舰载平面阵天线布置中的电磁兼容性问题及控制措施

宋东安 张 崎 温定娥 方重华

中国舰船研究设计中心电磁兼容性重点实验室，湖北武汉430064

舰载平面阵天线布置中的电磁兼容性问题及控制措施

宋东安 张 崎 温定娥 方重华

中国舰船研究设计中心电磁兼容性重点实验室，湖北武汉430064

以平面阵天线为射频集成系统的典型研究对象，从电磁兼容性层面分别研究平面阵天线装舰的电磁特性、平面阵天线与传统离散天线装舰布置方式的区别，以及平面阵天线间主要的电磁干扰耦合方式。分析并提出阵面天线的应用将使得高场强分布由离散的舰面分布，改变为集中分布并向高空间发展，呈现出立体分布特性；改变原来天线的隔离度特性，将产生新的强近场环境的电磁干扰特征，对舰载天线和电子设备的优化布置产生重大影响。为解决平面阵天线带来的新问题，必须突破的关键技术将涉及辐射源、耦合途径和敏感设备的电磁分析、建模和试验验证等方面，电磁分析需要计入舰船物理环境和天线布置状态的影响。同时，在平面阵天线的优化布置尚无相关标准可依的情况下，可以先通过试验获取不同条件下天线间隔离度数据作为参考，并通过抑制表面波传输等手段进一步控制电磁兼容性。此外，还需加强对上层建筑的空间和频谱的管理，防止各平面阵天线间的相互干扰。

电磁兼容性；阵列天线；舰载射频集成；隔离度控制

0 引 言

未来海战环境瞬息万变，水面舰船将遭遇来自海、陆、空、电等多方面的威胁和攻击。为了提升舰船自身的防护能力和战斗力，各国海军都将提升生存力、运行力和作战力等“三力”作为新一代舰船发展的主要方向，促使雷达、电子战、通信等各种先进的电磁系统在舰船上广泛应用，使得舰船上布置的天线数量达百余副之多。数据表明，美国20世纪末的舰船上的天线数量平均比80年代增加了一倍，并且还有增加的趋势。天线数量和密度的增加与尽量减小舰船总的特征信号通常是相互矛盾的，这种矛盾已显著影响舰船总体的结构设计和天线布置，因此，需要寻求一些新的解决方案［1-5］。射频集成或天线共用技术为解决该问题提供了一个有效的途径［6-10］，美国研制出了多功能电磁辐射系统（MERS），将敌我识别（IFF）、测向（DF）、联合战术情报分配系统（JTID）和超高频天线组合在一个集成的低雷达有效反射截面的组件内，并布置于桅杆或上层建筑上。射频集成技术的上舰在提升舰船隐身性和生存性的同时，充分发挥了大规模射频集成技术最突出的优点——强大的射频功能和射频资源的智能化调配，极大地增强了舰艇的作战能力，是未来大型水面舰船的必然发展趋势。

在舰船上采用射频集成技术的主要特征是改变以往离散的天线布置方式，用平面阵天线集成实现传统离散天线的功能，并且在微波（或较高）频段已初步实现用相控阵天线替代部分传统分散布置的雷达。但是，从电磁兼容性层面讲，平面阵天线的电磁辐射特性和布置方式与离散天线有显著的不同，并有可能会产生新的电磁兼容性问题［11］。

本文将对平面阵天线集成布置中的电磁干扰问题进行讨论，分析潜在的干扰耦合途径及可能产生的干扰类型和特征，最后提出一些控制干扰措施。

1 电磁表征

舰船是由大量的电子设备、天线、武备和复杂平台构成的电磁系统，天线是该系统的激励源，天线布置是否优化直接左右着舰船总体的电磁兼容性。为了增强舰船的功能，舰载天线的数量和种类也在不断增加。天线产生的强辐射通常会对舰载武备、燃油、电子设备和人员产生潜在的电磁危害和电磁干扰。目前采取的手段是在进行舰船总体设计时，通过对舰载天线、武备和设备的优化布置来降低电磁兼容性风险。在没有采用射频集成技术的舰船上，主要是采用离散的天线布置方式并通过隔离度控制等原则进行优化设计［12］，此时舰船上层建筑的总体结构设计与装舰天线的布置相关性较小，上层建筑通常起隔离和屏障电磁波的作用。例如，舰首布置的天线与舰尾布置的天线通过空间和上层建筑（或桅杆）进行隔离，这种布置方式对消除某些干扰起到了一定的作用。但当舰船采用综合射频集成技术，用主流的有源相控阵技术或复合天线技术实现天线的阵面化，取代原来的机械旋转天线并与舰的上层建筑（或桅杆）共形布置时，这种革命性的变化就使得舰船总体上层建筑的电磁兼容性设计不仅对结构，而且还要对平面阵天线进行共体或共形设计，使平面阵天线作为上层建筑的一部份。

