舰船通信系统电磁干扰与干扰抑制

柯俊霄

(四川托普信息技术职业学院，四川 成都611743)

0 引 言

现代舰船装配着越来越多的先进电子通信设备，这些设备势必会抢占有限的空间和频谱，当若干设备同时工作时必然会产生电磁干扰(EMI)。电磁干扰主要包含电磁干扰源、耦合通道和敏感设备3个基本要素［1］。为了能够确保舰船通信系统正常运行，必须研究和抑制电磁干扰问题，以实现舰船各设备间的电磁兼容［2］。当舰船各通信设备处于同一电磁场环境下，并能共同完成各自功能时便有效地实现了全舰电磁兼容，即设备不会因其他设备所产生的电磁辐射使自身的使用性能产生不允许的降级。

1 舰船电磁干扰的危害

在恶劣的电磁场环境下，电磁干扰对舰船的通信能力产生了巨大损伤，一方面会造成传送信息的泄露，另一方面会降低电子设备的使用性能，使得系统不能够正常工作，会危及舰船安全系统，造成舰船损坏甚至人员伤亡。随着科学技术的不断发展，舰船电子设备越来越多的采用复合材料，所产生的电磁干扰现象日趋严重。干扰类型主要有同频干扰、邻域干扰、带外干扰、阻塞干扰和互调干扰［3］。当前舰船电磁干扰的危害十分严重，主要有以下3个方面:

1)降低通信系统的功能指标

电磁干扰会使得语音系统中语音信号产生严重失真［4］。在EMI的影响下，图像显示系统会发生模糊现象或者产生显示错误;在数字通信系统中，电磁干扰会降低系统信号传输的可靠性和有效性。

2)造成误指向、误动作、误燃和误报等损害

EMI 使得通信电子设备的正常工作受到干扰，例如定向天线接收信号后会造成误指向和误动作严重后果;在易燃区内，由于EMI 造成的强电磁场会产生感应电压引发误燃。

3)产生电磁辐射损伤、电磁泄密和暴露

人员暴露在电磁辐射下会严重损伤组织器官;电子设备产生的电磁辐射在产生干扰的同时，还会泄露信息;舰船电磁干扰容易使得舰船的地理位置信息暴露。

2 舰船电磁干扰抑制

为了有效抑制电磁干扰，在设计舰船通信系统时，要综合分析和研究电磁干扰的干扰源、耦合通道和敏感设备这3个基本要素，以实现全舰的电磁兼容。电磁干扰抑制措施如下:

1)在设计舰船的收发天线时，为避免天线间的耦合干扰，应合理选择不同特性的天线以减少天线的使用数量，设法增大大功率天线间的空间距离，分开布置天线收发区，将频段不同的天线配置带通滤波器。另外，为避免天线和周围金属产生耦合干扰，布置天线时应尽量远离金属器件，以使得天线方向的畸变尽可能减小。

2)通常情况下，舰船甲板上的各种金属设备会形成非线性连接，从而产生互调电磁干扰，干扰电子设备的正常工作频率。所以要增加金属构件的活动电气连接，减少使用暴露舰船外部的金属设备，而对于分布在舰船天线附件的器件尽可能的避免使用金属构件。研究发现采取以上措施，在很大程度上降低了非线性连接产生的电磁干扰。

3)采用接地措施能有效地避免舰船电磁干扰，可分为安全接地和电磁兼容接地。安全接地是为了避免电子设备绝缘平衡被破坏后人员触电事故，电磁兼容接地通过流放感应电荷，为舰船通信系统设置了参考电位，有效地抑制了电磁干扰。同时要定期测试接地电阻避免接地不良。

4)在舰船整体设计时，要提高造船技术，选择抗噪声性能好的电子设备，统一分析和研究电磁兼容的相关问题，综合分配电磁频率，避免因频率分配不合理而导致舰船电子设备间的电磁干扰［5］。

