較嚴(yán)酷電磁環(huán)境進(jìn)行分析，分析中暴露出電磁干擾或設(shè)備燒毀的潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以通過一定電磁兼容控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行整改或規(guī)避。發(fā)射機(jī)主波束下工作的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)見表1。表1中數(shù)據(jù)是指各種艦艇發(fā)射機(jī)主波束15.25m處的場(chǎng)強(qiáng)，可以看出某些頻段峰值達(dá)到幾萬(wàn)伏/米，這些頻段的干擾源一般是艦載雷達(dá)、短波、超短波通信設(shè)備，這些設(shè)備不僅會(huì)對(duì)機(jī)身外布置的射頻設(shè)備造成燒毀/干擾等影響，還會(huì)對(duì)機(jī)體內(nèi)的設(shè)備造成電磁干擾。對(duì)于已明確母艦的直升機(jī)，艦載電磁兼容適配性設(shè)計(jì)則要統(tǒng)計(jì)出艦上主要輻射源，通過仿真、儀器測(cè)量等方法得到直升機(jī)停留、起降、飛行位置處的場(chǎng)強(qiáng)值，這種情況更有針對(duì)性，也節(jié)約設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本。

表1　艦載上發(fā)射機(jī)主波束下的電磁環(huán)境

艦載直升機(jī)的電磁特性，是指直升機(jī)所有機(jī)載設(shè)備的電磁特性，包括射頻設(shè)備、非射頻類用電設(shè)備。非射頻類設(shè)備因布置在機(jī)身內(nèi)部，又沒有天線，其電磁特性主要是跟機(jī)體屏蔽特性、設(shè)備抗干擾特性有關(guān)。射頻類設(shè)備電磁特性是分析工作的重點(diǎn)，分為天線特性、收發(fā)機(jī)特性兩部分。天線特性參數(shù)包括天線增益、頻率、極化形式等。收發(fā)機(jī)的特性有靈敏度、抗燒毀電平、飽和電平、帶外抑制指標(biāo)等。表2中給出了幾種常見通信導(dǎo)航設(shè)備的電磁特性。

表2　機(jī)上常見通信導(dǎo)航設(shè)備電磁特性

得到上面數(shù)據(jù)后，便可以利用電磁波傳播、通信鏈路原理，建立一個(gè)基于艦載環(huán)境的電磁干擾分析模型。

假設(shè)直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備中，射頻設(shè)備共N部，每一個(gè)設(shè)備要根據(jù)自身頻譜、艦上干擾源的頻譜，確定其受干擾類型，主要干擾類型有同頻干擾、諧波干擾、雜散發(fā)射干擾、鄰頻干擾。艦載干擾源對(duì)機(jī)載設(shè)備的同頻干擾指艦載干擾源與機(jī)載射頻接收設(shè)備工作于同一頻率，造成機(jī)載設(shè)備接收靈敏度下降，接收出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，更嚴(yán)重的情況是接收機(jī)射頻前端出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象。諧波干擾是指艦載輻射源諧波頻率處于機(jī)載射頻接收設(shè)備工作頻率上或工作帶寬內(nèi)，造成機(jī)載設(shè)備接收靈敏度下降，接收出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，更嚴(yán)重的情況是接收機(jī)射頻前端出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象。雜散干擾是指艦載輻射源除主頻及諧波頻率外的無(wú)意發(fā)射處于機(jī)載射頻接收設(shè)備工作頻率上或工作帶寬內(nèi)，造成機(jī)載設(shè)備接收靈敏度下降，接收阻塞的現(xiàn)象。鄰頻干擾指艦載輻射源的工作頻率在機(jī)載接收設(shè)備有效工作頻帶之外但靠近機(jī)載接收設(shè)備工作頻帶，被機(jī)載設(shè)備接收后造成機(jī)載設(shè)備接收靈敏度下降，接收出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)接收機(jī)射頻前端出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象。

干擾分析模型是根據(jù)電磁波傳播、無(wú)線通信鏈路原理建立的，以雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為發(fā)射源，減去鏈路傳播中的衰減，就得到了機(jī)載設(shè)備接收機(jī)端接收到干擾信號(hào)。以同頻干擾為例，機(jī)載射頻設(shè)備接收的艦載干擾源干擾信號(hào):

I=PIT+GIT-LIT-L(f,d)+GR-LR-LP

(1)

式中:I為機(jī)載設(shè)備接收的艦載輻射源同頻干擾信號(hào)(dBm);PIT為艦載輻射源發(fā)射功率(平均功率，dBm);GIT為艦載輻射源天線增益(dB);LIT為艦載干擾源發(fā)射機(jī)到發(fā)射天線的傳輸損耗(dB);L(f,d)為電磁波自由空間損耗(dB);GR為機(jī)載設(shè)備天線增益(dB);LR為機(jī)載天線到接收機(jī)射頻電纜傳輸損耗(dB);LP為天線極化失配損耗(dB)。

電磁波自由空間傳播損耗計(jì)算方法如下:

L(f,d)=32.44+20lgf+20lgd

(2)

式中:f:頻率(MHz)，此處指機(jī)載射頻接收設(shè)備的工作頻率；d電磁波傳播的距離(km)，此處為艦載輻射源天線到直升機(jī)的距離(km)。

諧波、鄰頻、雜散模型與同頻干擾模型的建模方法基本一致，只是模型中引入了對(duì)應(yīng)的因子:艦載輻射源諧波抑制、接收機(jī)帶外抑制、艦載輻射源雜散抑制。

