舰船通信系统电磁兼容问题研究*

韩 刚 陈 冬 周曙光

(91917部队 北京 102401)

舰船通信系统电磁兼容问题研究*

韩 刚 陈 冬 周曙光

(91917部队 北京 102401)

讨论了干扰舰船通信装备的各种因素,分析了舰船通信系统的干扰源和干扰途径,提出了减少舰船通信装备电磁兼容问题的方法。从原理设计、电路板设计到设备结构设计再到设备安装布局几个层面上探讨了减少辐射和抗干扰的手段。综合采用多种方法,可使舰船通信系统的电磁兼容问题降至最低。

舰船通信系统; 电磁兼容; 抗干扰

Class Number TN914

1 引言

电子设备的电磁兼容性是指在电磁环境中能正常工作并且不对该环境中其它设备造成电磁骚扰的能力。电磁兼容包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰(EMI)不能超过一定的限值;另一方面指对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。电磁兼容问题可以包括干扰源、耦合路径和受干扰体三部分。设备间的互相干扰,电路内部线路的相互串扰,电信号在电路板中传输时产生的信号完整性下降和电源完整性下降等都属于电磁兼容问题。

2 舰船通信系统的电磁兼容问题

舰船电子系统装备不断发展,电子设备的使用密度日趋增大。现代舰船中广泛配备着雷达预警系统、跟踪和制导系统、武器控制系统、通信系统、指挥与决策系统、敌我识别系统、电子对抗系统、水下探测系统以及气象系统等装备。各种电子设备产生、接收、传送、处理、贮存的电信号中含有大量信息。如此众多的电子系统集中装备在舰船的狭窄空间内,天线林立、频谱拥挤,各种金属构件的天线,大量成束电缆的敷设等等,都给电磁干扰的产生和传播提供了条件和途径。多种设备同时工作就更容易造成相互干扰,尤其是舰船编队航行时,设备相互干扰将更加严重。海洋电磁环境越来越复杂,干扰源越来越多且强度越来越大。敌我双方的电磁干扰手段也不断丰富,高电平电磁脉冲等方法也经常被用作破坏敌方电子装备的手段。电磁兼容问题日益成为影响舰船战斗力的重要因素[1～2]。

从长波到中波、短波再到微波、卫星通信和激光通信,远距离海洋通信手段丰富,涵盖全部无线电频谱范围。相对于其它系统,通信系统设备种类多、发射能量大,也更容易影响其它系统的工作或者被其它系统所干扰。由于对安全的考虑,通信系统对电磁辐射的要求更高。另外,各种通信设备间也容易相互干扰。因此必须十分重视通信系统的电磁兼容问题。

2.1 干扰源分析

对舰船通信系统造成干扰的信号源很多,包括自然界的干扰、人工干扰。自然界的干扰很多,如静电、雷击等自然现象都是潜在的干扰源。人工干扰更多,例如动力系统的干扰、其它电子系统的干扰等。舰船设备中的机电设备也是重要的干扰源[3],电机在工作中会产生很宽频谱范围内的电磁辐射。现代战场中经常使用电子对抗装备或武器,如电子干扰装置、微波武器、主动雷达、声呐等装备都会对通信系统造成强烈的干扰。另外,核爆时的电磁脉冲也是舰船通信系统潜在的干扰源之一。

2.2 耦合路径分析

舰船通信系统通常采用无线通信方式,天线传导是主要的干扰途径之一;舰船内的所有电力和电子设备都会通过电源线相连,电源电流的杂波通过电源线传导至每个电子设备。传递信号的线路会形成电磁场,平行的导线间会形成串扰,这也是造成干扰的途径之一。

3 通过系统设计改善舰船通信系统电磁兼容性

图1 电磁干扰模型

如图1所示,解决电磁兼容问题一方面要降低设备的辐射,另一方面要提高设备的抗干扰能力,要想避免电磁兼容问题,必须在系统设计阶段充分重视,既包括原理设计也包括电路板设计和设备结构设计。电磁兼容问题非常复杂,不同环境对设计的要求也各不相同。

