艦船總體電磁兼容方法研究?

劉孟孟

（91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，艦船上所裝備的用頻設(shè)備愈加密集，使用頻帶越來(lái)越寬，頻率也是不斷增大，加上艦船上安裝布置空間有限，造成艦船上電磁環(huán)境不斷惡化，特別是有的設(shè)備既是輻射源又是受干擾源，加之不同裝備之間用頻沖突，使得實(shí)際電磁干擾現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重影響了艦上武器裝備的正常使用，制約著艦船整體作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，亟需從總體層面對(duì)艦船電磁兼容方法開(kāi)展研究，提高整體電磁兼容能力，保障艦船的實(shí)際作戰(zhàn)效能。

2 電磁干擾成因及危害

電磁干擾主要包括干擾源、耦合路徑、敏感物三要素，是設(shè)備及系統(tǒng)產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題的必要條件。干擾源是指產(chǎn)生電磁干擾的電子設(shè)備、無(wú)源金屬或自然現(xiàn)象，可分為人為干擾和自然干擾；耦合路徑是指電磁干擾的傳輸媒介，分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合，顧名思義，傳導(dǎo)耦合通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳播，輻射耦合是電磁能量以電磁場(chǎng)的方式向外輻射；敏感物，在艦船總體中不只包含易受電磁干擾的電子設(shè)備，還包括處于電磁場(chǎng)中可能會(huì)受到影響的人員、彈藥、燃油或飛機(jī)等。

圖1 電磁兼容系統(tǒng)三要素

干擾產(chǎn)生的條件為

式中，t表示時(shí)間，f表示頻率，r表示距離，θ表示方位，S表示電磁干擾源，C表示電磁能量，R表示敏感物的敏感性，只有S、C、R三要素同時(shí)存在且滿(mǎn)足上式才能產(chǎn)生電磁干擾。

電磁干擾會(huì)造成多種危害［1］，主要是造成用頻裝備性能指標(biāo)降低甚至無(wú)法工作，如大功率射頻會(huì)危害雷達(dá)系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)等敏感設(shè)備的正常運(yùn)行；電子戰(zhàn)系統(tǒng)過(guò)寬的頻譜范圍，可干擾雷達(dá)、通信等設(shè)備；頻率相近的用頻設(shè)備之間會(huì)產(chǎn)生耦合干擾，使設(shè)備性能下降。同時(shí)，當(dāng)軍械、燃油處場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高時(shí)，有爆炸或自然危險(xiǎn)；人員受到超劑量的電磁輻射危害，危及人員安全。

3 電磁兼容解決方法

由式（1）可知，消除各系統(tǒng)設(shè)備之間的電磁干擾，應(yīng)從干擾源、耦合路徑、敏感物三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，即降低設(shè)備向外界發(fā)射或釋放的干擾，切斷耦合路徑，提高敏感物抗電磁干擾能力，使S·C＜R。

3.1 電磁兼容設(shè)計(jì)

開(kāi)展電磁兼容設(shè)計(jì)［2］，一方面對(duì)艦船外形特別是甲板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低艦船上層建筑反射折射電磁波引發(fā)的二次輻射，且合理利用空間分隔降低各裝設(shè)備之間的干擾。另一方面需要加強(qiáng)裝備作戰(zhàn)需求和作戰(zhàn)使用研究，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從頂層角度統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)備選型和各系統(tǒng)裝備的頻譜使用，確定工作頻率以及頻譜特性要求；充分論證各裝設(shè)備的頻率使用和抗電磁干擾指標(biāo)，減少不同電磁收發(fā)設(shè)備之間的頻譜沖突；將總體要求逐層分解到裝設(shè)備，對(duì)裝設(shè)備的輻射特性和抗干擾特性提出具體要求，如對(duì)可能暴露在電磁環(huán)境中的彈藥等提出明確抗干擾要求，從而解決各裝設(shè)備之間的干擾問(wèn)題，盡可能地消除或降低電磁兼容問(wèn)題。

同時(shí)利用電磁兼容和電磁干擾預(yù)測(cè)分析技術(shù)，如有限元法、矩量法、時(shí)域有限差分法和傳輸線(xiàn)矩陣法等，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均開(kāi)展電磁環(huán)境分析預(yù)測(cè)，對(duì)干擾源的輻射特性、電磁干擾耦合途徑、敏感物反應(yīng)特性等量化計(jì)算，掌握電磁場(chǎng)分布情況，分析和確定干擾源、干擾途徑和敏感物，預(yù)測(cè)可能存在的電磁干擾，可以有效解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段無(wú)法處理的問(wèn)題，使各系統(tǒng)設(shè)備之間既能滿(mǎn)足戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)要求，又能相互兼容互不影響，還可以有效降低電磁兼容設(shè)計(jì)成本。