显然，用平面阵天线取代离散天线不仅改变了舰船总体设计时天线的布置方式，而且较之离散天线而言，平面阵天线更易受到上层建筑的电磁影响，使舰船的电磁特征产生新的变化。

[3]D. 41, 1, 13 (Nerat. 6 reg.); D. 3, 3, 1 pr. -1 (Ulp. 9 ad ed.); D. 3, 3, 63 (Mod. 6 diff.).

1）阵面天线的应用使得舰船岛式上层建筑及其附近区域相对舰船其它部位呈现出复合高场强区，改变了传统舰船高场强离散分布的特征。

其次，由离散布置向集中布置转化改变了原来天线的隔离度。在舰船总体电磁兼容性设计中，天线优化布置是尽量增加天线的空间隔离度。但对平面阵天线布置而言，很难通过空间隔离度控制措施来解决其电磁兼容性问题，因为数量众多的平面阵天线集中布置于岛式上层建筑的有限区域时，天线间的收发空间隔离距离由传统舰船的十几米（几十米）急降至几米左右，对减小天线的电磁耦合极为不利。虽然平面阵天线在共面布置时彼此之间一般不存在主波束的直射，仅存在端射的相互作用，但应认识到，平面阵天线是大功率辐射和高敏感共体，它们的能量比（最大辐射功率与最小接收电平之比）可达200 dB之多，杂波（或谐波）能量比（杂波辐射与最小接收电平之比）接近150 dB，这就意味着要保证两个不同频段的平面阵天线不存在杂波干扰，必须提供大于150 dB的隔离度，这种要求即使在端射情况下也很难满足，必须要考虑附加的控制措施。另外，布置于岛式上层建筑的平面阵天线与舰上其它的离散天线会产生新的相互作用。由于平面阵特性的辐射机理与反射面天线不同，因此在平面阵之间、平面阵与离散天线之间会通过新的耦合机理和途径产生新的强近场环境的电磁干扰特征，对舰载天线和电子设备的优化布置产生重大影响。

2 电磁分析

通过以上对采用射频集成技术舰船的电磁特性进行的讨论，认识到平面阵天线装舰不仅使舰船存有传统舰船的电磁特征，而且还表现出特有的电磁特征。对于传统舰船的电磁特征，我们已具备了相应的技术和控制能力，但射频集成技术的应用使舰船具备了很多新的特有电磁特征，其控制技术存在诸多难点，已超出了现有的技术能力，成为目前舰船电磁兼容性研究的新课题。为解决该问题，必须突破的关键技术将涉及辐射源、耦合途径和敏感设备的电磁分析、建模与试验验证等方面。

此时，电磁分析需要计入舰船物理环境和天线布置状态的影响。例如，平面阵间的电磁耦合发生在两个阵边缘，因此在分析平面阵天线的辐射特性时应侧重于对其端射的分析，需要研究多阵元在布置环境中的综合辐射效应。当电磁波在两个共面布置的平面阵天线间传播时，它的传播模式不能用简单的自由空间传播理论分析，需要考虑平面阵间介质（如吸波材料、金属等）的影响。国外在这方面的研究认为阵面间的耦合是以表面波的方式传输，由于表面波在金属表面传输时会在金属表面激励感应电流并且场和电流互相激发，使传播方向上场的能量衰减较小，因此波可以传输较远的距离。以上仅仅是定性分析，相应的定量分析涉及较复杂的电磁、天线和传输理论。

5）对于平面阵天线的优化布置，在没有相关标准可以依从的情况下，通过试验方法获取一些典型的数据，在试验中通过改变平面阵天线的相对方位和距离，测量在不同方位或距离时的天线间隔离度，也可作为平面阵天线布置的基础数据。

作品在设计和开发过程中，各个组员要保留好每一步相关的文档资料。在提交阶段，需要从整个作品的角度对文档进行组织，此时可以将之前的文档利用起来，要完成作品的测试文档。大赛一般还要提供作品的演示视频，在录制视频时，要边演示边讲解，尽可能让评委全方位地了解作品的真正技术和方法。完成这些后，根据要求将作品源码和文档资料一并上传到指定的服务器。