3.1 系统原理设计

在设计舰船电子设备时,要有全局观念,从整体考虑,对各资源进行合理布局,避免产生频率、功率上的冲突。再配合其它关键技术,将电磁兼容问题在原理设计阶段降至最低。

1) 自适应技术

自适应技术是避免干扰的重要方法之一,它包括很多方面,如自适应编解码技术、频率自适应技术、带宽自适应技术、自适应干扰相消技术和自适应调零技术等。一方面根据信道质量自动选择工作频率、带宽和编解码方式,使多个系统能够相互规避,避免产生相互干扰;另一方面根据干扰信号的功率和方向,自动调整各方向的接收增益,使之在干扰方向上形成零点。

2) 天线复用

天线是无线电信号的收发装置,容易引发电磁兼容问题。天线复用不仅可以减少舰船上的安装空间,还可以降低相互之间的干扰。

3) 天线极化设计

极化方向相互垂直的信号彼此不受影响,可以利用这一特性来达到抗干扰的目的。也就是说可以通过天线的极化设计来达到电磁兼容的目的。

4) 电源滤波

为了减少各设备间通过电源线传导带来的干扰,还要在设备电源输入端安装滤波器。无论对于直流电源还是交流电源,通常采用低通滤波器。滤波器的设计方法很多,要根据电源杂波的特点综合选用恰当特性的滤波器[4]。

3.2 电路板级设计

合理的印刷电路板设计是解决电磁兼容问题的有效手段[5]。通常低频电路的电磁兼容问题较小,而高频电路的电磁兼容问题比较严重,因此高频电路设计必须格外注意。

1) 去耦和旁路电容的使用

去耦电容和旁路电容是减少电磁干扰的有效方法,采用钽电容会得到更好的效果。对于部分容易受到干扰的元件或集成电路,需要在它的电源和接地之间连接去耦电容,一方面可以起到蓄能的作用,另一方面也可以起到滤波的效果。而旁路电容连接在信号与接地之间,用于滤除无用的共模信号能量。

2) 元件与PCB分层合理布局

恰当的元器件布局有利于信号在电路板上的传播,增加信号完整性,使电路正常工作。布放元件时,尽量缩短高频元件之间的距离;综合考虑各原件的分布参数,尽量使元件平行排列。设计PCB时尽量采用多层板,与原件相邻的层应为接地层,所有信号线尽量与接地层平行。

3) 布线规则

在进行PCB布线时要遵循以下几条规则[6]:尽量避免两信号层直接相邻;严禁使用直角布线;重要信号布线采用3W规则;避免长距离的平行走线;高频走线尽量不要使用过孔。

4) 电源与接地的处理

电源与地线的走线格外重要,要注意以下几个方面:电源和接地线尽量加粗,尽量采用单独电源层和接地层;直流地与交流地分开,采用磁珠连接;电源层和接地层边缘布线依据20H原则。

3.3 设备结构设计

设备外壳和机架一方面起到固定电路板的作用,另一方面也有屏蔽无线电信号的作用。不同的辐射源应采用不同屏蔽方法,要根据对屏蔽的要求采用不同的屏蔽策略。

1) 屏蔽材料

采用不同的材质作为屏蔽材料对屏蔽效果有重要的影响。根据屏蔽信号特性选择屏蔽材料,屏蔽电场波时选用电导率较高的材料做屏蔽体,屏蔽磁场波时选用磁导率叫高的材料。屏蔽电场波时,屏蔽体尽量靠近辐射源;屏蔽磁场波时屏蔽体尽量远离辐射源。

表1 常用金属材料的相对电导率和相对磁导率[7]

2) 缝隙、孔径处理

理想的屏蔽设计是在电路的四周全部采用接地导体进行屏蔽,但现实中这是不可能实现的。为了散热、观测和调试等目的不可避免的在屏蔽外壳上留有口径和窗口。正确的布置通风孔径,合理地设置屏蔽盒接缝方向将使屏蔽达到最佳效果。缝隙的屏蔽效果可用如下公式评估[8]:

(1)

