艦船電磁兼容技術工藝要素與試驗＊

朱承邦 華 陽

（駐大連426廠軍事代表室 大連 116011）

1 引言

科學實踐使人們認識到：要使一些電子、電氣設備共存于一個有限空間，并能正常運行，實現各自的功能，必須事先對這些設備進行某種約定，即確定電磁兼容（Electro magnetic Compatibility，EMC）指標和相應的檢測辦法。于是，人們在實踐中花費大量精力研究、制定了各種EMC 標準。這些標準規定了電磁干擾的極限值，也規定了測量方法。

電磁兼容（EMC）技術是以電磁場理論為依據，以近代統計學和計算機為手段，以試驗為基礎，涉及到眾多技術領域的一門綜合性系統工程。EMC 技術是在認識電磁干擾、研究電磁干擾和控制電磁干擾的過程中發展起來的。第一篇題為“論無線電干擾”的文章發表于1881年，距今已有100多年。1887年德國的電氣工程師協會成立了干擾問題研究委員會。1904年國際電工委員會（IEC）成立。1934年國際無線電干擾特別委員會（CISPR）成立。IEC 和CISPR是典型的有代表性的國際組織，其目的是促進在電氣、電子及有關技術領域的所有標準化問題及其它有關問題上的技術合作。從那時起，就開始了對電磁干擾問題進行世界性有組織的研究。但是，EMC 作為電子學中獨立的一個分支，還是第二次世界大戰以后的事情。

EMC試驗技術是EMC技術領域研究的重點課題。1965年，美國國防部組織三軍的工程技術人員和標準化研究人員制定了一個研究電磁干擾專用術語、測試范圍、測試方法及設備要求的計劃。這就是美國電磁兼容性軍標產生的歷史背景。美國軍標從第一次發布至今已經歷了30多年的歷程，先后公布了五個版本。每個版本對測試方法和測試設備的要求都有一定的改進。與此同時，測試儀器設備的研制也取得了重大突破，測試軟件也隨計算機操作系統的發展逐步升級。目前軍品EMC測試已成為非常規范化的標準測試。

近些年來，一些技術發達國家已向EMC技術發展的新階段—系統設計法階段—發展。系統設計法是指電子設備或系統在進行電設計以前，運用電磁場理論分析和計算方法以及相關數據來預測系統內的電磁環境，在電性能和EMC同步設計中對EMC 標準進行剪裁，根據預估的電磁環境，下達設備、分系統EMC設計指標，使設備或系統實現最佳設計。美國國家標準局（NBS）承擔EMC 測試設備的計量及場強量值校準，對測試設備進行認證，并開展對噪聲射頻干擾的仲裁工作。美國國防部馬里蘭州的“EMC 分析中心”負責向各軍種提供所需的電磁環境數據和快速分析。應該說EMC試驗技術已實現了將測試數據用于指導新的設計的飛躍［2～4］。

水面艦船集雷達探測、通信、導航、電子武器、穩定平臺和推進等系統于一體，對艦船總體和系統設備的電磁兼容設計技術和工藝能力提出了更高要求，艦船電磁兼容性水平決定了艦船武器的綜合作戰能力。我國電磁兼容（EMC）設計技術、工藝能力及試驗能力和發達國家相比，存在較大的差距，要提高艦船武器的作戰能力，需要提高總體電磁兼容性設計能力，尤其需要改進和提高艦船電磁兼容技術工藝與試驗能力，研究和探討艦船電磁兼容技術工藝要素與試驗技術對改進艦船武器系統設備的電磁兼容性，提高艦船的綜合作戰能力有十分重要的作用。

2 總體方案的電磁兼容性設計

在艦船的總體方案設計階段，需要向發達國家學習，運用系統設計法，即：電子系統或設備在進行電設計以前，運用電磁場理論分析和計算方法以及相關數據來預測系統內的電磁環境，在電性能和EMC 同步設計中對EMC 標準進行剪裁，根據預估的電磁環境，下達設備、分系統EMC設計指標，使設備或系統實現最佳設計［5～6］。