圖2 總體電磁兼容設(shè)計(jì)流程圖［3］

3.2 電磁兼容具體措施

1）綜合布置

主要在設(shè)計(jì)階段完成，在空間布置上采取措施，降低各裝設(shè)備之間的直接干擾，優(yōu)點(diǎn)是只涉及艦船總體布置，對(duì)裝設(shè)備本身的技術(shù)狀態(tài)不用做出修改。

對(duì)于雷達(dá)、通信等天線(xiàn)設(shè)備，通過(guò)空間布置可以增大天線(xiàn)相互之間的隔離度［4］，隔離度受天線(xiàn)方向圖、天線(xiàn)之間的距離以及信號(hào)波長(zhǎng)等因素影響，具體可用下式表示：

其中Gr為接收天線(xiàn)增益，Gt為發(fā)射天線(xiàn)增益，R為天線(xiàn)之間的距離，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。

因此，可以通過(guò)錯(cuò)層布置防止相互之間主波束直接照射造成干擾；對(duì)不同裝備分區(qū)布置，可以利用距離或障礙物遮擋增加相互之間的距離；對(duì)于全方位輻射信號(hào)源，可以布置多部裝備分區(qū)布置且對(duì)作用區(qū)間進(jìn)行合理劃分，使其僅對(duì)艦外輻射，可以降低或消除其向艦內(nèi)的輻射，減弱電磁波直射或反射對(duì)艦載設(shè)備的影響，這些方法都可以有效增加天線(xiàn)之間的隔離度。

對(duì)于燃油加油口、甲板彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)貯存區(qū)等對(duì)電磁輻射較敏感部位，要盡量遠(yuǎn)離各種發(fā)射天線(xiàn)，并避免被雷達(dá)主波束直接照射。

2）屏蔽

采用具有電磁波阻斷作用的材質(zhì)將干擾源或敏感物隔離起來(lái)，通過(guò)反射、吸收等物理作用，一方面可以有效降低干擾源向外所輻射的電磁能量，另一方面可以降低電磁場(chǎng)對(duì)敏感物的干擾，其效果受屏蔽材料材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等影響較大?？煞譃殡妶?chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽三種，不同屏蔽樣式所選用材料材質(zhì)不同［7］。

屏蔽的效果可用下面公式表示：

其中 SE表示屏蔽效能，ED（HD）、E1（H1）分別表示采用屏蔽措施前后的磁場(chǎng)能量。屏蔽效能值越大，表明屏蔽效果越好。屏蔽效果還可從材料的角度評(píng)定：

式中，R表示材料表面反射損耗，為電磁波穿過(guò)屏蔽體兩個(gè)界面時(shí)兩個(gè)界面上的反射損耗的和；A表示吸收損耗，為電磁波在屏蔽材料中傳播時(shí)轉(zhuǎn)化為熱量的損失；B表示多次反射修正因子，指電磁波在屏蔽材料內(nèi)部多次反射時(shí)輻射回入射方向的能量。

選用合適的屏蔽材料，對(duì)駕駛室、指揮所、彈藥貯存艙等部位采取屏蔽措施，可以有效降低和消除外部電磁輻射對(duì)人員、裝備和彈藥等的影響。

3）濾波

在輸入輸出端采用濾波器限制接收發(fā)送的信號(hào)頻帶，可以濾除設(shè)備中非必要信號(hào)頻率，將對(duì)有用信號(hào)存在擾亂作用的電磁波濾除，在輸出端減少對(duì)其余設(shè)備的干擾，在輸入端提高接收器的信噪比［8］。

濾波器的衰減效果可用下式表示：

其中，EdB表示濾波器的插入損耗，V1表示干擾信號(hào)通過(guò)濾波器后在負(fù)載上的電壓，V2表示無(wú)濾波器時(shí)干擾信號(hào)在負(fù)載上的電壓。在要求的頻段內(nèi)，EdB越大，表示濾波效果越好。