將機(jī)載設(shè)備和艦船電磁特性參數(shù)代入模型中計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與機(jī)載設(shè)備接收的正常工作信號(hào)電平進(jìn)行比較，按以下三種原則來(lái)判斷設(shè)備被干擾情況。

1)若干擾信號(hào)電平小于接收機(jī)的毀損電平、大于或等于阻塞電平，則存在接收機(jī)出現(xiàn)阻塞不能正常工作的情況；

2)若干擾信號(hào)電平小于接收飽和電平、大于或等于接收機(jī)接收的有用信號(hào)電平，則會(huì)出現(xiàn)干擾導(dǎo)致接收機(jī)不能正常接收；

3)若信干比低于接收機(jī)正常接收所需的信噪比，則不會(huì)出現(xiàn)干擾。

根據(jù)N部射頻設(shè)備的分析結(jié)果，形成干擾矩陣，用于后續(xù)電磁兼容設(shè)計(jì)工作。

3電磁兼容性設(shè)計(jì)控制技術(shù)

電磁兼容性設(shè)計(jì)控制技術(shù)是指利用現(xiàn)有電磁兼容控制方法，針對(duì)特定的電磁干擾問題，采取的一系列整改措施，措施的制定要兼顧系統(tǒng)工程、設(shè)計(jì)制造成本等方面，最終以較小的代價(jià)達(dá)到系統(tǒng)間的電磁兼容效果。針對(duì)機(jī)艦電磁干擾問題，電磁兼容設(shè)計(jì)控制方法主要有分時(shí)工作、分頻工作、合理布局、提高屏蔽效能等。針對(duì)機(jī)載射頻設(shè)備和非射頻設(shè)備應(yīng)采用不同的電磁兼容控制方法。

1) 對(duì)非射頻類設(shè)備的電磁兼容性控制方法主要是電磁屏蔽加固技術(shù)、設(shè)備電纜布置優(yōu)化，屏蔽加固技術(shù)主要是針對(duì)電子設(shè)備艙口蓋、風(fēng)擋玻璃、艙門等有縫隙的位置利用電磁密封膠條、為凱夫拉復(fù)合材料鋪設(shè)銅網(wǎng)、玻璃鍍膜、口蓋噴涂金屬等措施來(lái)提高電磁屏蔽效能。設(shè)備電纜布置優(yōu)化內(nèi)容包括飛行關(guān)鍵、重要設(shè)備及其電纜束要布置在屏蔽效能相對(duì)更高的位置，設(shè)備做好搭接措施，電纜選用屏蔽導(dǎo)線，電纜收頭采用360°屏蔽等。

2) 對(duì)射頻類機(jī)載電子設(shè)備的機(jī)艦電磁兼容性控制方法主要有對(duì)機(jī)載設(shè)備提出研制要求，采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施提高抗燒毀電平、接收機(jī)帶外抑制設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)，要積極與艦船總體單位協(xié)調(diào)，根據(jù)分析結(jié)果，采取分時(shí)管理、分頻管理的辦法，避免艦載輻射源的工作頻率與機(jī)載設(shè)備同時(shí)或同頻工作；對(duì)于雷達(dá)雜散干擾，還可以提出艦載設(shè)備的雜散抑制指標(biāo)要求，供船總體單位參考。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)艦電磁兼容適配性問題，結(jié)合型號(hào)工作中的經(jīng)驗(yàn)，給出了機(jī)艦電磁兼容的分析方法，建立了干擾模型，提出相應(yīng)機(jī)艦電磁兼容設(shè)計(jì)控制方法，在某型號(hào)設(shè)計(jì)初期就暴露了潛在的電磁干擾問題，為艦載直升機(jī)型號(hào)立項(xiàng)、方案階段的設(shè)計(jì)工作提供了技術(shù)支撐，有助于型號(hào)機(jī)艦適配性工作的后期開展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 徐明.艦載直升機(jī)特殊要求對(duì)總體構(gòu)型的若干影響[J].航空科學(xué)技術(shù),2009(3):3-6.

[2] 潘涵,宋東安,刑芳,等.國(guó)外艦載機(jī)電磁安全性研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009(3):150-153.

[3] 李超,湯仕平,萬(wàn)國(guó)軍,等.美軍電磁環(huán)境效應(yīng)(E3)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)淺析[J].裝備環(huán)境工程,2011(12):76-79.

[3] GJB1389A-2005.系統(tǒng)電磁兼容性要求[J].中國(guó)人民解放軍總裝備部,2006.

[4] 侯冬云,孟凡民.艦船系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性要求[J].艦船電子工程,2004(5):115-118.

[5] 蘇東林,王切冰,金德琨.電子戰(zhàn)特種飛機(jī)電磁兼容預(yù)設(shè)計(jì)技術(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006(10):1241-1245.

[6] GJB72-2002.電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語(yǔ)[J].中國(guó)人民解放軍總裝備部,2003.

Analysis and Design Technology of Electromagnetic Compatibility (EMC) Between Helicopter and Ship

HU ShuicaiHUANG FuguiYANG Huagao

(Naval Representative Office of Aviation in Jingdezhen, Jingdezhen333002)

AbstractAiming at the problem of EMC between the helicopter and ship, an analysis method which is suitable for EMC between helicopter and ship is put forward from the top design. According to the EMI problems from analysis result, the corresponding designing and controlling methods of EMC between the Helicopter and Ship are given in this paper. The analysis method and design method for the follow-up research work of helicopter program is of great significance.

Key Wordshelicopter, EMC between the helicopter and ship, analysis and design

* 收稿日期：2015年11月4日,修回日期：2015年12月14日

作者簡(jiǎn)介：胡水才，男，工程師，研究方向：航空電子。

中圖分類號(hào)U671

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.042