美國波音飛機公司聲稱按EMC 預測結果設計的系統有90%以上可以直接達到電磁兼容。提高總體階段的電磁兼容性設計，盡可能規避了不兼容的系統設備布置在一起，消除了同一艦船平臺的系統（設備）之間的干擾，如美國海軍的宙斯盾作戰系統，其雷達、通信、導航及數據鏈等使用電磁頻譜的頻譜資源彼此錯開，基本互不影響，從設計源頭解決系統（設備）的電磁兼容性問題，將電磁干擾和危害減至最輕，使全部系統、設備均能發揮出效能，達到了電磁兼容性設計目標。

方案設計階段對設備的電磁兼容性控制要求，在艦用條件和設備技術規格書中進行了規定，要求滿足GJB151A和艦總體的艦用條件及相關要求，設備進行電磁兼容性設計，要求設備滿足艦總體制定的電磁兼容管理控制要求和相關國軍標要求，設備出廠（所）前需要完成專門檢測，并出具相應的檢測報告，以保證船廠接收的設備滿足最基本的電磁兼容性控制要求，同時，總體電磁兼容性設計師可以獲得有關設備電磁輻射以及敏感性的狀態信息。經過電磁兼容性檢測達標的設備，才可以向船廠交付。如果經檢測電磁兼容性不達標，則需根據超標項目的具體情況，對設備采取相應措施進行整改，直至滿足要求。之所以嚴格控制設備電磁兼容狀態，是為了避免后期在復雜使用環境中相互間產生電磁干擾。

存在的風險是設備在出廠（所）等進行電磁兼容性測試時，其供電和接地等是在一個相對較好的環境中，設備所需要的電力電源和接地等基本沒有其它電力設備或電子設備的污染，在陸上進行的電磁兼容性指標測試合格的設備，裝船后，全艦所有電子設備工作時，有可能存在由于供電電源受到較大污染出現工作不正常的情況。

3 施工設計階段電磁兼容技術工藝要素和要求

艦船建造階段電磁兼容性技術工藝工作主要側重于工藝設計和工藝施工實現，其中電磁屏蔽和接地等工藝及施工，對電子設備的電磁兼容性有較大影響，工藝質量未達到設計目標，工程試驗階段可能導致原先合格的系統設備裝船后測試指標不合格，武器系統可能存在引信被誤觸發等安全隱患，電子武器設備可能不能兼容工作，不能滿足設計要求［6～8］。

以下重點從艦船施工建造各環節進行電磁兼容技術工藝要素等方面控制，確保相關系統設備的電磁兼容性指標實現。

3.1 電纜分類與敷設工藝及控制

主船體成型以后，船廠將進行電纜敷設施工工藝設計。需要布設的電纜一般包括全船布局的供電電纜；局部敷設的專用電纜；各系統和設備之間傳遞信號的控制、數據電纜、射頻電纜等。按照功能和結構特點，一般將電纜分為：

1）射頻電纜、天線饋線等；

2）設備模擬信號線、控制信號線；

3）數字信號線、網線、光纜；

4）交、直流電源線、二次電源線、配電電源線；

5）專用電纜，如消磁電纜。

編制施工工藝時，必須按照電纜的功能和型譜特性對其分類，通過按類別進行分束敷設捆扎，避免相互間產生耦合干擾。對電纜工藝敷設應做到：

1）同類電纜進行同束捆扎敷設；

2）非同類電纜相互間的間距應愈大愈好，一般控制在相距不小于100mm；大功率射頻電纜和敏感電纜之間相距要不小于300mm；

3）電纜交互時盡可能成直角敷設；

4）必要時外加鋼管等電磁屏蔽措施［9～10］。

3.2 設備、艦面設施接地工藝要素

水面艦船許多電磁兼容性問題，與設備接地工藝不滿足要求有關。接地工藝是船廠安裝施工的重點內容，工藝過程需要嚴格控制。接地可分為電源地、信號地、機殼地、屏蔽地、保護地以及專用的接地系統等。