對(duì)電源線(xiàn)、通過(guò)干擾環(huán)境的導(dǎo)線(xiàn)、對(duì)干擾敏感的電路以及射頻收發(fā)裝置中都應(yīng)設(shè)置濾波手段，如在發(fā)射機(jī)輸出端設(shè)置輸出濾波器，可以降低帶外干擾；對(duì)關(guān)鍵電源設(shè)置隔離濾波器，可以消除共模干擾。

4）接地

將電氣設(shè)備與零電位參考點(diǎn)相連，一方面將設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的靜電、漏電倒入大地，保護(hù)設(shè)備和人員安全；另一方面為設(shè)備內(nèi)部信號(hào)提供一個(gè)共同參考和低阻抗回流路徑，消除或降低電流，抑制電磁干擾［9］。主要有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地和混合接地等方式。

因此，對(duì)大電壓電氣設(shè)備的金屬外殼、電線(xiàn)的金屬保護(hù)套、屏蔽措施、露天部位的金屬構(gòu)件等做接地處理，可以有效抑制電磁干擾，但也應(yīng)嚴(yán)格控制接地工藝質(zhì)量。

5）采用新技術(shù)（采用天線(xiàn)集成技術(shù)）

傳統(tǒng)艦船天線(xiàn)布置方法主要是依據(jù)1）中所述，將各種天線(xiàn)分散布置，但受制于艦船的大小及形狀，這種方法并不能徹底解決天線(xiàn)之間的互擾問(wèn)題，為此提出了天線(xiàn)集成概念，一是將多部用頻設(shè)備通過(guò)多路耦合器等設(shè)備集成，共用一套天線(xiàn)，即復(fù)合天線(xiàn)［5］（圖3）；另一種是對(duì)不同天線(xiàn)進(jìn)行物理集成，采用物理手段增加相互之間的隔離度，即射頻綜合系統(tǒng)［6］，兩種方法都可以有效降低電磁干擾問(wèn)題，是對(duì)1）的有效補(bǔ)充。

圖3 復(fù)合天線(xiàn)示意圖

4 電磁兼容管理

通過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì)以及采用相應(yīng)措施，對(duì)艦船上的電子設(shè)備等布置進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，并對(duì)關(guān)鍵部位采取屏蔽、絕緣等隔離措施，可以有效地降低各系統(tǒng)設(shè)備之間的電磁干擾，但由于空間及用頻的局限性，部分干擾是無(wú)法避免的，為保障全艦的綜合作戰(zhàn)效能，需要在使用過(guò)程中對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備的使用進(jìn)行限制，即電磁兼容管理［10］，管理主要針對(duì)用頻設(shè)備，根據(jù)各系統(tǒng)設(shè)備使用要求及基本情況，可以建立電磁干擾情況對(duì)照表，明確各系統(tǒng)設(shè)備之間的相互干擾關(guān)系，也可詳細(xì)記錄工作方式、干擾程度、干擾樣式等細(xì)節(jié)。

表1 電磁干擾情況對(duì)照表

根據(jù)各系統(tǒng)設(shè)備的功能特性，考慮其使用要求、工作狀態(tài)、運(yùn)用目的、重要程度及相互之間的干擾關(guān)系等情況，合理調(diào)配其使用實(shí)際及使用方法，按照危急程度高低、使用效能大小、占用時(shí)間長(zhǎng)短、對(duì)其他裝設(shè)備影響大小等特定原則，制定合理的使用方案，通過(guò)頻率分配、匿影、規(guī)避等手段，在頻域、時(shí)域、空域、能域四個(gè)方面統(tǒng)一管理。

在頻域，若發(fā)送設(shè)備的頻點(diǎn)對(duì)某一接收設(shè)備的若干頻點(diǎn)或頻段存在干擾時(shí)，可以通過(guò)電磁兼容管理，對(duì)發(fā)送設(shè)備或接收設(shè)備發(fā)送管理命令，令其禁用對(duì)應(yīng)頻率或改用其他頻率，從而解除各用頻設(shè)備之間用頻存在沖突；對(duì)于某些對(duì)燃油、彈藥和人員有危害頻段，對(duì)其使用時(shí)機(jī)也應(yīng)進(jìn)行控制。

在時(shí)域，主要針對(duì)同時(shí)工作時(shí)存在干擾的用頻設(shè)備，根據(jù)設(shè)備重要程度或優(yōu)先級(jí)，當(dāng)一部設(shè)備使用時(shí)，由管理設(shè)備向另一方發(fā)送管理命令（如匿影信號(hào)），令該設(shè)備暫停工作，在時(shí)域上避免兩者同時(shí)工作的可能；當(dāng)甲板上有人員作業(yè)時(shí)，某些不必要或傷害較大輻射源也應(yīng)暫停使用。