5)在对电缆进行敷设时，必须根据电缆传输能量的多少以及工作频率，按照国家电缆敷设标准对电缆作相应设计，并定期进行检测，以保证电缆的工作性能。

总之，在抑制舰船通信系统电磁干扰时，要根据实际情况选取相应的抗干扰措施，以便实现全舰电磁兼容。

3 舰船电子设备电磁兼容仿真

抑制舰船电子通信系统中的电磁干扰问题越来越受到关注，从而使电磁兼容仿真也成为抑制干扰的重要步骤。实际电子设备组成复杂，含有PCB板和各种器件，如果直接根据设备建模，过程会过于繁琐，计算量很大，甚至会使仿真结果失真，因此在电子设备电磁仿真过程中可以简化设备模型，来减小建立仿真模型的速度和计算量。简化规则主要有:1)在建模时，某些和屏蔽性能无关的器件可以不出现在模型中;2)电缆性能具有随机性，其屏蔽效能不确定，可作忽略处理;3)对屏蔽效能影响微小且处在不重要位置处的小器件也可忽略。进行电磁兼容仿真时，对屏蔽效能进行仿真，则屏蔽效能的大小表征了抵抗电磁干扰能力的强弱。

3.1 复杂设备模型的电磁兼容仿真

将CPU的周围电路、南北桥芯片、显卡作为辐射源，建模时将电子设备的器件尽可能保留。在计算机工作平台上对设备模型进行仿真，实验仿真频谱范围设置为50～1 050 Hz (步长50 Hz)，计算精度值0.02，迭代50 次。设定设备仿真模型定义域为5.25 m×3.25 m×5.25 m，单元网格数为109 721个，则复杂设备模型的网格如图1所示。进行建模仿真时，Eh为通风板前2 cm 处的场强，Eq为设备无外板后对应的场强，则设备的屏蔽效能为SE=，所测屏蔽效能数据如表1所示。

3.2 简化设备模型的电磁兼容仿真

按照电子设备的实际结构建模会耗费精力，通过简化模型可以大大提高仿真效率。按照简化规则对设备进行简化建模，划分单元网格数为81 675个，实验步骤和复杂设备模型的仿真相同，所得屏蔽效能测量数据如表2所示。

图1 复杂设备的网格模型Fig.1 Grid model of complex equipment

表1 电子设备复杂模型的屏蔽效能仿真数据Tab.1 The simulation data of shielding effectiveness of the complex model of electronic equipment

表2 电子设备简化模型的屏蔽效能仿真数据Tab.2 The simulation data of shielding effectiveness of the simplified model of electronic equipment

3.3 两模型仿真结果比较分析

两电子设备模型的仿真环境和步骤均相同，2次电磁兼容仿真实验设备的网格数、划分网格所花费的时间和仿真所用时间如表3所示。将复杂和简化模型的电磁兼容仿真结果绘制成曲线变化图，结果如图2所示。

表3 设备复杂和简化模型测试数据对比Tab.3 The comparison of the simulation data of the complex and simplified equipment model

根据表3 发现，简化模型的计算量是复杂模型的37.8%，复杂模型仿真所耗时间比简化模型多了338 min 58 s，简化模型仿真节省了大量人力和物力，缩短了电磁兼容仿真建立模型的时间，提高了仿真速度。从图2 可发现，在整个频段上2 种模型的屏蔽效应结果相差很小，所以用简化模型能有效地仿真电子设备的屏蔽性能。

图2 两设备模型屏蔽效能仿真结果Fig.2 The simulation results of shielding effectiveness of the two equipment models

4 结 语

舰船通信系统的电磁干扰危害日趋严重，所以要深入研究和抑制电磁干扰，进行电磁兼容仿真实验来实现全舰电磁兼容。从论文中电磁兼容仿真实验可以发现，复杂设备模型仿真耗费大量人力物力，计算量很大，而简化模型仿真能准确快速地仿真设备的电磁兼容性能，所以简化模型是抑制电磁干扰和测试设备屏蔽效能行之有效的方法。总而言之，简化模型仿真结构简单，速度快，效率高，较复杂模型仿真实验有很大的优势。

［1］孙健，孙剑平，陶熹.舰载电子设备电磁干扰及干扰抑制研究［J］.舰船电子工程，2008，28(9):200-203.SUN Jian，SUN Jian-ping，TAO Xi.Electromagnetic interference and interference suppression of naval ship electronic equipment［J］.Ship Electronic Engineering，2008，28(9):200-203.

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