設備技術規格書中對設備接地設計有專門要求，標準化機柜的機殼地、數字地和電源地都是分開的，并有接地標識和接地柱。在進行接地工藝施工時需要重點查看，接地施工完成后需要檢查接地電阻值是否小于規定的阻值，接地工藝安裝施工滿足接地電阻值要求十分必要。

工廠在設備上船安裝時，根據總體設計提出的電磁兼容性施工設計要求，完成各類接地連接。

電子機柜接地工藝基本要素如下：首先清潔打磨接地平銅片表面直至裸露金屬光澤，清潔的范圍應大于墊圈面積的1.5倍，緊接著進行鍍錫處理防止氧化，再進行螺栓接地或焊接接地，并保證接觸面的直接接觸。甲板或艙壁上焊接的接地螺柱要求為帶突肩的接地螺柱，直徑M8 或M10，材質為鋼制或不銹鋼制。

近幾年工廠施工中對接地平銅片等進行接地連接時，利用外沿雙向帶刺的梅花形墊片，墊在接地平銅片和甲板以及機殼地之間后再以螺栓緊固，使得兩個連接面之間可多點良好接觸，簡化了以前需打磨并防止氧化的工藝方法，接地電阻通常不大于10mΩ，可滿足使用要求。

桅桿、上層建筑、甲板以及露天區域安裝的天線基座、武器和設備基座等均應可靠接地；金屬構件、門、窗和艙口蓋等活動部件須良好接地，應有兩處以上接地點；甲板上適當位置預留部分接地柱，供移動設施接地用。

接地和跨接平銅片規格：長度一般為100、150、200、250、300mm，厚度不小于0.5mm，寬度不小于25mm，長寬比不大于5［9～10］。

3.3 電纜、穿艙管路的接地和搭接工藝要素

連接設備的電纜兩端應將電纜外屏蔽套接地，當電纜插頭帶有尾部附件時，則用金屬卡環箍緊電纜的金屬屏蔽護套；對于不帶尾部附件的電纜插頭，可將端頭金屬屏蔽護套拆開編辮，連接固定在插頭的接地螺栓上。

采用法蘭連接的管路，在螺栓連接處搭接接地銅帶。管路穿過敏感艙室和甲板處，就近用接地平銅片與艙壁和甲板螺柱連接。法蘭端面應采用導電密封墊片，穿艙壁和甲板處采用電磁屏蔽填料函。

3.4 電磁敏感艙室的屏蔽工藝要素

艙室門、穿艙管路、穿艙電纜、通風管道等會破壞艙室的電磁屏蔽性能，其它艙室設備的射頻輻射沿著這些部位傳播，對于艙內安裝有敏感電子設備的，有可能產生電磁干擾，造成設備工作出現異常，所以，應采取電磁屏蔽措施。這類艙室可采用電磁屏蔽門、窗；管路和電纜穿艙處采用電磁屏蔽填料函。

電纜屏蔽材料通常用編織套或金屬管。對金屬編織套而言，屏蔽效能隨編織密度的增加而提高，當頻率高到波長接近編織間隙時，屏蔽效能迅速下降。對低頻的電纜常用金屬電纜管屏蔽，材質為鋼、鋁、銅或履銅鋼管等。鋼管用于低頻磁場的屏蔽，銅管用于中頻或高頻電纜的屏蔽，履銅鋼管對所有頻率都有較好的屏蔽效果。

通風管道內可加裝電磁屏蔽網，在滿足通風要求的情況下屏蔽網眼尺寸越小，屏蔽效果越好，至少應滿足可屏蔽最小波長的要求［1～2，10～11］。

3.5 電磁兼容技術工藝要素實施情況

船廠完成設備安裝施工后，必須對電磁兼容技術工藝要素實施情況進行檢查，對接地電阻進行測量，檢查接地效果。在接地點兩端附近裸露金屬的地方，分別用毫歐計的測量鉗壓緊，直接測量接地電阻值，軍標要求控制在10mΩ以內。