在空域，由于艦艇面積所限，空間布置并不能絕對(duì)避免設(shè)備之間絕對(duì)隔離，需要對(duì)各發(fā)射的工作狀態(tài)及空間指向進(jìn)行跟蹤，若判斷不同設(shè)備的方位角或仰角會(huì)產(chǎn)生干擾，則由管理設(shè)備對(duì)其一發(fā)送管理命令，令其進(jìn)行規(guī)避，以消除干擾；為保護(hù)武器彈藥、人員、重要艙室等的安全，還應(yīng)對(duì)輻射源進(jìn)行限制，避免直射。

在能域，一些大功率發(fā)射機(jī)對(duì)用頻設(shè)備的干擾很消除，若可以對(duì)其發(fā)射功率進(jìn)行控制，則可以在其業(yè)務(wù)或較少時(shí)適當(dāng)降低發(fā)射功率，由式（2）可知，能夠改善天線(xiàn)之間的隔離度，此時(shí)受干擾設(shè)備可以正常工作；同時(shí)對(duì)于燃油加油口和彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)區(qū)，當(dāng)大功率天線(xiàn)直接照射時(shí)需對(duì)天線(xiàn)發(fā)射功率進(jìn)行限制，避免出現(xiàn)自燃和爆炸危險(xiǎn)或?qū)θ藛T造成傷害。

圖4 電磁兼容管理示意圖

電磁兼容管理過(guò)程如圖4所示，需要注意的是，無(wú)論采用哪種電磁兼容管理手段，都意味著要對(duì)發(fā)射端或接收端進(jìn)行限制，相應(yīng)的其工作性能會(huì)有所下降，需統(tǒng)籌考慮對(duì)哪一端做出限制，必要時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，以盡量小的功能犧牲實(shí)現(xiàn)盡量大的綜合使用效果。若經(jīng)電磁兼容管控后仍存在電磁兼容問(wèn)題，則需在明顯位置設(shè)置警示標(biāo)志。

5 電磁兼容測(cè)試

實(shí)船交付后，可以根據(jù)設(shè)計(jì)階段電磁干擾預(yù)測(cè)結(jié)果人工設(shè)置各種裝設(shè)備的工作狀態(tài)，利用測(cè)量?jī)x器等手段對(duì)各種工作狀態(tài)下的的裝設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量［11～13］，可以對(duì)電氣及電子設(shè)備的接地質(zhì)量、天線(xiàn)之間的隔離效果、重要部位的屏蔽效果、軍械燃油處的電場(chǎng)強(qiáng)度、人員工作生活區(qū)的電磁輻射值以及電磁管控效果等進(jìn)行直接測(cè)試，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證電磁環(huán)境對(duì)電子設(shè)備、人員、武器彈藥等的影響程度，優(yōu)化電磁兼容管理的方法和閾值，從而有效判斷電磁兼容設(shè)計(jì)的合理性，所用技術(shù)措施的正確性，電子設(shè)備與所處環(huán)境的兼容性，特別是找出前期未注意或未發(fā)現(xiàn)的潛在電磁干擾，掌握總體電磁兼容性能，在發(fā)現(xiàn)和解決電磁兼容問(wèn)題中發(fā)揮不可忽視的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

電磁兼容性能的好壞，制約著艦船總體作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，電磁兼容是一項(xiàng)涉及專(zhuān)業(yè)廣且十分復(fù)雜的工程，電磁兼容問(wèn)題不僅僅是從某一方面采用某一措施就可以解決的，往往需要多種方法共同作用，例如對(duì)燃油的保護(hù)，首先加油口自身要有防靜電和屏蔽設(shè)置，布置上要遠(yuǎn)離輻射源，還要對(duì)輻射源的頻率、功率以及空間指向進(jìn)行管理等方法共同保護(hù)著燃油的安全。因此只有從船總體到各個(gè)分系統(tǒng)設(shè)備密切配合、通力合作，才能得到更好的電磁兼容性能。同時(shí)還要加大對(duì)電磁兼容試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)方法的研究，從實(shí)踐角度衡量電磁兼容設(shè)計(jì)及管控的正確性和合理性，為后續(xù)艦船建造設(shè)計(jì)提供實(shí)踐支持。