其中:Ra为开口缝隙的发射损耗,Aa为传输损耗,t为缝隙搭接深度,g为缝隙的长度。N为缝隙处波阻抗与空间入射波的波阻抗的比值。

相对于开槽,加孔的屏蔽效果更好。在同等散热面积条件下,通常而言加孔的屏蔽效果优于开槽,开小孔的屏蔽效果优于开大孔。

4 通过设备安装和布局改善电磁兼容性

通常,设计舰船结构时会考虑电磁兼容问题,在进行通信设备安装时须按照舰船的设计理念进行布置。同时还要对天线、馈线等进行特殊处理。

4.1 空间隔离

通过屏蔽等措施,设备的辐射能量大幅降低,抗干扰性能得到明显增强。各电子系统的位置关系显得尤为重要。通常来说,可以将舰船内部划分为多个区域,将雷达、通信设备分层设置。将雷达天线与通信天线分置安装,并严格控制雷达工作的扫描扇区和通信天线的主瓣方向,防止通信和雷达设备天线相互照射。另外,发射天线和接收天线要分开布置,控制好它们的方向,防止相互干扰。不同频率的天线也要分开布置,可近一步划分为短波区、微波区等。可以用下面的方法来表示两付天线的空间隔离度:

空间隔离度(dB)=32.44+20lgF+20lgL

(2)

其中:F为频率,L为两付天线间的距离。由此可计算出倒灌功率[9]:

倒灌功率(dB)=发射功率(dB)-空间隔离度(dB)

(3)

短波收发天线间的空间隔离度应大于40dB,超短波收发天线间空间隔离度应大于30dB[10]。

4.2 减少耦合路径

为减少信号线耦合带来的干扰,要将电力电缆、射频电缆、控制电缆盒敏感电缆分类布置。更进一步还要做到:弱电和强电分开,直流和交流分开,输入线路和输出线路分开,不同电压、不同电流等级的线路分开。另外,尽可能利用光电耦合代替电耦合尽可能利用光缆代替电缆传递信号,从而进一步减少信号耦合路径。

5 结语

综上所述,舰船通信系统的电磁兼容问题非常复杂,涉及到很多方面。良好的电磁兼容设计会有效抑制干扰并减少对外界的辐射,能够提高设备在复杂海洋电磁环境下的性能。从原理设计阶段就要充分考虑电磁兼容问题,在电路板设计、设备结构设计及设备安装时同样要将电磁兼容作为重要的因素。综合采用各种措施可使舰船通信系统的电磁兼容问题得以有效解决。

[1] 毕季明,黄小华.海军舰船电磁兼容控制技术与措施[J].舰船电子工程,2007,27(2):201-203.

[2] 周辉,石志军,刘力天.复杂电磁环境下的战场通信保障策略[J].装备指挥技术学院学报,2008,19(6):1-5.

[3] 叶小舟.通信设备的电磁兼容性设计[J].电子质量,2005(2):73-75.

[4] 李华.舰船信息处理系统电磁兼容设计技术[J].舰船科学技术,2008,30(11):147-151.

[5] 白运芳.电磁兼容与电磁兼容设计[J].无线电工程,2008,38(11):34-36.

[6] 生建友.抗干扰通信设备的电磁兼容性和热设计[J].舰船电子对抗,2002,25(1):36-39.

[7] 谢菁,梁志强.电磁兼容性设计在通信设备结构设计中的应用[J].电子测量技术,2006,29(6):180-182.

[8] 金华标,吴军,李鹤鸣.船用电子设备电磁兼容性设计[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2009,33(3):479-482.

[9] 曹军旗,姚殿民,陶玉刚.舰船通信系统电磁兼容设计分析[J].环境技术,2013(2):33-36.

[10] 陶爽.对舰船通信系统电磁兼容的探讨[J].中国集体经济,2009(7):172-173.

EMC in Shipboard Communication System

HAN Gang CHEN Dong ZHOU Shuguang

(No. 91917 Troop of PLA, Beijing 102401)

The EMC(Electromagnetic Compatibility) problems in shipboard communication system were discussed, at the same time the interference sources and channels were analyzed. And the methods to reduce EMC problems were proposed. It was discussed to reduce EMC problems by means of system design, PCB design, equipment structure design and equipments installment. By applying all those methods synthetically, the EMC problems could be minimized.

shipboard communication system, EMC, anti-interference

2013年8月3日,

2013年9月21日

韩刚,男,工程师,研究方向:舰船通信保障。陈冬,男,博士,工程师,研究方向:数字通信。

TN914

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.039