射頻電纜、饋線、波導等傳輸大功率信號的電纜和部件的安裝連接情況檢查，一般需要采用專用儀表，如測量線、功率計等，測量其駐波系數，驗證安裝連接是否良好，測試駐波是否滿足要求，是存在打火和能量泄漏等。

4 電磁兼容安全性試驗

完成工藝施工后，對于上層建筑和甲板人員活動場所以及武器和燃油加注口等區域的電磁環境需要進行檢測，檢查場強和功率密度分布情況，超過安全限值時，必須采取相應的措施，保護人員和武器裝備的安全。按照GJB 5313電磁輻射暴露限值和測量方法，人員暴露限值應滿足表1要求：

表1 作業區短波、超短波、微波脈沖波暴露限值

電引爆武器處的場強值，美軍標準規定限值為200V／m，實際應用上也取決于電引爆武器自身敏感程度。經試驗，射頻輻射對燃油的危害性非常嚴重，在頻率為2MHz～13MHz時，與發射功率100W 的通信天線相距半波長，燃油和空氣混合氣體可自然起爆。

電磁環境檢測需要開闊空曠的場地，避免周圍的電磁干擾以及附近障礙物反射回波等帶來測量數據不準確。相關人員做好自身防護的情況下，利用近場場強儀、微波漏能儀等儀器，測量人員活動區、電引爆武器處、燃油加注口等部位電場強度和電磁場功率密度，根據結果進行電磁安全性評價。

5 電磁兼容性試驗測試要求

水面艦船在戰斗工況下，所有系統設備全部開機工作，觀察設備工作是否正常，評估各設備的功能、性能是否完好，是否受到電磁干擾。在存在干擾的情況下，通常利用矩陣法逐一排查，確定干擾源在哪里，干擾原因是什么，然后采取必要的措施，保證系統和設備發揮正常的工作效能。

6 結語

艦船的電磁兼容性，關系到艦船的安全、人員的健康和設備性能是否可以得到保障，關系到艦船電子武器是否有戰斗力，發揮較好作戰能力，本文從艦船電子武器設計的各階段提出了電磁兼容性技術要求，提出了艦船施工有關電磁兼容性設計技術工藝要素及試驗測試要求，經某型艦船建造階段的工藝實踐和試驗測試，取得了很好的效果。

［1］王守三.設備和系統安裝的電磁兼容技術技巧和工藝［M］.北京：機械工業出版社，2008，10.

［2］張厚，唐宏，尹應增.電磁兼容測試技術［M］.西安：西北工業大學出版社，2008，9.

［3］楊克俊.電磁兼容原理與設計技術［M］.北京：人民郵電出版社，2011，6.

［4］何宏，張寶峰，王紅君，等.電磁兼容設計與測試技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008，5.

［5］郝曉冬，喬恩明，吳保芳，等.電源系統電磁兼容設計與應用［M］.北京：中國電力出版社，2007，7.

［6］鄭軍奇.EMC電磁兼容設計與測試案例分析［M］.北京：電子工業出版社，2010，1.

［7］朱文立.電磁兼容設計與整改對策及案例分析［M］.北京：電子工業出版社，2012，4.

［8］陳淑鳳，馬蔚宇，馬曉慶，等.電磁兼容試驗技術［M］.北京：北京郵電大學出版社有限公司，2012，5.

［9］吳冬燕，陳曉磊，杭海梅，等.電磁兼容檢測技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2012，2.

［10］張瑋，唐文斌，錢平，等.船舶電磁干擾抑制和電氣接地［J］.船舶設計通訊，2012（2）：54-59.

［11］朱志宇，張冰，劉維亭.船舶電磁兼容測試技術［J］.船舶工程，2005，27（4）：58-63.