艦船總體電磁兼容方法研究?

劉孟孟

（91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

隨著科學技術的進步，艦船上所裝備的用頻設備愈加密集，使用頻帶越來越寬，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，使得實際電磁干擾現(xiàn)象十分普遍，嚴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，亟需從總體層面對艦船電磁兼容方法開展研究，提高整體電磁兼容能力，保障艦船的實際作戰(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，是設備及系統(tǒng)產(chǎn)生電磁兼容問題的必要條件。干擾源是指產(chǎn)生電磁干擾的電子設備、無源金屬或自然現(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，分為傳導耦合和輻射耦合，顧名思義，傳導耦合通過導線傳播，輻射耦合是電磁能量以電磁場的方式向外輻射；敏感物，在艦船總體中不只包含易受電磁干擾的電子設備，還包括處于電磁場中可能會受到影響的人員、彈藥、燃油或飛機等。

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三要素同時存在且滿足上式才能產(chǎn)生電磁干擾。

電磁干擾會造成多種危害［1］，主要是造成用頻裝備性能指標降低甚至無法工作，如大功率射頻會危害雷達系統(tǒng)伺服機構(gòu)等敏感設備的正常運行；電子戰(zhàn)系統(tǒng)過寬的頻譜范圍，可干擾雷達、通信等設備；頻率相近的用頻設備之間會產(chǎn)生耦合干擾，使設備性能下降。同時，當軍械、燃油處場強過高時，有爆炸或自然危險；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)設備之間的電磁干擾，應從干擾源、耦合路徑、敏感物三個方面進行設計，即降低設備向外界發(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 電磁兼容設計

開展電磁兼容設計［2］，一方面對艦船外形特別是甲板進行優(yōu)化設計，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備之間的干擾。另一方面需要加強裝備作戰(zhàn)需求和作戰(zhàn)使用研究，按照相關標準規(guī)范，從頂層角度統(tǒng)籌規(guī)劃設備選型和各系統(tǒng)裝備的頻譜使用，確定工作頻率以及頻譜特性要求；充分論證各裝設備的頻率使用和抗電磁干擾指標，減少不同電磁收發(fā)設備之間的頻譜沖突；將總體要求逐層分解到裝設備，對裝設備的輻射特性和抗干擾特性提出具體要求，如對可能暴露在電磁環(huán)境中的彈藥等提出明確抗干擾要求，從而解決各裝設備之間的干擾問題，盡可能地消除或降低電磁兼容問題。

同時利用電磁兼容和電磁干擾預測分析技術，如有限元法、矩量法、時域有限差分法和傳輸線矩陣法等，在設計的各個階段均開展電磁環(huán)境分析預測，對干擾源的輻射特性、電磁干擾耦合途徑、敏感物反應特性等量化計算，掌握電磁場分布情況，分析和確定干擾源、干擾途徑和敏感物，預測可能存在的電磁干擾，可以有效解決傳統(tǒng)設計手段無法處理的問題，使各系統(tǒng)設備之間既能滿足戰(zhàn)技術指標要求，又能相互兼容互不影響，還可以有效降低電磁兼容設計成本。

圖2 總體電磁兼容設計流程圖［3］

3.2 電磁兼容具體措施

1）綜合布置

主要在設計階段完成，在空間布置上采取措施，降低各裝設備之間的直接干擾，優(yōu)點是只涉及艦船總體布置，對裝設備本身的技術狀態(tài)不用做出修改。

對于雷達、通信等天線設備，通過空間布置可以增大天線相互之間的隔離度［4］，隔離度受天線方向圖、天線之間的距離以及信號波長等因素影響，具體可用下式表示：

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

因此，可以通過錯層布置防止相互之間主波束直接照射造成干擾；對不同裝備分區(qū)布置，可以利用距離或障礙物遮擋增加相互之間的距離；對于全方位輻射信號源，可以布置多部裝備分區(qū)布置且對作用區(qū)間進行合理劃分，使其僅對艦外輻射，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艦載設備的影響，這些方法都可以有效增加天線之間的隔離度。

對于燃油加油口、甲板彈藥轉(zhuǎn)運貯存區(qū)等對電磁輻射較敏感部位，要盡量遠離各種發(fā)射天線，并避免被雷達主波束直接照射。

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，通過反射、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對敏感物的干擾，其效果受屏蔽材料材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等影響較大。可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種，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定：

式中，R表示材料表面反射損耗，為電磁波穿過屏蔽體兩個界面時兩個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)部多次反射時輻射回入射方向的能量。

選用合適的屏蔽材料，對駕駛室、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)送的信號頻帶，可以濾除設備中非必要信號頻率，將對有用信號存在擾亂作用的電磁波濾除，在輸出端減少對其余設備的干擾，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表示干擾信號通過濾波器后在負載上的電壓，V2表示無濾波器時干擾信號在負載上的電壓。在要求的頻段內(nèi)，EdB越大，表示濾波效果越好。