3 电磁控制

以上分析主要是基于采用平面阵天线的射频集成技术，这种技术主要是将传感器与舰船上层建筑进行集成，将天线和舰船总体的隐身设计融为一体。不同频段和数量较多的平面阵天线构成了舰船平台最大的电磁系统，是舰船作战系统的重要组成部分，因此，提升平面阵天线装舰的综合电磁兼容性非常重要。针对平面阵天线装舰的电磁兼容性问题，主要从设备和舰船总体两方面进行控制和管理，并且两者具有密切的相关性：总体向设备提出电磁兼容性要求或布置环境，设备需按要求进行电磁兼容性设计。舰船总体对干扰的控制主要通过在多种约束（有些可能是相互矛盾的约束）条件下对天线进行优化布置来实现，其中最重要的指标是空间隔离度。在传统舰船中，是依据相关的标准设计天线间的空间隔离度，但在采用平面阵天线布置的舰船平台上，目前还没有可依据的设计标准，因而平面阵天线在舰船平台布置的合理性还无法评估。目前，比较可行的做法是通过试验方法获取一些典型的数据，在试验中通过改变平面阵天线的相对方位和距离，测量在不同方位或距离时的天线间隔离度并作为平面阵天线布置的基础数据。

除上述理论研究外，美国于上世纪90年代已开始开展先进多功能射频集成系统电磁兼容性验证试验研究，建立了1∶1模拟演示试验床，试验或验证的项目包括：宽带阵面天线辐射特性、敏感特性、电磁干扰效应和系统链路等。为进一步提升模拟试验验证的准确性，开发了半物理电磁分析工具，将电磁环境效应数据引入作战系统模拟试验中，以评估对探测设备性能的影响。射频集成技术已成为世界海军未来发展的方向，相关的电磁兼容性研究还处于“进行时”阶段。美海军在《21世纪上半叶美国海军水面战设计方略的顶层研究》报告中，针对集成化甲板面设计，指出在甲板面集成电磁设计中，用于计算天线互耦、探测设备由于电磁干扰而性能下降以及其它电磁环境效应（E3）问题的物理模型都基于和利用大量的中央处理器资源。为了参与合作设计演练和模拟试验，电磁设计需要开发相关的电磁分析工具，将电磁环境效应数据引入作战系统模拟试验中，以评估对探测设备性能的影响。

4）为解决平面阵天线带来的新问题，必须突破的关键技术将涉及辐射源、耦合途径和敏感设备的电磁分析、建模与试验验证等方面，电磁分析需要计入舰船物理环境和天线布置状态的影响。

我和李咏虽说不是青梅竹马，也算得上一块儿长大。当年我十八，他十九，我属鸡，他属猴，进大学没俩月就谈上了恋爱。我爸一提起这事儿就忧心忡忡：“老话说，鸡猴不到头儿。你们啊，哎……”

实际上，解决控制射频集成技术电磁兼容性问题最有效的方法是研制射频集成多功能综合射频系统，美国在这方面已有阶段性成果。多功能综合射频系统是将多个不同频段的传感器共用一个孔径，其中电磁兼容性设计是该系统研制中的重要一环，并与系统的功能同步设计，或者说在系统的功能、结构、布置等设计中综合采用电磁兼容性设计和控制技术，对发现的电磁兼容性问题采用统一的方法及早解决。系统由许多设备和传感器组成，可能采用的控制措施多种多样，某些设备的控制措施可能会对其它设备产生影响。因此，要对系统中采用的控制措施进行统一的规划和实施。多功能综合射频系统和平面阵天线应用于舰船之后所带来的电磁兼容性问题是不同的，前者主要是“前门干扰”问题，后者则主要是“后门干扰”问题。解决这类问题的主要措施是将屏蔽、滤波、接地等技术进行综合应用，目前，这类控制措施在技术、材料和工艺上都已有创新和发展，这些新技术对控制多功能综合射频系统中的内部电磁干扰非常有效，但我国在这方面的研究还有一定的差距。为了满足该系统的电磁兼容性设计需要，应尽早开展这方面的前期研究。