對電源線、通過干擾環(huán)境的導線、對干擾敏感的電路以及射頻收發(fā)裝置中都應設置濾波手段，如在發(fā)射機輸出端設置輸出濾波器，可以降低帶外干擾；對關鍵電源設置隔離濾波器，可以消除共模干擾。

4）接地

將電氣設備與零電位參考點相連，一方面將設備運行過程中產(chǎn)生的靜電、漏電倒入大地，保護設備和人員安全；另一方面為設備內(nèi)部信號提供一個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］。主要有單點接地，多點接地和混合接地等方式。

因此，對大電壓電氣設備的金屬外殼、電線的金屬保護套、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，但也應嚴格控制接地工藝質(zhì)量。

5）采用新技術（采用天線集成技術）

傳統(tǒng)艦船天線布置方法主要是依據(jù)1）中所述，將各種天線分散布置，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之間的互擾問題，為此提出了天線集成概念，一是將多部用頻設備通過多路耦合器等設備集成，共用一套天線，即復合天線［5］（圖3）；另一種是對不同天線進行物理集成，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題，是對1）的有效補充。

圖3 復合天線示意圖

4 電磁兼容管理

通過電磁兼容設計以及采用相應措施，對艦船上的電子設備等布置進行了調(diào)整優(yōu)化，并對關鍵部位采取屏蔽、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，部分干擾是無法避免的，為保障全艦的綜合作戰(zhàn)效能，需要在使用過程中對各系統(tǒng)設備的使用進行限制，即電磁兼容管理［10］，管理主要針對用頻設備，根據(jù)各系統(tǒng)設備使用要求及基本情況，可以建立電磁干擾情況對照表，明確各系統(tǒng)設備之間的相互干擾關系，也可詳細記錄工作方式、干擾程度、干擾樣式等細節(jié)。

表1 電磁干擾情況對照表

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

在頻域，若發(fā)送設備的頻點對某一接收設備的若干頻點或頻段存在干擾時，可以通過電磁兼容管理，對發(fā)送設備或接收設備發(fā)送管理命令，令其禁用對應頻率或改用其他頻率，從而解除各用頻設備之間用頻存在沖突；對于某些對燃油、彈藥和人員有危害頻段，對其使用時機也應進行控制。

在時域，主要針對同時工作時存在干擾的用頻設備，根據(jù)設備重要程度或優(yōu)先級，當一部設備使用時，由管理設備向另一方發(fā)送管理命令（如匿影信號），令該設備暫停工作，在時域上避免兩者同時工作的可能；當甲板上有人員作業(yè)時，某些不必要或傷害較大輻射源也應暫停使用。

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

在能域，一些大功率發(fā)射機對用頻設備的干擾很消除，若可以對其發(fā)射功率進行控制，則可以在其業(yè)務或較少時適當降低發(fā)射功率，由式（2）可知，能夠改善天線之間的隔離度，此時受干擾設備可以正常工作；同時對于燃油加油口和彈藥轉(zhuǎn)運作業(yè)區(qū)，當大功率天線直接照射時需對天線發(fā)射功率進行限制，避免出現(xiàn)自燃和爆炸危險或?qū)θ藛T造成傷害。

圖4 電磁兼容管理示意圖

電磁兼容管理過程如圖4所示，需要注意的是，無論采用哪種電磁兼容管理手段，都意味著要對發(fā)射端或接收端進行限制，相應的其工作性能會有所下降，需統(tǒng)籌考慮對哪一端做出限制，必要時進行人工干預，以盡量小的功能犧牲實現(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題，則需在明顯位置設置警示標志。

5 電磁兼容測試

實船交付后，可以根據(jù)設計階段電磁干擾預測結(jié)果人工設置各種裝設備的工作狀態(tài)，利用測量儀器等手段對各種工作狀態(tài)下的的裝設備工作狀態(tài)進行測量［11～13］，可以對電氣及電子設備的接地質(zhì)量、天線之間的隔離效果、重要部位的屏蔽效果、軍械燃油處的電場強度、人員工作生活區(qū)的電磁輻射值以及電磁管控效果等進行直接測試，用實測數(shù)據(jù)驗證電磁環(huán)境對電子設備、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計的合理性，所用技術措施的正確性，電子設備與所處環(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)和解決電磁兼容問題中發(fā)揮不可忽視的作用。

6 結(jié)語

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，電磁兼容是一項涉及專業(yè)廣且十分復雜的工程，電磁兼容問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，例如對燃油的保護，首先加油口自身要有防靜電和屏蔽設置，布置上要遠離輻射源，還要對輻射源的頻率、功率以及空間指向進行管理等方法共同保護著燃油的安全。因此只有從船總體到各個分系統(tǒng)設備密切配合、通力合作，才能得到更好的電磁兼容性能。同時還要加大對電磁兼容試驗內(nèi)容及試驗方法的研究，從實踐角度衡量電磁兼容設計及管控的正確性和合理性，為后續(xù)艦船建造設計提供實踐支持。