研究区由于受多期造山事件影响，岩浆活动频繁，总出露面积65%左右。基性、超基性、中—酸性岩浆侵入活动和火山喷发活动都有，成因类型复杂。近年来的研究进一步表明，东昆仑造山带印支晚期是一个重要的成矿期，也是最具找矿潜力的成矿期，与区内已知矿床点成矿期大致相当[3]。

4 结 语

本文以平面阵天线为射频集成系统的典型研究对象，从电磁兼容性层面分别研究分析了平面阵天线装舰的电磁特性，平面阵天线与传统离散天线装舰布置方式的区别，以及平面阵天线间主要的电磁干扰耦合方式。通过分析提出：

首先，电磁环境分布表征出新的特征，即由原来的离散分布趋于相对集中分布。舰船上的电磁环境分布通常依从于天线的布置方式，采用射频集成技术的舰船通常将岛式上层建筑作为天线的主要布置区域，大量的平面阵天线按频段由低向高布置于上，此时，可以将整个岛式上层建筑视为一个大功率的、宽带的辐射源。这使得岛式上层建筑区域及其附近区域相对舰船其它部位呈现出复合高场强区，改变了传统舰船高场强离散分布的特征。这对一些必须布置于岛式上层建筑的其它设备而言，可能需要进行电磁兼容性加固设计。另外，由于天线的集中布置，使得电磁环境由原来的舰面分布向高空间分布发展，呈现出立体的分布特性，这可能会对舰载导弹发射和舰载机的起降初期产生潜在的电磁危害。因此，舰船在进行总体电磁环境设计时，不仅需要考虑舰面关键设备处的电磁环境，而且还需考虑舰载机起降和导弹飞行空间的电磁环境。

对照组使用常规护理措施，所涵盖的护理项目和措施有健康告知、基础护理操作、反应各项生命体征和身体指标的实时监测[1]。观察组的在实施上述护理操作的同时，辅之必要的心理护理操作，主要涵盖的护理项目有：（1）满足患者合理需求，消除负面情绪和负面影响，促进患者适应能力的提升[2]；（2）借助于交流、沟通、启迪的方式完成对患者的针对性心理护理，促进患者自我护理能力的提升。（3）依据评估-计划-实施-评价等步骤，对患者开展个性化的心理护理。

2）天线的集中布置使电磁环境由原来的舰面分布向高空间分布发展，呈现出立体分布特性，可能会对舰载导弹的发射和舰载机的起降初期产生潜在的电磁危害。

3）岛式上层建筑的平面阵天线与舰上其它的离散天线会产生新的相互作用，产生新的强近场环境的电磁干扰特征，对舰载天线和电子设备的优化布置产生重大影响。

在空间或区域极为有限的情况下，可供增大的空间隔离度极为有限，必须采取其它措施来减小天线间的空间耦合，或者阻断和减小平面阵天线间表面波的传输。在由空气和金属构成的边界条件中，表面波的主要能量集中在导体附近。利用该特性，可以对表面波进行抑制。目前，抑制表面波传输的方法有两种：涂覆吸波材料和改变波的传输方式。前者根据两平面阵天线可能产生干扰的频段，在波的传输路径上涂覆相应频段的吸波材料，通过吸波材料的作用减小电磁波的传输和耦合能量。涂覆吸波材料法在一定程度上改变了由金属和空气组成的表面波传输环境，但其对抑制平面阵阵元间的射线耦合所起的作用有限。后者根据表面波在传输过程中遇到不连续的边界条件时会产生辐射效应而减小传输能量，因此将两平面阵天线间的连接平面用波纹结构替代，使表面波在传输过程中不断地将传输能量转换为辐射能量而减小。在实际中，平面阵天线上舰后的电磁兼容性问题极为复杂，国外除了强化各装舰设备的电磁兼容性设计、总体的优化布置和采取相应的控制措施之外，还提出了对上层建筑的空间和频谱的管理。通过管理，可以防止各天线阵之间的相互干扰和更好地控制上层建筑的辐射场特征。

在舰船射频集成的电磁研究方面，国外已取得了一些成果。例如，日本在实验室环境下采用高频技术和试验对处于复杂结构体上的多阵元耦合进行了研究，证明在一些典型情况下可以采用UTD技术计算阵元的耦合。为了支援甲板上信号特征控制、电磁效率和电磁工程设计，作为舰载集成系统组成研制（Ship Integrated System Compo⁃nent Development）计划的一部分，美国海军从上世纪末就开始投资研制建模和仿真工具VIPER。VIPER是集成的、基于物理学的电磁辐射软件，具有先进的电磁工程分析能力，能精确预测舰船集成甲板上平面阵天线的最佳排列并使电磁干扰最小，基本满足DD（X）和其它未来水面战舰进行射频集成甲板电磁兼容性设计的要求。另外，为将舰船甲板面上的系统集成进综合桅杆，泰利斯公司提供了一份可行性研究与设计方案，使舰上传感器、天线和武器设备能够进行配置优化。

6）在空间或区域极为有限的情况下，可供增大的空间隔离度极为有限，必须采取涂覆吸波材料和改变波的传输等方式抑制表面波的传输，或采取其它的措施来减小天线间的空间耦合。

老邓嚯嚯地笑：你会查清楚？难道说你们请我们来是分腊肉的，还是分白糖的？甲洛洛怔怔地看着老邓，半天说不出话来。丁主任赶紧圆场：这个肯定会照顾你们，你们工作那么辛苦，我们怎么可能不体谅你们呢！老邓哈哈大笑：我开个玩笑，开个玩笑，你们可千万别当真。气氛一下缓和多了，后面依次问到嘎绒和西西的时候，老邓一直温和地笑，温和地点头，有时还温和地接上一句：这样好！这是应该的！

7）除了强化各装舰设备的电磁兼容性设计、总体的优化布置和采取相应的控制措施之外，还需要加强对上层建筑的空间和频谱的管理，防止各天线阵之间的相互干扰，更好地控制上层建筑的辐射场特征。

8）除此之外，研制射频集成多功能综合射频系统也是解决控制射频集成技术电磁兼容性问题的有效方法之一。

本次试验中采用PE为皮层材料，在复合纤维中主要起热熔黏合作用，同时赋予PE/PA6复合纤维爽滑的手感，采用PA6为芯层材料，主导纤维的力学性能。本试验改变纤维的复合比例，其他纺丝条件保持不变，纺丝效果如表2所示。

与射频集成技术相关的电磁兼容性问题是复杂和全新的，本文仅对平面阵天线上舰可能存在的潜在电磁兼容性问题进行了分析讨论，提出了初步的解决和控制措施，更多的努力是要针对这些问题开展具体的研究和试验工作，为解决高度集中布置的阵列化天线之间电磁兼容性，发挥阵列化天线与舰船上层建筑共形一体化设计后的射频效能提供技术支撑。

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Electromagnetic Compatibility Issues and Control Measures Related to Arrangement of Shipboard Plane Array Antennas

SONG Dong-an ZHANG QiWEN Ding-e FANG Chong-hua

Science and Technology on Electromagnetic Compatibility Laboratory，China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

This paper discusses a number of issues related to EMC design of surface ship by presenting a study on the integration of plane array antennas from an EMC perspective that includes electromagnetic characteristics of plane array antennas，difference of configurations adopted by ship-based plane array an⁃tenna and traditional discrete antenna，as well as main coupling patterns of electromagnetic interference（EMI）produced by plane array antennas.The analysis of plane array antenna in ship applications show that it will make high intense E field distribution altering from discrete distribution to concentrative and tri⁃dimensional，and also change the isolation characteristic of the antennas and produce a new intense near-field environment as well as significantly influence the arrangement of antennas and electric devices on ship.In order to meet these new requirements，it is necessary to have some critical approaches avail⁃able for analysis，including modeling and test validation of EM characteristics，radiant sources，coupling patterns and sensitivity equipment.The following considerations are also taken into account in EM analy⁃sis，i.e.the ship physical environment and antenna arrangement.The isolation performance of antennas could be obtained by testing in different conditions and treated as reference when plane array antennas are placed for lack of relative standards，and the EMC could also be controlled through suppressing surface waves.Additionally，managing the superstructure space and frequency spectrum are also needed to prohib⁃it mutual interference between plane array antennas.

EMC；antenna array；shipboard RF integration system；isolation control

U665.2

A

1673－3185（2012）03－15－04

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.03.003

2011－05－05

国家部委基金资助项目（×××20110002）

宋东安（1958－），男，博士，研究员。研究方向：舰船总体电磁兼容性预测分析与设计。E⁃mail：emceditor@126.com

张 崎（1981－），女，硕士，工程师。研究方向：舰船电磁兼容试验研究。E⁃mail：zhangqi0225＠yahoo.com.cn

宋东安。

［责任编辑：喻 菁］